基于Inventor的大型钢架桥三维建模方法

刘尚蔚，袁冬卯，仝 亮，魏 群

（1．华北水利水电学院，河南郑州 450045;2．黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）

随着我国经济的发展，大型钢架桥被广泛应用到公路行业中，桥梁的复杂性和难度越来越高，对设计、管理等方面的协作水平的要求也越来越高．传统的设计模型和制造模型互相脱离的情况对桥梁的建设，特别是大型钢架桥的建设和管理带来诸多问题，比如设计的修改就会要求设计模型与制造模型的多处修改．

目前大多数CAD软件具有参数化建模的功能，但是应用参数化网轴技术进行建模的研究较少，一般只能够创建网轴定位模型，但不能够驱动模型，并且缺少桥梁杆件的数据库，从而降低了钢架桥建模和修改的效率．

对于规模大、投资多、施工难度大的大型桥梁工程，在工程设计和管理过程中，利用网轴驱动桥梁的模型，对于确保桥梁的设计和制造至关重要．网轴线的全信息模型与传统的2D绘制图纸相比，其最大的优势是建立了真实的三维信息模型，覆盖了建筑生命周期内的所有信息，通过三维模型可直接提取各项信息，同时便于检查、交互修改，能够自动实现模型对象关联管理，模型数据最大程度共享，可极大提高桥梁的三维可视化仿真及管理水平．在此，笔者应用三维设计软件Inventor提供的API接口开发大型钢架桥的参数化平台，研究钢架桥的三维实体建模设计．

1 钢架桥参数化建模

三维模型对于设计者来说是从最直观的方面对工程进行把握，直接关系到工程设计的进度和优良程度．一般来说，参数化建模是将图形的基本信息记录到程序当中，在编程前首先分析图形结构的拓扑关系，提炼出图形的几何关系参数［1］，然后根据网轴建立参数化模型．对于桥梁模型的设计，笔者将这种参数化方法应用到Inventor中，将设计过程中所有关系式融入到开发模块中，再利用模块执行命令，达到参数化建模的效果．钢架桥参数化建模过程如图1所示．

图1 桥梁参数化建模设计流程

1．1 参数化网轴的建立方法

参数化网轴的程序设计包括计算和绘图两部分．编写程序过程中，主要设计计算模块和绘图模块．计算模块是根据空间网轴的约束关系对结构进行分析，将图形分解为直线和点，然后根据网轴的结构及相应的点线参数建立函数关系，从而计算出节点的空间坐标．绘图模块是根据所得出的空间坐标，利用基本图元点和线构造出基本图形，最终绘制出立体网轴．

在创建参数化网轴过程中，将图形分解为点和线两种基本图元．根据基本图元的参数关系来编写程序，将图元的控制参数直接输入，生成不同尺寸的网轴结构．例如：要绘制一个立体网轴，如图2所示，只需确定网轴的基点坐标O（a0，b0，z0），输入X，Y，Z方向的网轴数目i，j，k，轴线之间的尺寸ai和bj，轴线的高度zk，此时网轴的图形尺寸已经确定下来，根据尺寸关系绘制网轴．

图2 参数化网轴

网轴的参数化主要体现在轴线参数化和空间点的参数化两方面．

首先，在网轴方面，3个方向轴线位置的确定关系函数如下：

式中：参数ai，bj，zk分别表示3个方向相邻网轴之间的尺寸;参数Ai，Bj，Zk分别表示3个方向的第i，j，k条网轴线的位置．

其次，空间网轴中的任意点坐标都可以用N（Ai±xi＆Bj±yj＆Zk±hk）来表示，其中＆为分隔符，参数xi，yj，hk分别为A，B，Z方向的偏移量．用字符串表达相对于3轴线的位置，便于程序读写和查找坐标点的位置．

将确定好的轴线数目，结构尺寸和节点的坐标信息存储在程序中，运行程序时，自动生成网轴结构，修改控制参数ai，bj，zk，相应的轴线参数Ai，Bj，Zk根据函数关系相应地变化，网轴的变化带动空间点N的位置改变，从而达到网轴参数化的效果．

1．2 参数化截面的设计

对钢架桥的CAD图纸进行分类整理，根据截面的拓扑关系［2］统计出如图3所示的杆件截面形式及相应的尺寸参数，设计出截面库，在库中实现设计参数以及数据信息的映射［3］，将设计中基本的杆件截面类型分别定义．

图3 杆件截面形式

在杆件截面设计过程中，分别定义不同截面的角点序号，角点序号连接的线段生成需要的截面图形．截面图形都是由线段所围成，线段是有起点和终点的方向向量，一条线段的终点必为下一条线段的起点，依次使其围成单向的闭合回路．将数据绑定在角点上，生成参数化截面．

杆件截面在图形平台内反映的是各角点的空间坐标，通过截面的尺寸关系和截面角点的空间坐标关系来实现截面的参数化设计，设计人员根据截面的属性，通过定制的模块输入相应的设计参数完成截面设计．

