CAD三维技术在宁朗水电站中的应用

侯彦君，翟翔超

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概述

随着科技的不断创新与发展，往日常用的手工绘图的时代离我们已渐行渐远，取而代之的是计算机绘图，使用的工具变成了各种各样的绘图软件。其中，应用最为广泛的当属Auto CAD绘图软件。它除具有强大的二维绘图功能外，还具备了三维造型能力，Auto CAD自2000版以来，在三维绘图功能方面增强了很多，用户不但可以对三维实体进行编辑，还能以动态、旋转等方式观察三维模型。在后期处理中，还可通过与其它相关软件(3DMAX或Photoshop等)的转换，完成实物的效果图和动画制作。在此，笔者介绍了Auto CAD 2009三维制图技术在宁朗水电站建设中的应用。

2 实例

近年来，我国CAD三维技术的开发和应用取得了长足的发展，其绘图方法在结构设计、配件模型、电子航空和轻工化工等诸多领域中得到了更加广泛的应用与提高。在以下实例中，分别列举了Auto CAD 2009版三维模型在宁朗水电站发电厂房工程中的应用，包括副厂房基础、尾水渠挡墙、主厂房尾水管及整个发电厂房结构混凝土三维模型的建立。

2.1 尾水渠挡墙三维模型

宁朗水电站尾水渠挡墙底宽由9.3 m渐变至4.73 m，高度由 21.67 m 渐变至 10.23 m，反坡段还包括圆心角 a=31.8°，半径 R=26.92 m，坡度为1∶2的圆弧段。如按常规的计算方式，在施工放样、计量过程中，需逐个计算断面面积;另外，当圆弧段作为计算间距时，重心的取舍也难确定，整个计算过程相对复杂。因此，选择绘制尾水渠三维模型图能够很好的解决以上问题。绘图步骤为:主视图中多段线画出挡墙起始端和末端的闭合断面a和b;俯视图中，输螺旋(Helix)命令，按照提示分别将“半径”、“圈数”设 置 为26.92和0.0883，通过计算，在其特性栏中指定“高度”即得到一段螺旋线c;调整UCS视图窗口，利用移动命令，将a、b、c三者相对位置摆放正确;输入放样(loft)命令，依次选择a和b两个横截面，然后输入G(导向)，拾取螺旋线段c作为放样路径，按回车键即可(图1)。

图1 尾水渠挡墙三维模型绘制过程示意图

利用Auto CAD三维绘图功能制作尾水渠挡墙操作简单，易学易懂。我们还可以通过“剖切”(slice)命令查看任意桩号上的断面形式，也可通过“质量特性”(massprop)命令查询所画实体的质心、惯性矩、体积等特性，此方法不但简化了计算过程，数据的准确性也得到了保证，而且在三维实体模型中，可藉助其完整的造型结构，精确的尺寸和几何约束，提取详细的参数，针对不同的工作环境和技术要求进行应力、强度等一系列的有限元分析和计算。

2.2 主厂房尾水管三维模型

在宁朗水电站工程建设中，有很多体型较大的结构部件和(金属)预埋件，而且有些埋件由于其自身结构特点，需要分层分块组合安装，有些需要立模扎筋后浇筑成型。例如主厂房尾水管、蜗壳以及压力钢管支、岔管等。以上部件的结构形式多为不规则体，渐变突变，大小不一。在计算混凝土时，其体积的大小依据不同的计算断面、间距或计算方式会有相当的数值差异，这无疑也将成为施工、监理和业主各方矛盾的焦点。为平衡关系，使各方都易于接受和认同而决定采用三维模型计算。

宁朗水电站主厂房尾水管三维模型的制作步骤:主视图中，按设计图纸提供的参数，将18个断面分别画出;左视图中，结合θ角度的不同，将每个断面调整至相对位置;使用放样(Loft)命令，依次选择18个断面后按回车键(此操作过程中，放样设置一般为默认即可);键入质量特性(massprop)命令，可提取尾水管体积，在计算外包混凝土时将其减去即得所求方量。同理，利用查询面积(area)命令，可提取实体表面积，施工过程中对周转性材料的预算、投入也提供了有效保障(图2)。

图2 主厂房尾水管三维模型绘制过程示意图

2.3 进度计划三维模型

图3 施工进度计划中三维模型图的应用

目前，进度计划最常用的方法是横道图法和网络图法，它们在表达各工序间相互关系、关键工序的确定以及先后次序和工艺流程方面具有简明、形象、易懂的优点，但在反映具体工程形象面貌时，总是显得不尽如人意。按以往惯例，我们首先需要弄明白进度计划的工期安排、主要工作内容等，然后，通过自己的理解来想象计划完成后的工程实体是个什么模样。倘若在比较复杂的工程建设当中，仅凭一己之力想要记住所有分部、分项工程的完成情况和计划安排，着实有些吃力。

采用绘制三维模型图并辅以简要文字说明可以解决以上问题(图3)。相比之下，三维模型图在反映工程进度和形象面貌时更加生动形象，在表达思想、传递信息时内容更加直观且一目了然，既使是非本专业人员，也只需稍微加以了解，便可掌握工程建设的基本情况。

2.4 发电厂房结构混凝土3D模型

水电工程建设中，发电厂房结构形式多变，预留空洞、机电安装埋件较多，结构也最为复杂多变。通过创建3D实体及表面模型(图4)，我们能够直接提取准确的计量数据，简化计算过程，提高工作效率，还能创建多个窗口，切换不同视角或采用动态观察器，核实各结构部件(零件)间的相互关系是否正确，保证施工过程中各埋件、预留洞口结构尺寸的准确性。

图4 发电厂房结构混凝土三维模型图

我们也可采用渲染(render)命令，给实体模型穿上一件光鲜的“外衣”，让其更加丰富多彩。渲染图极具真实感，能清晰地反映模型的结构形状。渲染模型的一般过程是添加光源、设定光源特性、指定模型附着材质和渲染背景、最后设置渲染器并渲染模型。模型经过渲染处理后，其表面能显示出明暗色彩和光照效果，形成非常逼真的图像。此外，还可把渲染图以多种文件格式输出保存，后期利用其它应用软件(如3DMAX或PHOTOSHOP等)做出更加完美的效果图。

3 结语

从以上实例我们不难发现，将CAD三维技术与工程建设有机结合，具有其独特的作用和意义。具体归纳为以下几点:更加直观、形象的表达思想、传递信息，更好的进行施工分析并指导施工生产;能提供精确的计量数据和详细参数，从而大大简化了计算过程;方便检查各结构部件(零件)之间的相互关系，减少了产品设计、加工和生产过程中的错误;降低了技术难度，减轻了劳动强度，从而提高了工作效率。

总的来说，CAD三维应用软件多种多样，也各有千秋，不管我们选择其中的哪一款，CAD三维技术的深化应用和普及都将是企业现代化技术的发展要求。