于 堯

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

水利工程金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)計(jì)工作不同于常見的設(shè)備專業(yè)如給排水、暖通空調(diào)、電氣等，其專業(yè)設(shè)計(jì)包含了和其他設(shè)備專業(yè)相似的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備選型設(shè)計(jì)部分(即選擇滿足功能要求的設(shè)備等)，還包括了非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)(如閘門、攔污柵等)，涵蓋了鋼結(jié)構(gòu)和機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)，接近并略低于傳統(tǒng)意義上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其施工階段的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)深度要滿足設(shè)備制造的要求。水工金屬結(jié)構(gòu)和土建專業(yè)三維設(shè)計(jì)工作的最大區(qū)別是其模型構(gòu)建需要裝配操作(不同于土建專業(yè)的“組裝”-簡單堆疊)。在專業(yè)內(nèi)，模型的構(gòu)建要考慮其在工程不同階段的傳遞，模型設(shè)計(jì)的最終深度要滿足制造的要求，而不是僅創(chuàng)建用于展示、投標(biāo)等的示意模型。當(dāng)專業(yè)模型整合到BIM中時(shí)，根據(jù)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的要求，同時(shí)考慮到軟件的承載力和應(yīng)用場景等，在無特殊要求的情況下，一般輸出的是簡化模型，用于土建結(jié)構(gòu)配合展示、設(shè)備吊裝凈空檢查、管路布置優(yōu)化等。

1 金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)三維設(shè)計(jì)應(yīng)用

1.1 三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的常用非標(biāo)設(shè)備如閘門和攔污柵等的主要組成部分是由不同規(guī)格的型鋼、鋼管和非標(biāo)焊接件等組成的平面或空間桁架結(jié)構(gòu)，適合通過參數(shù)化骨架建立模型，如圖1所示。而相配套的傳動、支承、止水等組件一般隨主結(jié)構(gòu)變化較少，一般是按標(biāo)準(zhǔn)系列選擇再進(jìn)行微調(diào)，組件還含有不同數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)緊固件，適合建立為模塊化庫[3]。參數(shù)化模型建立的關(guān)鍵是要對整體結(jié)構(gòu)有清晰的理解和劃分，對建模過程和裝配關(guān)系的組成要有全局性的規(guī)劃，幾何約束的設(shè)置優(yōu)先級要高于尺寸約束，參數(shù)的設(shè)置要考慮關(guān)聯(lián)性和傳遞性。通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和測試，建立全參數(shù)關(guān)聯(lián)模型。借助產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理[4]、產(chǎn)品生命周期管理[5]軟件，專業(yè)間還可以實(shí)現(xiàn)共享、協(xié)同設(shè)計(jì)，專業(yè)成果數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)較好的繼承和展現(xiàn)。

金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)在部分多模塊軟件中還可以和應(yīng)力分析、結(jié)構(gòu)件分析、運(yùn)動仿真模塊同步進(jìn)行，參數(shù)的調(diào)整可以直接反饋為結(jié)果，省去了模型導(dǎo)出、處理、導(dǎo)入過程，節(jié)省了時(shí)間，一定程度上提高了效率。通過對軟件相應(yīng)模塊接口的二次開發(fā)，將應(yīng)力分析結(jié)果提取并和結(jié)構(gòu)件尺寸有機(jī)關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過組合相關(guān)土建結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，可以判斷部分設(shè)備(如閘門)的啟閉過程能否達(dá)到預(yù)期要求。通過輸出結(jié)構(gòu)件的網(wǎng)格幾何模型(STL文件)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型的3D打印，如圖2所示，模型可以用來單獨(dú)或配合土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示，或用于專業(yè)內(nèi)的樣機(jī)分析。

圖2 3D打印生成的某平面直升門門葉(3D打印是快速成型-疊層/增材制造技術(shù)的統(tǒng)稱)

