基于Inventor的灌區(qū)典型建筑物建模方法研究

陳 晨，李國寧，王 靜，王雪巖

(內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

灌區(qū)典型建筑物指為了安全輸水、合理配水、精確量水，以達到灌溉、排水及其他用水目的而在灌區(qū)渠道上修建的水工建筑物。灌區(qū)典型建筑物按功能主要分為四類：控制、調(diào)節(jié)和配水建筑物，如泵站、節(jié)制閘、進水閘等；交叉建筑物，如倒虹吸、農(nóng)橋、渡槽等；落差建筑物，如陡坡、跌水等；量水建筑物，如測流橋、量水堰等。

灌區(qū)典型建筑物的特點是總體數(shù)量多、單體規(guī)模小、類型基本固定、結(jié)構(gòu)相對簡單。傳統(tǒng)二維CAD平面設(shè)計會產(chǎn)生不必要的重復工作，工作量大、工程量計算不精確；同時，灌區(qū)建筑物的發(fā)展方向為定型化、標準化、裝配化及機械化施工，這就為灌區(qū)典型建筑物三維參數(shù)化多實體建模提供了有利條件。同時在灌區(qū)建筑物出圖方面，由于數(shù)量龐大，水工結(jié)構(gòu)圖和配筋圖的繪制工作量非常大，項目工期緊張的時候，更容易導致圖紙出現(xiàn)錯誤。

1 灌區(qū)典型建筑物BIM設(shè)計

1.1 建筑物模型

為提高設(shè)計質(zhì)量和效率，實現(xiàn)模型的快速建立及調(diào)整修改，需建立各類建筑物參數(shù)化模型庫；參數(shù)化模型庫應根據(jù)不同結(jié)構(gòu)分類建立，具體參數(shù)化模型應包含尺寸、定位、材質(zhì)、物理特性等信息。對于復雜體型的建筑物，如扭面、漸變段等，需建立相應的建模工具或方法；對于常用的、構(gòu)成相對簡單的單體建筑物，如進口段、閘室段、連接段、出口段等，可建立相應的建模系統(tǒng)，將各組成部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)、相互間關(guān)聯(lián)關(guān)系進行整合。

1.2 開挖模型

結(jié)合灌區(qū)典型建筑物結(jié)構(gòu)尺寸，通過引用工程地形、地質(zhì)三維模型、建筑物三維模型，進行三維開挖設(shè)計。開挖設(shè)計過程中，建立參數(shù)化開挖工具，方便開挖設(shè)計及調(diào)整修改，提高開挖模型的建模效率。開挖模型應與三維地質(zhì)模型、建筑物三維模型進行關(guān)聯(lián)，方便在地質(zhì)數(shù)據(jù)更新完善、建筑物設(shè)計調(diào)整時的自動適配調(diào)整。

1.3 數(shù)據(jù)接口

建立各專業(yè)建模軟件間的數(shù)據(jù)接口，打通建筑建模到結(jié)構(gòu)計算軟件的數(shù)據(jù)通道，將三維模型方便用于穩(wěn)定分析、水力分析等多項分析計算，以便在設(shè)計過程中實現(xiàn)邊設(shè)計、邊優(yōu)化調(diào)整，并與三維配筋工具無縫銜接。

1.4 三維配筋

基于水工建筑物結(jié)構(gòu)模型進行三維配筋，自動統(tǒng)計鋼筋型式和工程量，并向業(yè)主提供最終施工圖。三維配筋軟件通用性強，可導入任何格式的三維模型，配筋符合水利水電行業(yè)習慣，功能滿足設(shè)計規(guī)范要求，在CAD下一鍵自動生成各鋼筋視圖及標注、鋼筋表、材料表等。

1.5 閘門模型

通過引用水工建筑物的建筑、結(jié)構(gòu)三維模型，結(jié)合孔口情況、上下游水位條件，進行閘門建模。閘門的零部件有很多，為提高設(shè)計質(zhì)量和效率，需建立各類零部件的參數(shù)化模型庫，常用的零部件包括面板、梁系、主輪、滑塊、止水、吊耳、側(cè)輪、底坎、主軌、側(cè)軌等。參數(shù)化模型庫應按照平面閘門、弧形閘門等分類建立，并結(jié)合各類閘門的零部件組成進一步細分，具體參數(shù)化零部件包含尺寸、定位、材質(zhì)等信息。

1.6 總裝

模型總裝，需要將各專業(yè)的分散模型進行總體整合，并進行空間相對位置關(guān)系的調(diào)整。對總裝平臺的要求是，支持導入各專業(yè)的模型，并能進行位置關(guān)系的自由調(diào)整，對于經(jīng)常需要修改調(diào)整的模型還應支持模型聯(lián)動。

1.7 圖紙輸出

建立適合水利水電工程設(shè)計規(guī)范的統(tǒng)一制圖模板，基于各類專業(yè)三維模型生成各類工程圖紙，包括平面圖、剖面圖、立面圖及局部詳圖等，內(nèi)容包括圖框及標題欄、各類標注(包括字型、字號、線型、線寬、符號形式、填充方式、顏色等)、各類數(shù)據(jù)表格、圖幅及比例尺適配等。生成的工程圖紙需與相應的建筑物模型關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)設(shè)計調(diào)整修改時，工程圖紙的自動更新。

