牛立軍 王 鵬 黃俊超 朱東方

(華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南鄭州 450011)

水閘是一種利用閘門擋水和泄水的低水頭水工建筑物，在水利工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，多建于河道、渠系及水庫、湖泊岸邊，具有通過攔洪、擋潮、抬高水位滿足上游引水和通航需要以及泄洪排澇、沖沙及調(diào)節(jié)流量的作用。水閘的上游鋪蓋在保證閘室穩(wěn)定中起到十分重要的作用，而兩岸連接建筑的翼墻和岸墻在水閘工程中占有很大的比重，最多可達(dá)到工程總造價的40%，因此水閘鋪蓋和翼墻的設(shè)計至關(guān)重要［1］。

在工程設(shè)計中，一般包括兩種內(nèi)容:一是創(chuàng)造性的設(shè)計，如方案構(gòu)思、原理擬定等，需具備較強(qiáng)的創(chuàng)造性思維能力;二是非創(chuàng)造性的工作，如計算分析、信息檢索等，工作機(jī)械重復(fù)，可借助計算機(jī)的功能來完成［2］。計算機(jī)的三維設(shè)計功能在處理這些內(nèi)容時較傳統(tǒng)的設(shè)計手段具有更高的精準(zhǔn)度和更好的操作性。然而目前水利工程的三維設(shè)計并不多見，軟件設(shè)計市場尚未成型，絕大多數(shù)設(shè)計人員仍在采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，利用AutoCAD軟件代替手工圖板繪圖，停留在二維設(shè)計階段。本文針對水閘鋪蓋、翼墻的工程設(shè)計，利用VBA語言來實現(xiàn)CAD的二次開發(fā)，提出三維實體設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，為今后的設(shè)計開發(fā)工作提供了依據(jù)。

1 系統(tǒng)的優(yōu)勢

1．1 設(shè)計產(chǎn)品形象直觀

在傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計中，普遍采用的二維設(shè)計在經(jīng)歷三維實體到二維圖紙的轉(zhuǎn)換過程中存在一定誤差，難以將三視圖精確完整、清晰直觀地表現(xiàn);在水利工程施工中，需人為地將設(shè)計圖紙完成抽象到實體、二維到三維的轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行施工，程序繁瑣、技術(shù)復(fù)雜，不利于高效施工。

本文提出在AutoCAD軟件的設(shè)計平臺上，運用內(nèi)嵌的VBA編程語言，結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計原理的方法，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的設(shè)計理念，通過直接設(shè)計三維實體，明確空間概念、簡化轉(zhuǎn)化程序，同時將實體模型與平面圖進(jìn)行校核，提高了在設(shè)計和施工階段的準(zhǔn)確度。

1．2 準(zhǔn)確計算工程量

在工程量清單計價模式的應(yīng)用過程中，進(jìn)行三維實體設(shè)計，能夠更加精確的進(jìn)行工程量計算，為概預(yù)算及施工期業(yè)主的材料供應(yīng)計劃提供科學(xué)的依據(jù)，減少誤差導(dǎo)致的施工階段的工程量變更，與管理信息系統(tǒng)結(jié)合，節(jié)約了資源，提高了水利工程管理水平。

1．3 便于優(yōu)化設(shè)計方案

由計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，以符合實際受力情況分布為原則，針對三維實體進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算和穩(wěn)定分析，根據(jù)計算及分析結(jié)果，由用戶決策設(shè)計方案的可行性，調(diào)整設(shè)計參數(shù)，直至得到合理的結(jié)構(gòu)型式，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計方案的目的。

1．4 實現(xiàn)三維設(shè)計二維出圖

三維設(shè)計可以實現(xiàn)任意視角地觀察工程的局部及整體，通過與三維設(shè)計平臺無縫連接的可視化仿真系統(tǒng)，提供動態(tài)的結(jié)構(gòu)裝配過程，使建筑物三維形象的面貌特性更加直觀。由于信息化設(shè)備的局限，還不可能普遍實現(xiàn)3D打印技術(shù)，仍然需要進(jìn)行二維出圖，供施工人員施工使用，而三維的設(shè)計模型則作為施工的輔助和最終校核。

2 系統(tǒng)目標(biāo)