1．3 定制截面图形数据库

三维设计软件Inventor的工作环境支持多种平台，利用 VB．NET 语言对其进行二次开发［4］，将设计好的截面形式汇编成杆件数据库．操作步骤如下：首先，开发一个窗体模块［5］，将杆件的基本尺寸信息、截面形式、名称等显示在模块中，与杆件的截面形式和软件的三维操作命令相关联;然后，利用窗体上的命令输入相关尺寸，生成所需要的桥梁杆件，节省建模时间．

1．4 三维实体建模过程

三维实体模型的设计原则是，能够利用网轴中任意起点坐标Q（Ai±xi＆Bj±yj＆Zk±hk）和终点坐标Z（Ai－x±x＆Bj－x±y＆Zk－x±h）并利用图形数据库中的截面绘制三维模型，模型的参数包括截面的基本尺寸H，B，t和杆件的长度L以及杆件的旋转角度 θ，如图4所示．其中，由此函数关系可知杆件模型的起始位置和杆件长度均与网轴相关联，网轴的任何变动将直接改变相关杆件的位置变化，从而达到网轴驱动模型的的效果．

图4 模型截面参数及国际通用标定点位置

三维模型是特征的集合，设计模型的过程就是设计特征操作的过程，常用的基本特征有拉伸、旋转、扫掠、放样．拉伸通过草图截面添加深度的方式创建，底截面和顶截面完全相同，截面拉伸过程如图5所示．通过定义好的起始截面、结束截面和拉伸路径P实现构件的建立，选择截面起始点和终止点即确定拉伸路径的两端点，如图5（a）所示;各段起始截面有序相关点与结束端截面的对应点用直线段连接，形成该构件的骨骼网架，如图5（b）所示;利用构件的骨骼网架生成实体模型，如图5（c）所示．

设计钢架桥的杆件模型时用的就是拉伸命令，都以截面的起始点和路径为出发点．首先创建一个三维草图空间，绘制一条三维空间线段，两个端点为工作点;然后通过工作点且垂直于线段建参数化截面，截面的中心点通过三维线段，如图4中心点5为模型拉伸路径经过截面的工作点，根据实际情况，不同的杆件截面工作点的位置不同，转角均以工作点为中心而转动;最后通过特征命令实现参数化模型的创建．

图5 截面拉伸过程

2 工程实例

某大型钢架桥位于杭瑞高速公路毕节至都格（黔滇界）段，其桥梁的主体为桁架结构，分为主跨和边跨，它们都由主桁架、标准段主横桁架、下平联、桥面板等构成．桥梁结构在空间上是一个立体网架结构，适合用参数化网轴技术进行建模设计．

取桥梁的某段进行说明，此段桥梁所需的网架分为上、下两层，上层用于定位上弦杆，支撑桥面板，下层定位下弦杆，每段桥梁的各杆件以轴线作为装配基准，建立的参数化网轴如图6所示．

图6 参数化网轴

网轴创建后，便可以建立桥梁的三维参数化模型．从截面图形库中选取相应的截面，输入截面参数，在网轴中输入杆件的起始位置以及旋转角度，根据路径可迅速生成杆件．依照此方法，生成一段完整的桥梁，如图7所示．若要对桥梁设计进行修改，只需调整网轴和杆件截面的参数即可生成新的模型．

图7 桥梁模型

3 结语

1）创建参数化网轴是建立桥梁参数化模型的基础，是整体驱动模型的关键．通过对大型钢架桥的研究，进一步验证了网轴驱动模型的可行性和智能性．与传统参数化建模相比有如下优点：①可以方便描述、保存和管理桥梁设计过程所涉及的数据信息;②具有很强的建模能力，如局部自动化、局部修改、局部参数设计等;③提供了一种动态图形交互的实现过程，通过整体的参数化可以模拟桥梁详细设计的反复修正和不断逼近的动态过程特征．

2）参数化网轴技术是解决桥梁模型设计的一种新范型，其基于Inventor二次开发的参数化网轴技术和建立的截面图形数据库，简化了工程设计工作，提高了设计效率和质量，缩短了设计周期，模型的参数控制和修改也比较简单．

3）参数化数据模型在计算机应用技术中占有非常重要的地位，很多工程问题把建立工程数据模型作为其核心技术之一．钢架桥模型的工程数据涉及丰富的几何拓扑信息，参数化数据模型简化了面向对象的工程数据库管理系统的开发．

［1］杜晶．浅谈基于AutoCAD的大跨度空间结构的参数化建模［J］．铁道勘测与设计，2008，36（1）：62－65 ．

［2］尹伟波，魏群，姬广坤．基于 BRep的自动装配技术在Inventor上的实现［J］．华北水利水电学院学报，2010，31（6）：23－26．

［3］魏群，张国新．岩土工程图形计算力学的概念方法及应用［J］．岩土工程学报，2008，27（10）：2043 －2050．

［4］魏群，姬广坤，尹伟波．基于深层分析方法的Inventor二次开发［J］．华北水利水电学院学报，2010，31（5）：1－5．

［5］魏群，张国新，尉军耀，等．拱坝三维可视化设计软件的开发与应用［J］．天津大学学报，2008，41（9）：1087－1090．