1.8 多專業(yè)協(xié)同

建立能高效集成多專業(yè)數(shù)據(jù)的協(xié)同設(shè)計平臺，實現(xiàn)各專業(yè)模型的相互引用、各專業(yè)模型的總裝整合、碰撞檢查與三維校審等。其中，校審工作應基于三維設(shè)計成果可視化校審平臺，平臺需滿足校審流程、基于三維設(shè)計成果可視化校審留痕，實現(xiàn)三維校審成果以及與之關(guān)聯(lián)的二維設(shè)計成果歸檔管理，并滿足檔案檢索、統(tǒng)計、成果提取等功能。

2 基于Inventor的灌區(qū)典型建筑物建模

2.1 自底向上正向設(shè)計思路

根據(jù)前期方案布置、水利學計算、結(jié)構(gòu)計算等環(huán)節(jié)，初步確定水工結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，以特定的格式存放于Excel參數(shù)表或者直接輸入Inventor用戶參數(shù)中。在Inventor鏈接Excel參數(shù)表，進行水工結(jié)構(gòu)三維體型設(shè)計，建立參數(shù)化三維模型。采用自底向上的建模思想，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠及放樣的操作分別完成各段水工結(jié)構(gòu)的多實體參數(shù)化建模，通過“生成零部件”命令將實體升級為零件，自動生成各部分結(jié)構(gòu)零件，為后續(xù)提工程量和三維配筋做準備。最后通過Inventor的裝配功能，依據(jù)總體布局控制信息，進行整體模型的整合，形成水工結(jié)構(gòu)完整三維模型，對三維模型執(zhí)行投影、剖切等操作獲得二維工程圖，各零件通過導入三維配筋軟件VIsualF，對水工結(jié)構(gòu)進行配筋設(shè)計，自動統(tǒng)計鋼筋樣式和工程量，通過投影、剖切獲得最終的施工圖。

基本工作流為基礎(chǔ)資料→標準庫→實例模型→裝配單元→數(shù)據(jù)整合→數(shù)據(jù)交付。具體技術(shù)路線如圖1所示，建模實例以節(jié)制閘為例如圖2所示。

圖1 灌區(qū)典型建筑物BIM自底向上正向設(shè)計技術(shù)流程

圖2 干渠節(jié)制閘BIM自底向上正向設(shè)計模型實例

2.2 自頂向下多層次循環(huán)設(shè)計思路

根據(jù)前期方案布置、水利學計算、結(jié)構(gòu)計算等環(huán)節(jié)，初擬水工結(jié)構(gòu)布局輪廓尺寸參數(shù)，分方案存放于Excel參數(shù)表，在Inventor中模型尺寸鏈接Excel參數(shù)表，進行水工結(jié)構(gòu)三維實體設(shè)計，建立參數(shù)化三維模型。采用自頂向下的建模思想，首先通過整體布局及建筑物的主要參數(shù)完成三維布局文件，然后通過“生成零部件”命令將零件升級為部件，并根據(jù)后期配筋需要生成多個零件，針對生成的零件再進行細部設(shè)計，完善零件細部信息，進而自動完善部件(建筑物裝配)的細部結(jié)構(gòu)設(shè)計。最后對完善后的完整部件，執(zhí)行投影、剖切命令獲得二維工程圖，對完善后的各零件通過導入三維配筋軟件VIsualF進行配筋設(shè)計，自動統(tǒng)計鋼筋樣式和工程量，通過投影、剖切命令獲得最終的施工圖。具體技術(shù)路線如圖3所示，具體建模以翻板閘為例如圖4所示。

圖3 灌區(qū)典型建筑物BIM自頂向下多層次循環(huán)設(shè)計技術(shù)流程

圖4 翻板閘BIM自頂向下多層次循環(huán)設(shè)計模型實例

3 結(jié)語

(1)建模初學者往往習慣于采用傳統(tǒng)的自底向上建模方法，先精確設(shè)計每一個零件，再根據(jù)需要逐層向上組裝成子部件，最后形成總裝配。這種方法的優(yōu)點是具有非常簡單方便的工作流程，容易被設(shè)計者接受和掌握；缺點是自底向上建立模型的過程，單體參數(shù)文件體量大、參數(shù)多且混亂，后期修改參數(shù)較復雜且易出錯。適用于設(shè)計前期結(jié)構(gòu)不明確、體量小、分段少的建筑物，如一字板結(jié)構(gòu)的進水閘、節(jié)制閘、涵洞等。

(2)自頂向下多層次循環(huán)設(shè)計思路的優(yōu)點是跳過了零件到部件裝配過程，規(guī)避了裝配過程易出錯的問題；前期布局文件參數(shù)較少，可以通過修改參數(shù)驗證模型，再進行下一步建模；細部設(shè)計和布局設(shè)計分開，較大程度減少單個參數(shù)文件體量；分層次循環(huán)設(shè)計，使布局設(shè)計和細部設(shè)計一目了然。缺點是單個建筑物零件數(shù)量多，文件存儲較混亂。此思路適用于較復雜的灌區(qū)典型建筑物三維建模。

(3)自頂向下多層次循環(huán)多實體建模是一種科學先進的建模方法，是Inventor軟件應用于水工建筑物設(shè)計的創(chuàng)新突破。這種建模思路使設(shè)計者能夠?qū)λそY(jié)構(gòu)進行頂層設(shè)計和全局把控，從而更方便高效的對整個設(shè)計流程進行管理，可以顯著提高設(shè)計效率。