港口工程三维CAD设计平台研究

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

港口工程三维CAD设计平台研究

赵宏坚，何家俊，杨锡鎏

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

由于现有主流的产品设计都已转向全三维设计模式为主，因而港口工程也逐步趋向全三维工程设计。文中提出实现港口工程全三维设计所需的三维CAD设计平台的设计思路，提出了港口工程三维CAD设计平台的构成与技术要点，同时还给出了实现该设计平台各个模块所需要的技术要点及实现这些技术点所需要的方法和思路。该设计平台以三维构件化设计为基础，并在此基础上实现构件装配、结构分析、构件配筋、工程出图和协同设计等诸多功能。

港口工程；三维设计；可视化设计；三维CAD

在港口工程勘察设计领域，大多仍采用绘制二维工程图的传统平面设计模式进行工程项目设计。这种设计模式存在不少问题，如通过若干个二维图来描述一个三维设计是很不直观的，二维工程图不能完全表述设计对象所有的设计信息，同一个工程对象的设计数据只能以离散的方式存在于不同的二维图和数据表格中，缺乏关联关系，这些问题都会严重影响设计效率和质量。

自上世纪90年代起，国际CAD设计领域已逐渐转向全三维设计[1-3]，这种设计模式与传统二维设计模式的本质区别在于设计对象通过直接建立三维模型来表达，并在原来纯二维的设计环境基础上，增加了更直观灵活的三维设计环境，让设计变得更直观、更轻松。

要在港口工程领域实现全三维设计需要一个三维CAD设计平台作为基础和主要手段，该设计平台应当具备对产品进行设计、分析、出图等全流程的、三维的、协同的设计功能。除了基本的三维几何模型构造手段外，在不同领域，三维CAD设计平台的功能是有所不同的。

1 三维CAD设计平台现状

三维CAD设计平台是三维设计系统的核心部分，是实现其它功能模块的基础。目前，国外先进的三维CAD平台功能已非常强大，而且还提供各种编程工具和接口，为用户进行二次开发创造便利条件，用户可以方便地将其改造为专用软件。

1.1 主流CAD平台简介

在建筑领域，有两个比较普及的CAD平台，第一个是美国Autodesk公司开发的AutoCAD，是国际上广为流行的二、三维设计绘图平台[4]，除了提供强大的图形编辑和处理功能外，Autodesk公司还相继推出了四代二次开发工具，主要包括6种二次开发技术：AutoLISP、Visual LISP、ADS、VBA、ObjectARX和Dot NET，其中ObjectARX和Dot NET是全新的开发手段，功能非常强大。另外一个是美国 Bentley System公司开发的MicroStation，是国际上与AutoCAD齐名的二、三维CAD设计软件[5]，支持参数化要素建模和专业照片级的渲染及可视化，可以直接读写DWG文件而无需任何转换。MicroStation根据用户需求也提供了5种可适合不同程度程序开发者的程序设计语言：UCM、CSL、MicroStationBasic、MDL和JMDL，使MicroStation具有强大的兼容性和扩展性，其第三方软件超过1 000种以上，领域覆盖了土木、建筑、交通、结构、机械、电子、地理信息、网络、管线、图档管理、影像、出图等多个领域。

以上两个系统平台都是二三维结合，并以二维为主的设计平台，除此之外，还有一些纯三维的CAD平台，它们是以三维设计为主，二维出图为辅。如Autodesk公司的Civil 3D[6]，一款面向土木工程设计与文档编制的建筑信息模型（BIM）解决方案[7-8]。该软件能够创建协调一致、包含丰富数据的模型，并全面集成了勘测、放坡、地块布局、道路建模、管道、土方量计算、施工图、高级数据管理等模块，实现了从勘测、设计、分析、可视化、文档制作到施工的集成流程。

除了建筑行业，在机械行业，有更加成熟和强大的三维CAD设计平台，如CATIA[9]、UG[10]、Pro/E[11]等。CATIA是法国Dassault公司的三维CAD产品设计系统，可以以全三维形式设计各种工业产品，具备强大的实体建模功能，加上强大的曲面造型功能，使其能模拟和建立任何复杂的工业产品对象。此外，Siemens PLM Software的UG和 Parametric Technology Corporation的 Pro/E都有相似的功能。这些大型的三维CAD设计平台除了强大的造型能力外，还具备完善的协同设计能力。

