基于BIM技術(shù)的起重機械設(shè)計與制造

盛彩連 董澤鑫

（上海電力機械有限公司，上海 200245）

1 基于Bentley系列軟件的塔節(jié)建模

Bentley系列軟件包括三維參數(shù)化建模、曲面和實體建模、設(shè)施規(guī)劃等功能模塊，支持三維可視化、導(dǎo)航以及漫游等功能，提供了支持建筑全周期工具，支持協(xié)同管理并與專業(yè)軟件集成，是建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的重要支撐技術(shù)[1]。

1.1 軸網(wǎng)的建立

鋼結(jié)構(gòu)塔節(jié)在ProStructures軟件中進行建模的前提是先建立好軸網(wǎng)，以保證各個型鋼和零件的相對位置。通過圖紙尺寸確定好軸網(wǎng)的外形尺寸，建立軸網(wǎng)如圖1所示。

圖1 建立軸網(wǎng)

1.2 型鋼庫的使用

ProStructures的型鋼庫中配備了國標(biāo)、歐標(biāo)、美標(biāo)及自定義等各種型號的型鋼。使用時，可根據(jù)所需要的型鋼在型鋼庫中查找型鋼并調(diào)入模型文件。其中，插入方式可以選擇線性插入，通過關(guān)鍵點插入到已經(jīng)預(yù)設(shè)置好的軸網(wǎng)上。若軸網(wǎng)規(guī)格無法滿足型鋼放置需要，則可通過繪制輔助線來放置型鋼[2]。放置型鋼時可根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)型鋼的放置角度、長度等。已經(jīng)添加的型鋼可以通過其屬性查看型鋼型號、材料及長度等信息，如圖2所示。

圖2 型鋼屬性信息

1.3 連接板的創(chuàng)建

利用ProStructures中的連接中心功能，可以直接在兩根型鋼之間生成連接板，并且在型鋼的相應(yīng)位置鉆孔。具體的連接中心有多種類型，如端板、拼接節(jié)點以及剪力板連接等[3]。本文塔節(jié)的建模主要應(yīng)用的連接方式為剪力板連接。

剪力板連接又分為剪力板、加勁肋梁以及加筋板梁等。針對于本文塔節(jié)的建模，選擇加勁肋梁的連接形式，如圖3所示。

圖3 連接中心

1.4 模型的導(dǎo)出

在建好所需模型后，如圖4所示，將模型導(dǎo)入3D Max軟件中制作動畫。Bentley系列軟件中建模軟件的格式多為DGN文件，需要將文件格式轉(zhuǎn)化為3D Max支持的FBX文件格式。導(dǎo)出文件時，3D Max所識別的個體是以FBX文件的顏色或圖層區(qū)分的，需做成一個整體的零件以同一顏色繪制，或者使其處在同一圖層。在導(dǎo)出文件時，可以通過顯示集設(shè)置進行單項選擇。導(dǎo)出時選擇交互文件類型中的FBX文件，在導(dǎo)出設(shè)置中需要選擇單位和公差。公差通常設(shè)置為0.001，這樣導(dǎo)出的模型較為適配。同時，勾選“翻轉(zhuǎn)Y和Z”，3D Max中的坐標(biāo)和Bentley軟件是相反的，需反轉(zhuǎn)Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)塔節(jié)模型

2 基于3D Max軟件的動畫制作

3D Max是一款功能強大的三維制作渲染軟件[4]。在計算機里顯示3D圖形，就是在平面里顯示三維圖形。從人眼的視覺效果上虛構(gòu)的三維立體感，通過計算機屏幕上色彩灰度的不同調(diào)節(jié)，使人眼產(chǎn)生視覺上的特殊效果[5]。

2.1 銑床加工動畫

導(dǎo)入模型，點擊左上角命令，導(dǎo)入選項中選擇“合并”命令，在3D Max內(nèi)載入已經(jīng)創(chuàng)建的三維模型（銑床、待加工工件等）。調(diào)整位置，通過“視角塊”的自由旋轉(zhuǎn)找到合適視角，通過“菜單欄”上的“移動”“旋轉(zhuǎn)”“縮放”指令，對載入的銑床及相關(guān)模型進行位置的安放。

創(chuàng)建“組”，根據(jù)提前編寫的腳本內(nèi)容，對預(yù)操作模型進行“組”的創(chuàng)建，即編排模型內(nèi)部和模型之間的附屬關(guān)系、運動關(guān)系。

創(chuàng)建關(guān)鍵幀，通過對“菜單欄”和“關(guān)鍵幀區(qū)”結(jié)合使用，創(chuàng)建模型開始關(guān)鍵幀，完成手輪旋轉(zhuǎn)、銑刀旋轉(zhuǎn)、工作臺往復(fù)運動以及工件的位置變換等。鼠標(biāo)左鍵拖拽關(guān)鍵幀即可移動關(guān)鍵幀，Shift+鼠標(biāo)左鍵拖拽關(guān)鍵幀即可復(fù)制關(guān)鍵幀。通過對關(guān)鍵幀的創(chuàng)建與調(diào)節(jié)進行銑床加工動畫制作，如圖5所示。