1.2 部件裝配模擬和埋件展示

在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)計(jì)中，部分部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過二維圖紙難以表達(dá)其全部內(nèi)容，這個(gè)時(shí)候就可以通過爆炸視圖工具來展現(xiàn)分解到零件級別的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在金屬結(jié)構(gòu)常見閘門設(shè)計(jì)中，門槽的埋件圖紙的表達(dá)往往通過不同平面上的橫剖圖來表示，結(jié)構(gòu)關(guān)系不直觀，且工程量統(tǒng)計(jì)易出錯(cuò)，通過構(gòu)建預(yù)埋件的三維參數(shù)化數(shù)字模型，能很好的解決埋件設(shè)計(jì)中的相關(guān)問題，同時(shí)包含埋件的二期混凝土模型還可以轉(zhuǎn)移給土建專業(yè)用于一期混凝土配筋。如圖4所示。

圖3 懸臂式滾輪爆炸視圖

圖4 閘門門槽預(yù)埋件透視

1.3 工程量統(tǒng)計(jì)

金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)備的工程量統(tǒng)計(jì)主要分為專業(yè)內(nèi)和專業(yè)間傳遞，對專業(yè)內(nèi)部又按工程階段有所區(qū)分，在早期階段主要是非標(biāo)設(shè)備的定位尺寸、預(yù)估重量以及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(啟閉機(jī)、清污機(jī)等)的關(guān)鍵參數(shù)，在施工圖階段非標(biāo)設(shè)備要給出詳細(xì)的材料(零件)組合明細(xì)表用于招標(biāo)采購和制造，如圖5所示。對于專業(yè)間傳遞，主要是將金屬結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)以及非標(biāo)設(shè)備的主要型式、尺寸和重量移交給造價(jià)專業(yè)。通過構(gòu)建非標(biāo)設(shè)備在不同階段的三維實(shí)體模型(按實(shí)際情況可以繼承階段模型再設(shè)計(jì)也可以單獨(dú)參數(shù)化階段模型)，可以精確統(tǒng)計(jì)非標(biāo)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的重量(還可以計(jì)算整體密度如浮箱閘門，計(jì)算并顯示設(shè)備重心位置等)，在專業(yè)內(nèi)部通過軟件內(nèi)部的物料清單功能(根據(jù)需要定制)可以直接生成材料表，并同步在工程圖紙上，通過計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)生成的清單數(shù)量準(zhǔn)確，出現(xiàn)常見的漏項(xiàng)、漏數(shù)錯(cuò)誤的概率低。

1.4 工程圖生成

金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的工程圖紙主要分為非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)圖紙和全部設(shè)備的布置圖(含設(shè)備主要參數(shù))，其中非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)圖紙一般可以通過三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件直接投影生成，根據(jù)需要添加剖視圖、局部放大視圖、重疊視圖、尺寸、公差配合、表面處理要求、焊接要求等信息，模型的更改和圖紙上相對應(yīng)的信息是同步的，所以修改模型后不需要花費(fèi)大量的時(shí)間用來修正相關(guān)圖紙。對于已實(shí)現(xiàn)全參數(shù)關(guān)聯(lián)-界面化/表單化的模型，圖紙?zhí)幚淼倪^程更為輕松。設(shè)備布置圖需要參考土建結(jié)構(gòu)的有關(guān)圖紙復(fù)合生成，可以選擇從土建三維模型切分導(dǎo)入或在本軟件中參數(shù)構(gòu)建相關(guān)土建模型加工生成，亦或是綜合本專業(yè)已生成的和土建專業(yè)傳遞來的二維圖紙。如圖6所示。