1.2 存在的问题

上面介绍的三维CAD设计平台是以建筑行业或机械行业为主的，这些行业无论在设计操作、设计流程，还是在数据表达方式、数据流转方式等方面都和港口工程行业有着不少的区别。

如果在这些CAD平台上进行港口工程三维CAD设计平台的开发，虽然提供的系统架构和各种功能可以直接利用，无需重复开发，只需开发项目需求中原CAD平台没有或欠缺的功能即可，开发内容比完全自主开发要少得多，开发周期较短。但是，二次开发是基于原CAD平台已有的功能上进行扩充和修改，具有一定的局限性，如果所要开发的功能是一个独立于原CAD平台之外的功能，则采用二次开发工具进行开发的难度极大。其次，现有平台很多是行业相关的，系统开发需要遵循平台原有的工作流程，很难进行自主流程的改造，原有平台的工作流程不一定完全能满足港口工程行业的需求。另外，当开发的功能需要调用未开放的系统内核时，就需要CAD平台提供商去开放接口，这时的权限、时间和费用等问题会制约该功能的开发。最后，现有CAD平台的系统架构十分复杂，非CAD平台开发商的开发人员不可能了解其内部架构关系，很可能出现修改其中一个功能却引起其他功能无法正常使用的情况，系统运行的稳定性和可靠性也无法保障。

因此建立基于港口工程的自主三维CAD设计平台是很必要的。下面介绍港口工程三维CAD设计平台的构成和各模块的技术要点。

2 港口工程三维CAD设计平台

港口工程三维CAD设计平台应当具备进行港口工程结构物全三维可视化设计的基本功能。这些功能包括进行工程三维地质可视化的三维地质建模模块，进行水工结构物设计的构件设计、构件装配、构件分析和构件配筋等模块，输出成果的工程出图模块，以及进行协同工作的协同设计模块，如图1所示。

图1 港口工程三维CAD设计平台Fig.1 Three-dimensional CAD design platform of harbor engineering

2.1 地质建模

地质建模是对取得的勘察资料，如钻探、物探等取得的资料，加上各种室内试验数据，通过三维建模技术把三维地质模型最大限度接近真实地构造出来。地质三维模型包括地表模型和地层模型，三维地表模型构造出来后可以具备辅助工程的选址，进行各种工程结构物的布置，提前呈现整体工程设计效果等功能。三维地层模型构造出来后，能够对地下情况有比较直观的了解，能够对地层进行开挖、回填、设计结构物等操作，可以进行各种稳定性的分析，如图2所示。

图2 三维地质模块构建和应用流程Fig.2 Build and application process of threedimensional geological module

三维地质建模技术包括地质数据整合、地层自动构建和相关图纸输出等技术。

在地质数据里，包含现场采集数据、实验数据和物探数据等各种数据，这些不同类型的数据可能使用不同的介质进行存放，但最终都会汇集到不同的软件系统里，利用数据库转换和XML文档转换等技术可以实现数据的统一转换。实现地质数据和三维地质几何模型的整合。

在三维地质建模里，地层模型可以通过手动方式完成建模，但是当地层层数较多、范围较广，加上地层层间关系复杂，如存在尖灭、透镜体和夹层等特殊情况时，如果全部使用手动建模方式来工作，工作量将是非常巨大的，因此需要实现地层的自动建模技术。地层自动建模技术涉及地质模型的拓扑表达，地层层间关系自动识别，以及其他一些图形算法。现有对地质模型的拓扑表达有实体表达、三棱柱表达等技术，可以通过这些技术实现三维地质模型的三维几何表达。另外可以通过从纯几何层次关系和地质经验数据两个方面去实现地层层间关系的自动识别功能。三维地质模型生成后可以直接生成柱状图，通过剖切后可以生成剖面图，数据经过整理后可以生成地质成果表。

三维地质模型建立后，可以通过三维实体模型的布尔运算操作实现模型的剖切、开挖和回填。通过这些操作后的模型，可以把剖面、模型等数据导入到岩土分析软件中进行稳定和沉降分析。

2.2 构件设计

构件化设计的主要思想是对设计对象的结构进行分解，形成独立的构件，然后分别对这些构件进行设计，最后把这些构件装配组合起来形成最后的产品对象，如图3所示。构件设计是三维构件化设计的基础。

