彭自強(qiáng)

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長沙 410007）

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，BIM技術(shù)已成為工程建設(shè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；贐IM技術(shù)的三維設(shè)計(jì)正逐步推動(dòng)著設(shè)計(jì)領(lǐng)域的變革，被稱為繼CAD之后的第二次設(shè)計(jì)技術(shù)革命。

三維設(shè)計(jì)不再像傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)只是基于簡單二維圖符表達(dá)的平面設(shè)計(jì)，而是一種立體的三維空間表達(dá)。電氣三維設(shè)計(jì)作為水電站三維設(shè)計(jì)的重要分支，其涵蓋的三維元器件模型數(shù)量多，且由于各項(xiàng)目不同、各設(shè)備廠家不同，導(dǎo)致元器件模型樣式多種多樣，形成了龐大的三維元器件庫，給管理工作帶來了較大困難，直接影響了三維設(shè)計(jì)成果的規(guī)范性與完整性；同時(shí)設(shè)計(jì)人員需要花費(fèi)大量時(shí)間去建立各三維元器件的模型，為三維設(shè)計(jì)工作增添了較大工作量，嚴(yán)重削弱了三維設(shè)計(jì)所具備的優(yōu)勢。

參數(shù)化建模作為參數(shù)化設(shè)計(jì)的重要過程，越來越成為當(dāng)前三維設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。參數(shù)化建?？梢酝ㄟ^修改已定義好的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)，參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的方式便于用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)和后期修改，可以快速實(shí)現(xiàn)建模，對(duì)建立和完善元器件庫以及進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率具有十分重要的意義。

本文對(duì)基于Bentley軟件的水電三維電氣元器件庫管理方式及參數(shù)化建模進(jìn)行了探索，詳細(xì)介紹了元器件庫管理、參數(shù)化建模原理、各參數(shù)化建模方法以及能達(dá)到的效果，最后得出適用于電氣三維元器件庫管理及參數(shù)化建模的方法。

1 水電三維電氣元器件庫管理

針對(duì)水電站復(fù)雜、龐大的電氣設(shè)備群，按照逐級(jí)細(xì)分、分類管理、便于查找的原則，三維電氣元器件庫可以按專業(yè)劃分為電氣一次專業(yè)元器件庫和電氣二次專業(yè)元器件庫兩個(gè)大類。在這兩個(gè)大類中繼續(xù)逐級(jí)細(xì)分，其中，電氣一次專業(yè)元器件庫按類型分為：開關(guān)柜、變壓器、戶外開關(guān)站、GIS、柴油發(fā)電機(jī)、照明設(shè)備、橋架設(shè)備等，電氣二次專業(yè)元器件庫按類型分為：通信柜、控制柜、中控屏、蓄電池、工業(yè)電視等。具體構(gòu)成框圖如圖1所示。

根據(jù)構(gòu)成框圖，采用VBA語言針對(duì)Bentley平臺(tái)開發(fā)了一款湖南院三維電氣元器件庫管理工具，界面如圖2所示。

通過安裝該管理工具，設(shè)計(jì)人員能夠方便的對(duì)龐大的三維元器件庫進(jìn)行高效管理，該管理工具具備以下優(yōu)勢：

（1）涵蓋三維元器件庫的全部元器件，設(shè)計(jì)人員可以事先預(yù)覽模型并能得到模型的描述信息；

（2）設(shè)計(jì)人員只需雙擊預(yù)覽模型，即可以直接在專業(yè)軟件進(jìn)行放置；

圖1 水電三維電氣元器件庫

（3）管理工具基于Bentley平臺(tái)的基礎(chǔ)軟件Microstation編寫，適用于其他各專業(yè)軟件，具有較強(qiáng)的推廣性及交互性。

圖2 管理工具界面

2 參數(shù)化建模原理

參數(shù)化建模是一個(gè)描述對(duì)象規(guī)律的過程，其通過描述對(duì)象形體變化的規(guī)律來控制對(duì)象，模型參數(shù)的值可以變化，但參數(shù)之間的規(guī)律是沒有變化的。因此，對(duì)于隨機(jī)的、沒有規(guī)律的對(duì)象是無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的，因?yàn)?，?dāng)一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，其他參數(shù)的變化沒有規(guī)律可循。

參數(shù)化模型表示了元器件的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結(jié)構(gòu)約束和尺寸約束。結(jié)構(gòu)約束是指幾何元素之間的拓?fù)浼s束關(guān)系，如平行、垂直、相切、對(duì)稱等；尺寸約束則是通過尺寸標(biāo)注表示的約束，如距離尺寸、角度尺寸、半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關(guān)系，通過定義尺寸變量及它們之間在數(shù)值上和邏輯上的關(guān)系來表示。

參數(shù)化建模的關(guān)鍵問題是如何創(chuàng)建一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)化模型，所以在進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)需要考慮多方面的因素：