圖5 銑床加工

2.2 焊接加工動畫

導(dǎo)入模型，點擊左上角命令，導(dǎo)入選項中選擇“合并”命令，在3D Max內(nèi)載入已經(jīng)創(chuàng)建的三維模型（焊機、待加工工件等）。調(diào)整位置，通過“視角塊”的自由旋轉(zhuǎn)找到合適視角，對載入的焊機及相關(guān)模型進行位置的安放。

創(chuàng)建“組”，參考上述同名操作，另逐條焊縫需單獨分離，要保持創(chuàng)建“組”時的打開時機正確。

創(chuàng)建“粒子噴射”。實際焊接操作中，火星濺射的場景在3D Max里用“粒子噴射”指令完成。在“創(chuàng)建區(qū)”選擇“粒子噴射”，在焊接相應(yīng)區(qū)域添加并調(diào)整粒子噴射方向、范圍等，再設(shè)置關(guān)鍵幀完成該效果的創(chuàng)建。

創(chuàng)建“關(guān)鍵幀”，參考上述同名操作，另待加工工件的焊縫需要做“可見性”處理，并跟隨焊槍運動加相應(yīng)關(guān)鍵幀，通過關(guān)鍵幀的創(chuàng)建與調(diào)節(jié)進行焊接加工動畫制作，如圖6所示。

圖6 焊接加工

2.3 拼接組裝動畫

導(dǎo)入模型，點擊左上角命令，導(dǎo)入選項中選擇“合并”命令，在3D Max內(nèi)載入已經(jīng)創(chuàng)建的三維模型（塔節(jié)部件、螺栓等）。調(diào)整位置，通過“視角塊”的自由旋轉(zhuǎn)找到合適視角，對載入的塔節(jié)及相關(guān)模型進行位置的安放。

創(chuàng)建“組”，參考上述同名操作，同時要求塔節(jié)各部件的“組”在拼接過程中打開時機與關(guān)鍵幀保持一致。

創(chuàng)建“關(guān)鍵幀”，參考上述同名操作，其中“可見性”處理是重點。該環(huán)節(jié)動畫“可見性”為主導(dǎo)，根據(jù)腳本內(nèi)容調(diào)節(jié)依次出現(xiàn)的各部件，并對各部件的“可見性”做相應(yīng)關(guān)鍵幀，通過關(guān)鍵幀的創(chuàng)建與調(diào)節(jié)進行拼接加工和動畫制作，如圖7所示。

圖7 拼接組裝

2.4 渲染動畫

在完成動畫制作、賦予材質(zhì)和相機創(chuàng)建后，即可進行最后的渲染。打開“菜單欄”的“渲染設(shè)置器”，調(diào)整寬高比為“1920×1080”，取消GI的勾選（一般不啟用，若啟用則渲染時間倍數(shù)增加，非高質(zhì)量要求不啟用），查看安全框和渲染視圖是否選擇正確，選擇渲染的保存位置，輸出格式為“JPEG”格式。點擊“渲染”指令開始渲染，通常渲染時間會較長且占用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）較大，故盡量保持設(shè)備完全處于渲染狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 渲染動畫

3 使用PR（Premiere Pro CC）軟件對動畫進行合成剪輯

在3D Max中完成的動畫渲染圖以JPEG的形式導(dǎo)出，合成剪輯的步驟在PR軟件中完成。首先從“導(dǎo)入?yún)^(qū)”加載3D Max導(dǎo)出的JPEG文件，在“工作區(qū)”中視頻道、聲道等位置對文件進行后期處理，將單個的JPEG文件合成為整體視頻文件，對文件進行添加字幕配音、添加轉(zhuǎn)場效果等一系列處理，而后在上方“菜單欄”內(nèi)點擊“編輯”“導(dǎo)出”，最后以.mp4格式導(dǎo)出到指定的文件夾內(nèi)，完成操作，即完成基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)塔節(jié)的工藝過程的三維動畫。

4 結(jié)語

BIM是三維模型為主、物件導(dǎo)向、建筑學(xué)有關(guān)的計算機輔助設(shè)計。將BIM技術(shù)與機械設(shè)計與制造結(jié)合，創(chuàng)新推動的作用顯著。基于BIM技術(shù)制作的三維動畫能夠高度還原實際生產(chǎn)情況，可運用在車間工人與技術(shù)人員的技術(shù)交底方面，實現(xiàn)可視化直觀展示，提高從業(yè)人員整體素質(zhì)和生產(chǎn)效率。基于BIM技術(shù)制作的三維動畫還可運用在產(chǎn)品的虛擬制造方面，對試制產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進行虛擬制造，驗證工藝邏輯性、生產(chǎn)能力與產(chǎn)品的適配性，有效節(jié)約生產(chǎn)成本。BIM技術(shù)在生產(chǎn)調(diào)度方面也具有廣闊的前景，實時調(diào)控大規(guī)模生產(chǎn)的進度，能夠極大程度上提高生產(chǎn)效率，縮短工期。本文旨在基于BIM技術(shù)結(jié)合起重機械設(shè)計與制造的應(yīng)用，為機械行業(yè)制造企業(yè)的應(yīng)用提供支持，通過三維動畫制作課題的窗口，對響應(yīng)數(shù)字化制造起到積極影響。