图3 构件化设计流程Fig.3 Component design process

构件设计的主要技术包括草图设计、特征设计等。

二维草图设计是三维构件设计的基础，通过草图的绘制，配以各种建模操作就能形成各种三维构件模型。二维草图技术主要包括几何图元绘制和几何约束求解，其中最重要的是几何约束求解技术。几何约束求解技术在构件设计过程中的作用是非常大的，它能大大提高设计效率，而且是构件和结构重构自动化处理的必要技术。

特征设计主要指在草图基础上进行各种特征建模、线框建模、以及直接建模等操作，以完成三维构件的设计，这些操作的基础是实体建模技术，该技术的结构表达主要使用世界主流的B-Rep表示法，和建立在B-Rep基础上的各种操作，其中包括拉伸、布尔、欧拉、局部修改等。三维构件设计技术除了实体几何的建立外，还应设置完善的属性系统，这些属性包括材料属性、定位属性、配筋属性、分析属性，等等。

2.3 构件装配

构件装配技术，是把各种已经设计好的构件模型装配成一个工程结构模型，通过对构件进行各种空间定位操作，如移动、旋转等，加上各种约束手段，如网格约束、三维几何约束等，可以把这些构件的相对位置严格确定下来，完成装配工作。

装配技术的关键是网格约束和三维几何约束，它们都可以通过几何约束求解器完成求解。实现几何约束求解技术的求解方法有很多种，如数值方法、构造方法、图方法和符号代数方法等。

2.4 结构分析

三维结构分析是指使用通用有限元分析技术对设计的工程对象以及集合进行分析，主要技术包括分析模型转换、分析求解和后处理输出。

分析模型转换技术是指根据工程对象以及集合的三维设计模型转换成用户所需的三维分析模型。分析模型并不是简单地把CAD模型作为其几何模型，同一个工程对象可以转换成多种分析模型，不能按唯一的标准进行转换，通过构件设计中的同参异构技术和设计人员的手动修改，可以实现自动或手动的把设计模型转换成分析模型。同参异构技术是实现自动模型转换的关键技术，其精粹就是使用相同的主要建模参数形成各种不同的几何形体，以分别满足设计模型和分析模型的建模需要。

分析求解技术是指对分析模型采用有限元方法进行求解的技术，而网格划分和大型方程组的优化求解是应用有限元方法的最大难点，涉及解析几何和纯数学领域的复杂理论和算法。对于较简单的结构类型可以开发自己的求解器，对于较为复杂的结构形式可以使用各种大型的通用有限元求解器，可以把求解内容转换成求解器脚本，再传入求解器进行求解，常用脚本语言有ANSYS的APDL，ABAQUS的Python等。

后处理输出技术是指对各种计算结果进行分类、统计、显示、打印以及生成计算书等，其中计算结果的获取和以各种图表形式显示是该项技术的关键和难点所在。可以通过各种通用图形工具包绘制结果图形，通过文档的脚本控制自动生成计算书。

2.5 构件配筋

构件配筋技术主要是指对三维构件进行钢筋配置的技术。三维构件配筋技术主要包含钢筋模型的表达、配筋模式设计和解除钢筋碰撞问题等。

钢筋模型的表达主要是指以什么数据结构去表达配置的钢筋。在一个构件里的钢筋就有成百上千条，在一个结构里钢筋数量就更加多了，如果要同时显示、编辑这些钢筋，可以想象三维图形的绘制量是非常巨大的，因此需要对钢筋的数据结构进行优化。通过绘制结构树的优化和图形LOD技术的应用，可以有效解决大三维模型的显示问题。

钢筋在构件中的布置方式是多种的，如何合理地划分这些布置方式，并配以合适的操作过程，就是配筋模式需要研究的内容，配筋模式的划分直接影响到配筋过程的效率和正确性。现有比较有效的配筋模式有表面配筋、截面配筋和曲面配筋等。

由于钢筋的数量繁多，很容易出现钢筋间的碰撞问题，除了钢筋间的碰撞问题外，当钢筋的形状比较复杂时，钢筋本身也有可能存在碰撞问题。钢筋本身的碰撞问题可以通过对碰撞的某几个钢筋段进行位置偏移来实现碰撞的排除。钢筋之间的碰撞问题是比较复杂的，主要在于钢筋碰撞的自动调整可能会导致新的碰撞，因此碰撞的自动调整算法有可能会陷入死循环。经过研究发现，碰撞问题大部分在钢筋配置步骤的开始时就可以避免，关键是系统能对可能产生碰撞的配筋操作提前给出提示，以便用户调整配筋的参数，从而避免碰撞问题的出现，这种方法称为主动避让方法，是现有解决钢筋碰撞的主要方法。