需要注意的是，通過投影生成的圖紙和傳統(tǒng)的二維CAD圖紙?jiān)谀承┍磉_(dá)上可能會有所區(qū)別，比如原二維圖紙的部分表達(dá)可能以示意為主，并非真實(shí)投影；還存在為了節(jié)約圖紙幅面，部分零件沒有單獨(dú)的圖紙，只在裝配圖上有部分尺寸標(biāo)注的情況；部分三維設(shè)計(jì)軟件的工程圖模塊只使用操作系統(tǒng)內(nèi)置的TTF字體而非AutoCAD中常用的SHX字體，導(dǎo)致不同專業(yè)的圖紙字體不能統(tǒng)一。在完成二維向三維的過渡期間，需要根據(jù)相關(guān)制圖規(guī)范對軟件進(jìn)行定制，同時(shí)相關(guān)的公司規(guī)定和專業(yè)習(xí)慣也要修訂和統(tǒng)一。

圖6 某節(jié)制閘門門葉結(jié)構(gòu)圖

1.5 設(shè)備布置

金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)備布置在項(xiàng)目的前期階段，可以使用簡化模型配合土建結(jié)構(gòu)用于展示。在施工圖階段，可以融合設(shè)備和土建模型，并借助土木工程三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行啟閉機(jī)-液壓管路布置等精細(xì)化設(shè)計(jì)工作，有助于優(yōu)化相關(guān)土建結(jié)構(gòu)和管路布置。如圖7所示。

1.6 設(shè)備編碼和管理

在工程項(xiàng)目的施工和運(yùn)維階段，可以參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和需求，制定設(shè)備的編碼清單，通過軟件賦予設(shè)備編碼，再導(dǎo)入相關(guān)管理平臺，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、資產(chǎn)和信息管理等功能。如圖8所示。

1) 經(jīng)濟(jì)水平不同的城市的投資能力存在差異，因此，在多港口地區(qū)當(dāng)港口城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力相差懸殊時(shí)，會出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)水平更高的城市港口規(guī)模持續(xù)增加，其他城市的港口維持基本規(guī)模的狀況。但要注意克服大港口壟斷帶來的負(fù)面效果，目前這種現(xiàn)象在我國較少見，因?yàn)槲覈粎^(qū)域內(nèi)港口城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力的差距在變小。當(dāng)港口城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力相差無幾時(shí)，港口城市都將積極投資擴(kuò)大港口。目前，我國的各多港口地區(qū)基本處于這種狀況。此時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)監(jiān)管或總量控制，避免供給過剩，浪費(fèi)資金、岸線和土地資源，最好的做法是把投資港口的決策權(quán)交由港口企業(yè)。

圖7 結(jié)合土建結(jié)構(gòu)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)備三維布置圖

圖8 某泵閘工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備編碼

2 幾何建模內(nèi)核和模型交換

上文中描述的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備和土建結(jié)構(gòu)模型融合應(yīng)用，不可避免的涉及到不同三維設(shè)計(jì)軟件間的數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)據(jù)傳遞的方向包括提供方內(nèi)部上下游應(yīng)用間(可以為同專業(yè)不同應(yīng)用場合或不同專業(yè)不同應(yīng)用場合)，以及項(xiàng)目參與各方間。數(shù)據(jù)在傳遞的同時(shí)就可能帶來不同程度的丟失，丟失是否會影響傳遞方使用，關(guān)鍵在于丟失的內(nèi)容、丟失率以及應(yīng)用對數(shù)據(jù)丟失內(nèi)容的接受度。一般來說，通過文件格式的傳遞包含了幾何和非幾何信息，在現(xiàn)有技術(shù)條件的約束下(軟件接口、文件格式和規(guī)范性)，從設(shè)備專業(yè)的三維設(shè)計(jì)向土木工程三維設(shè)計(jì)主要傳遞的是幾何信息(可以為簡化的)，非幾何信息的傳遞目前意義不是很大，對于在管理平臺中的設(shè)備模型，其非幾何信息(技術(shù)，維護(hù)參數(shù)等)可以通過后期添加。