（1）分析組成元器件幾何形體的基本元素，以及各個(gè)元素之間的關(guān)系；

（2）分析自由參數(shù)與哪些元素有關(guān)，如何保證只有參數(shù)的自由變化；

（3）確定模型主特征及所有的輔助特征；

（4）利用表達(dá)式編輯器，按照自由參數(shù)對(duì)部分表達(dá)式進(jìn)行分析；

（5）確定特征創(chuàng)建順序，并進(jìn)行模型的創(chuàng)建；

（6）更改各個(gè)自由參數(shù)的值，驗(yàn)證模型的變化是否合理；

根據(jù)上述參數(shù)化建模原理，三維電氣元器件庫中的變壓器、柴油發(fā)電機(jī)等元器件的結(jié)構(gòu)跟隨電壓等級(jí)、容量等參數(shù)沒有固定的可遵循變化規(guī)律，因而，這些元器件無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模；對(duì)于開關(guān)柜、GIS等設(shè)備由于結(jié)構(gòu)簡單，沒有必要花費(fèi)太多精力去實(shí)現(xiàn)其參數(shù)化建模功能；針對(duì)戶外開關(guān)站設(shè)備，其外觀形狀跟隨電壓等級(jí)有固定的變化規(guī)律，且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以進(jìn)行參數(shù)化建模探索。

3 基于Bentley軟件的參數(shù)化建模探索

Bentley平臺(tái)下有多種參數(shù)化建模工具，PCS（Parametric Cell Studio）、GC（Generative Components）以及各軟件的CE版都是較好的參數(shù)化建模工具，針對(duì)上述幾個(gè)參數(shù)化建模工具的探索介紹如下：

（1）PCS是基于ABD的參數(shù)化建模工具，通過其建立的參數(shù)化元件只能在ABD中使用，無法在Bentley其他軟件中調(diào)用；

（2）GC是基于Microstation的關(guān)聯(lián)參數(shù)化建模系統(tǒng)，其參數(shù)化規(guī)則和關(guān)系是用戶自定義的，通過界面圖形操作和結(jié)合編程的混合方法，設(shè)計(jì)人員可以使用GC模擬出各類幾何結(jié)構(gòu)、每項(xiàng)操作都會(huì)被記錄并持久化，GC生成的文件可以在Bentley的各軟件中使用；

（3）當(dāng)前階段，Bentley公司僅發(fā)布了MS（Microstation）和 ABD（AECOsim Building Designer）的CE版軟件，各CE版軟件自帶參數(shù)化建模工具，但其參數(shù)化元件只能在CE版本使用，不能向下兼容。

三維電氣設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件為Substation和BRCM，因PCS和MS及ABD的CE版參數(shù)化功能無法在電氣專業(yè)軟件中使用，故無法實(shí)現(xiàn)三維電氣元器件的參數(shù)化建模。GC參數(shù)化建模工具復(fù)雜的操作且?guī)钍降木幊坦δ苁沟脤?duì)電氣元器件進(jìn)行參數(shù)化增加了很大工作量，不是一種理想的參數(shù)化建模工具。

Substation中國工具包中的參數(shù)化建模模塊，界面如圖3所示。其中包含斷路器、隔離開關(guān)、CT、PT、避雷器等戶外開關(guān)站設(shè)備，且通過調(diào)整電壓等級(jí)即可自動(dòng)修改元器件模型，快速形成相應(yīng)電壓等級(jí)的元器件模型；同時(shí)，如果項(xiàng)目所處環(huán)境為特殊環(huán)境，對(duì)結(jié)構(gòu)有特殊要求，設(shè)計(jì)人員也可手動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，生成手動(dòng)調(diào)整的元器件模型，以滿足設(shè)計(jì)需要，并且可以生成相應(yīng)的配置文件，供項(xiàng)目其他設(shè)計(jì)人員使用。

圖3 參數(shù)化建模模塊

電纜敷設(shè)與管理軟件BRCM中的橋架敷設(shè)工具可以實(shí)現(xiàn)橋架參數(shù)化建模。用戶可以設(shè)置橋架的類型、寬度、高度等參數(shù)，軟件可以自動(dòng)生成相應(yīng)橋架，同時(shí)還可以將參數(shù)帶入工程量清單，參數(shù)化橋架工具如圖4所示。

綜上所述，三維電氣元器件僅需對(duì)戶外開關(guān)站內(nèi)各元器件以及橋架設(shè)備進(jìn)行參數(shù)化建模。而針對(duì)這些元器件的參數(shù)化建模，通過Substation中國工具包中的參數(shù)化建模工具以及BRCM中的橋架敷設(shè)工具即可很好的實(shí)現(xiàn)。

圖4 參數(shù)化橋架工具

4 結(jié)論

文章對(duì)三維電氣元器件庫管理方式進(jìn)行了研究，運(yùn)用VBA語言開發(fā)了一款元器件庫管理工具；同時(shí)結(jié)合參數(shù)化建模的原理對(duì)水電電氣三維元器件庫進(jìn)行了建模分析，提煉出了元器件庫中適合進(jìn)行參數(shù)化建模的元器件；針對(duì)當(dāng)前水電領(lǐng)域的三維設(shè)計(jì)軟件——Bentley軟件，對(duì)其參數(shù)化建模工具進(jìn)行了探索分析，最后得出Substation中國工具包參數(shù)化建模模塊以及BRCM電纜橋架參數(shù)化工具可以適用水電電氣三維元器件參數(shù)化建模的需要。

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