系統(tǒng)目標(biāo)主要定義了MIS(Management Information System)的服務(wù)要求，具體地描述了用戶目標(biāo)，即設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計工作所要實現(xiàn)的目標(biāo)［3］。確定系統(tǒng)目標(biāo)的作用在于一方面可以通過更多更好的硬件、軟件來增強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力，實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)，另一方面根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)分析，可以對組織進(jìn)行改造，建立更好的組織模式，為組織決策提供良好的信息支持，即改變傳統(tǒng)的設(shè)計模式。

通過分析設(shè)計目標(biāo)，結(jié)合簡化的戰(zhàn)略目標(biāo)集轉(zhuǎn)移法(Strategy Set Transformation，SST)，直接將傳統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)目標(biāo)，即實現(xiàn)三維繪圖、計算強(qiáng)度和穩(wěn)定、生成工程量清單和打印二維施工圖四大功能，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)目標(biāo)分解圖

3 系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)方法

系統(tǒng)一方面將給出一般的水閘鋪蓋和翼墻的形式，便于設(shè)計人員自行選擇設(shè)計結(jié)構(gòu)類型;另一方面，采用更符合和貼近現(xiàn)代CAD中概念設(shè)計和并行設(shè)計思想的參數(shù)化設(shè)計方法，設(shè)計人員通過參數(shù)輸入，精確成圖。

3．1 結(jié)構(gòu)型式參數(shù)化分析

通過對建筑物結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸類，由系統(tǒng)開發(fā)人員搜索相關(guān)資料，借助AutoCAD工具手工繪制結(jié)構(gòu)型式作為設(shè)計對象。水閘上游鋪蓋主要有三種型式:黏土鋪蓋、瀝青混凝土鋪蓋和鋼筋混凝土鋪蓋。翼墻常見的型式為重力式、扶壁式、懸臂式和空箱式［4］。鋪蓋與翼墻三維設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)方法是相同的，以下內(nèi)容以翼墻三維設(shè)計為例介紹系統(tǒng)實現(xiàn)的方法。

翼墻的布置類型主要包括四種類型:直線式(含折線式)、曲線式、扭曲面式和斜降式。按照參數(shù)化設(shè)計的方法，將翼墻型式進(jìn)行參數(shù)化分解，通過約束參數(shù)(屬性)來確定翼墻的三維型式。

3．2 系統(tǒng)模塊分析

本系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)確定系統(tǒng)設(shè)計模塊，將所要實現(xiàn)的系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)模塊［5］，包括鋪蓋和翼墻的三維繪圖、配筋計算及鋼筋籠繪制、翼墻強(qiáng)度及穩(wěn)定計算、工程量計算、二維出圖?？紤]到翼墻的四種型式在荷載計算、穩(wěn)定分析和結(jié)構(gòu)計算上類同，設(shè)計思路上相似，僅以懸臂式翼墻為例進(jìn)行模塊分析，見圖2。

圖2 翼墻計算機(jī)三維設(shè)計模塊分析

3．3 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

系統(tǒng)依托AutoCAD的設(shè)計平臺，運用VBA語言進(jìn)行程序界面設(shè)計和編程分析計算。下面以三維實體圖形繪制及標(biāo)注的實現(xiàn)、鋼筋籠繪制的實現(xiàn)和三維實體到二維圖紙的轉(zhuǎn)換方法三個關(guān)鍵部分進(jìn)行簡要分析。

3．3．1 三維圖形繪制、標(biāo)注的實現(xiàn)

輸入圖形約束參數(shù)，以確定翼墻的斷面型式和平面布置類型，按照點—線—面—體的實現(xiàn)思路，實現(xiàn)翼墻的三維設(shè)計。具體實現(xiàn)方法為:1)新建UCS坐標(biāo)系。AutoCAD原有坐標(biāo)系默認(rèn)底面為xoy面，生成的三維實體為倒立圖，調(diào)整xoy面，使繪制出的實體圖符合視圖習(xí)慣［6］;2)建立Points數(shù)組集合，即根據(jù)輸入的參數(shù)確定圖形的控制點，以便連點生成平面圖;3)使用AddLight-WeightPolyline方法將控制點連接成線，生成平面圖;4)運用AddRegion方法生成面域;5)對于不同的實體類型，生成三維實體方式各不相同。對所生成面域進(jìn)行拉伸操作，需要使用AddExtrudedSolidAlongPath方法，并需使用AddLine方法建立拉伸路徑。掃掠命令需要根據(jù)給定的參數(shù)使用AddExtrudedSolid方法，旋轉(zhuǎn)命令則需要根據(jù)給定的面域和繞軸使用AddRevolveSolid方法實現(xiàn);6)刪除掉所有的非實體對象，即:entry．ObjectID◇ Solid．ObjectID;7)最后進(jìn)行三維標(biāo)注，不同的標(biāo)注樣式，分別有對應(yīng)的實現(xiàn)方法，創(chuàng)建對齊標(biāo)注，使用AddDimAligned方法;使用AddDimRotated方法，創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)標(biāo)注;使用 AddDimRadial或 AddDimDiametric方法，創(chuàng)建徑向標(biāo)注;要創(chuàng)建角度標(biāo)注，則使用AddDimAngular方法。