一般來說，在三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳遞的過程中首先要保證的是幾何信息的有效轉(zhuǎn)換，在此基礎(chǔ)上再擴(kuò)展到其他數(shù)據(jù)信息。在實(shí)際操作中，模型在傳遞過程中會存在幾何信息不同程度的丟失。比如在軟件A顯示為完整圓形的面，在B軟件中顯示為由多個(gè)等邊小三角組成邊緣的圓面；在軟件A中顯示正常的曲面，在B軟件中破了一個(gè)洞。丟失的主要原因是不同軟件使用的內(nèi)核對點(diǎn)線面描述不同，實(shí)體模型構(gòu)建的順序和經(jīng)過布爾運(yùn)算不同(和GPU的硬件規(guī)格和計(jì)算精度以及所使用的驅(qū)動也有一定關(guān)聯(lián))。從三維設(shè)計(jì)軟件的操作到顯示器上的模型展現(xiàn)，在幾何層面上經(jīng)歷了圖形庫和幾何建模內(nèi)核的調(diào)用。

表1 不同CAD/CAE軟件使用的幾何建模內(nèi)核和圖形函數(shù)庫對比圖(實(shí)際使用中行業(yè)不限于機(jī)械和土木工程)

2.1 圖形庫的概念

圖形函數(shù)庫(GL-Graphics Library)是一個(gè)設(shè)計(jì)用來幫助完成從計(jì)算機(jī)圖形到顯示器過程的庫，通常包括處理常見渲染任務(wù)的函數(shù)。它可以只調(diào)用中央處理器，在軟件中計(jì)算完成，常見于嵌入式系統(tǒng)；或者由圖形處理單元硬件加速，在個(gè)人計(jì)算機(jī)中較常見。通過采用這些函數(shù)，程序可以合成要輸出到顯示器的圖像。這種方式減少了程序開發(fā)人員創(chuàng)建和優(yōu)化輸出圖像的工作，使其專注于構(gòu)建圖形程序本身。常見的圖形庫有OpenGL、DirectX、Vulkan等，應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、手機(jī)等平臺中，有些圖形庫還有2D和3D版本之分，如Direct2D和Direct3D。在常用CAD/CAE軟件中使用的是OpenGL和Direct3D。公開圖形函數(shù)庫是用于渲染2D、3D矢量圖形的跨語言、跨平臺的應(yīng)用程序編程接口[6]，可以完全用軟件實(shí)現(xiàn)(完全由CPU運(yùn)算)，但通常用于與圖形處理單元(GPU)交互，以實(shí)現(xiàn)硬件加速渲染。Direct 3D是在Windows操作系統(tǒng)上基于C++開發(fā)的3D繪圖編程接口，是DirectX的一個(gè)組件。

2.2 幾何建模內(nèi)核的概念

幾何建模內(nèi)核(GMK)是三維設(shè)計(jì)軟件中程序組件，用于定義和存儲三維實(shí)體對象的核心數(shù)學(xué)函數(shù)庫[7]。不同軟件產(chǎn)品使用的GMK不同，實(shí)體模型構(gòu)建的步驟也不同，可建模的范圍和精度也有差異，這是不同三維CAD軟件在圖形層面轉(zhuǎn)換時(shí)存在丟失的根本原因。常見商業(yè)GMK有Parasolid、ACIS(Alan， Charles， Ian’s System)、C3D、ShapeManager等，常用的機(jī)械工程和土木工程CAD軟件所使用的幾何建模內(nèi)核以及圖形函數(shù)庫見表1。

用戶通過輸入界面進(jìn)行操作，軟件使用幾何建模內(nèi)核完成建模后，再通過調(diào)用圖形函數(shù)庫完成最終的桌面端顯示功能。幾何建模內(nèi)核決定了軟件建模的效率和能力，而軟件使用的圖形函數(shù)庫影響了最終圖形的顯示效果(是否支持調(diào)用GPU加速，即軟件使用的圖形函數(shù)庫和GPU支持的是否匹配)，如果計(jì)算機(jī)中的GPU不支持OpenGL或者支持的版本低，而三維CAD軟件只使用了OpenGL，那么就可能會切換為純CPU運(yùn)算模式，在一定程度上會降低用戶端使用的流暢感和顯示效果。

2.3 文件格式和模型交換

工程人員通過CAD軟件完成建模后，通常會直接根據(jù)文件類別保存為軟件設(shè)置好的原生格式。一般來說該原生格式的內(nèi)部功能劃分、編碼方式取決于軟件公司，但文件內(nèi)對用戶有價(jià)值的主要是幾何和部分非幾何信息。當(dāng)用戶需要在不同軟件或者軟件版本間傳遞文件數(shù)據(jù)時(shí)，為避免數(shù)據(jù)冗余，傳遞前應(yīng)根據(jù)需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和清理。

數(shù)據(jù)交互包含兩個(gè)層次：①數(shù)據(jù)提供方內(nèi)部。②數(shù)據(jù)提供方和外部接收方之間。數(shù)據(jù)交互應(yīng)基于一定的目的性(純幾何交互或復(fù)合交互)，參與方應(yīng)根據(jù)需求和實(shí)際情況，評估確定交互采用的方式。在實(shí)際操作中，主要有兩種方式：①原生格式轉(zhuǎn)換。這種方式最為理想，包括輸出對方軟件的原生格式或者對方直接接受本方的原生數(shù)據(jù)，由于各軟件的幾何建模內(nèi)核不同，大部分為私有或者授權(quán)使用，所以一般需要不同軟件廠商相互授權(quán)并特殊定制或者通過專業(yè)的服務(wù)提供商轉(zhuǎn)換。②中間格式轉(zhuǎn)換，即輸出由國際組織定制的標(biāo)準(zhǔn)格式如產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的STEP[8](產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范)，它是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的描述整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)(ISO 10303)； IFC(工業(yè)基礎(chǔ)類，以STEP為基礎(chǔ))，其中IFC-SPF的文件擴(kuò)展名為.ifc，是由ISO10303- 21[9]定義的文本格式，IFC-XML的文件擴(kuò)展名為.ifcXML，是由ISO10303- 28[10]定義的XML文件，適合XML工具。IFC是AEC-BIM領(lǐng)域里國際標(biāo)準(zhǔn)格式，用于描述整個(gè)建設(shè)工程全生命周期內(nèi)信息[11- 13]；或使用符合某種幾何建模內(nèi)核的純幾何交換格式，如符合Parasolid內(nèi)核建模規(guī)則的XT格式。

理論上，不同軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換不可避免地要產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。鑒于現(xiàn)階段各軟件輸出為中間格式或原生格式文件的能力有差異(還有文件版本的差異)，在實(shí)際應(yīng)用中也存在不同文件格式、版本導(dǎo)致轉(zhuǎn)換偏差等情況，應(yīng)在正式交互前對擬采用格式進(jìn)行測試，采取相應(yīng)措施確保數(shù)據(jù)滿足一致性、適用性的要求[14- 15]。

3 結(jié)語

長期以來，水工金屬結(jié)構(gòu)的專業(yè)設(shè)計(jì)有較大比例是以經(jīng)驗(yàn)圖紙為基礎(chǔ)，進(jìn)行更新和修改，設(shè)計(jì)水平的提高受到一定的限制。在機(jī)械制造行業(yè)廣泛推廣使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的年代，金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和分析工具的使用并不普遍，這和行業(yè)間的交流以及建設(shè)工程行業(yè)承包類型的選擇以及建設(shè)程序有關(guān)。

本文僅從專業(yè)角度，介紹通過三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析技術(shù)的應(yīng)用，提高水工金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的的設(shè)計(jì)水平，減少重復(fù)繪圖工作，實(shí)現(xiàn)計(jì)算分析和設(shè)計(jì)修改的無縫連接。如何建立健全技術(shù)和管理流程，有機(jī)結(jié)合產(chǎn)品信息模型和土建結(jié)構(gòu)信息模型，為機(jī)電設(shè)備在工程建設(shè)全生命周期內(nèi)的應(yīng)用發(fā)揮更大的效益，還有待深入研究和實(shí)踐。