3．3．2 鋼筋籠繪制的實現(xiàn)

由體型的外形輪廓線決定的鋼筋，通過選擇決定鋼筋形狀的特征輪廓線，系統(tǒng)根據(jù)所選擇的輪廓線，自動布置鋼筋，生成實體鋼筋籠。對于與體型的外形輪廓無關(guān)的鋼筋，由用戶通過參數(shù)輸入設(shè)計鋼筋的形狀，然后根據(jù)需要放置在不同的位置［7］。設(shè)計中所布置的鋼筋都應(yīng)該按照用戶給出的鋼筋編號自動記錄于鋼筋表中。

鋼筋標(biāo)注與編制鋼筋表是面臨的另一個問題。根據(jù)配筋計算結(jié)果，由用戶選用相應(yīng)的鋼筋型號生成鋼筋籠，當(dāng)標(biāo)注時，由系統(tǒng)自動搜索鋼筋的編號、型號、直徑、根數(shù)、間距等相關(guān)信息，并自動標(biāo)注在指定的位置。鋼筋統(tǒng)計表由系統(tǒng)自動生成，系統(tǒng)會將編號、型式、型號、根數(shù)、單根長、重量等數(shù)據(jù)依次填入鋼筋表中，對每種鋼筋進(jìn)行詳細(xì)說明。

3．3．3 三維實體轉(zhuǎn)換二維圖紙的實現(xiàn)

系統(tǒng)通過二次開發(fā)編程實現(xiàn)三維轉(zhuǎn)換為二維的設(shè)計意圖，簡單方便。只需將原有實體復(fù)制為四個三維實體，將三個面旋轉(zhuǎn)成正視、俯視和側(cè)視圖，然后使用Flatshot(平面攝影)方法在繪圖的模型界面里進(jìn)行拍照操作，即生成平面圖塊，然后使用“分解”命令，即可分解三視圖塊，可進(jìn)行自由編輯。這些操作都可以找到相應(yīng)的VBA編程語言方法，通過二次開發(fā)即可實現(xiàn)三維實體到二維圖形的一鍵轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語

以水閘這一普遍的水工建筑物為例探索水利工程設(shè)計三維設(shè)計二維出圖的道路，有大量的工程已建和在建實例，便于研究、開發(fā)出普適性更強(qiáng)的設(shè)計軟件，現(xiàn)有的三維開發(fā)軟件很少見，且推廣應(yīng)用不足。系統(tǒng)主要以水閘上游鋪蓋和翼墻為研究對象，進(jìn)行計算機(jī)輔助三維設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)。將水利工程設(shè)計與AutoCAD軟件開發(fā)環(huán)境結(jié)合，更符合水利工程設(shè)計實際，便于工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)使用。完善的三維計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)，一方面極大方便了設(shè)計人員的操作使用，另一方面便于進(jìn)行方案的對比，提高工作效率，減少設(shè)計人員工作量和人員投入。此外，還將促進(jìn)水利行業(yè)設(shè)計方面的現(xiàn)代化改革，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］林繼鏞．水工建筑物［M］．第5版．北京:中國水利水電出版社，2010．

［2］王若慧．AutoCAD VBA參數(shù)化繪圖程序開發(fā)與實戰(zhàn)代碼［M］．北京:中國水利水電出版社，2013．

［3］陸 彥．工程管理信息系統(tǒng)［M］．北京:中國建筑工業(yè)版社，2010．

［4］SL 265-2001，水閘設(shè)計規(guī)范［S］．

［5］黃漢生，徐云修，朱春芳．水閘翼墻設(shè)計CAD研究［J］．中國農(nóng)村水利水電，1999(11):26-28．

［6］Marion Cottingham．AutoCAD VBA從入門到精通［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2001．

［7］彭正洪．水閘鋼筋CAD系統(tǒng)的分析與設(shè)計［J］．工程圖學(xué)學(xué)報，2000(4):8-13．