2.6 工程出图

虽然CAD设计领域在不断推广三维模型设计，但在具体工程实践中，二维工程图纸依然是必不可少的，在港口工程设计领域也不例外，因此工程出图技术是三维CAD设计平台的必要技术之一。出图模块除了二维图纸出图外，还应支持三维图纸的出图，也就是图纸中模型是三维的，其他描述是二维的图纸，该种图纸在很多情况下比二维图纸具有更清晰的描述效果。出工程图的技术研究内容包括图纸结构表达、出图操作、对象标识和图纸布局等。

图纸结构表达主要是指图纸中各种图元的组织方式。由于出工程图模块需要支持二、三维并存的工程图纸，因此底层图纸的结构组织要比纯二维图纸复杂，当图纸内容比较多时，图纸结构设计的好坏会直接影响到图纸的显示和操作效率。二、三维并存的图纸设计涉及较频繁的结构改动，在平衡存储空间和执行效率后，适宜采用树状数据结构为主要图元结构。

在设计平台中，构件或结构是三维的，而工程图纸大部分是二维的，这就必须研究一些手段进行三维到二维模型的转换，从而形成工程对象的出图操作。经研究，投影和剖切操作是三维对象转二维图纸的主要操作手段。

出图对象标识是指建立三维模型对象和二维图形对象之间的联系。在出工程图时，很多情况下都需要这种对应关系，当真实的工程对象和对应的二维图纸对象存在比较大的区别时，就需要使用图元替代来进行出图，这时就需要这种二、三维对象的内在联系来维护这种替代图元和真实图元间的关系；此外，当三维模型修改后，已出的二维图纸是必须体现其修改的，在修改二维图纸时需要反馈到三维模型上去，因此需要建立二、三维对象间的关系。

在三维对象或集合转成二维图纸时，在图纸上会同时存在多个对象子图，这些子图很容易发生相互重叠，另外，当一个对象的二维标识比较多时，这些标识也会相互重叠在一起。因此，需要解决如何处理这些子图和标识的布局问题。实现图纸的自动布局可以通过先实现子图的区域划分，再实现子图区域内部图元和标注的自动布局。

2.7 协同设计

协同设计技术主要是指不同专业的生产部门相互协作，对各种工程对象进行设计，最终形成工程设计产品。要实现多专业协同设计，涉及到工程对象设计工作流程的分解、同步和异步操作、权限管理和日志记录等技术。

工程对象工作流分解技术是指把工程对象的设计工作按一定的粒度进行分解，形成可独立操作和保存的工作步骤。要实现工作流分解，关键是要对流程中的各个工作步骤作依赖分析，避开流程分解时可能出现的死循环，最终形成合理的、可操作的步骤项。

在对工作流程进行分解后，还需要对这些分解的工作步骤设置同步和异步操作。由于需要多个专业人员对工程对象进行设计，如果多个设计人员同时对一个工程对象进行操作，那么他们的设计过程数据保存就需要同步和异步操作的支持了。同步、异步操作可以通过对一个操作步骤进行锁定和对未完成步骤进行状态保留等方法来实现，这里涉及任务工作流处理、状态机和大型数据库服务等技术。

要实现多专业协同，还需要对工作步骤设定权限管理，以及对每一个步骤进行日志管理。由于对产品设计过程中所涉及人员具备的操作权限是高低不同的，因此设计权限管理是必须的。此外，为了方便追踪和管理各操作人员的操作结果，需要设置日志管理。实现权限管理和日志管理主要涉及权限分析和大型数据库服务技术。

3 HIDAS三维CAD设计平台

HIDAS是Harbor Investigation and Design Application System的缩写，是由中交第四航务工程勘察设计院主持研发的，旨在改变现有港口工程勘察设计模式的革命性系统。

该系统结构如图4所示，主要由3个层次组成，分别是三维应用开发框架、工程设计基础平台和港口工程勘察设计应用系统，其中应用开发框架是三维CAD设计系统开发的底层平台，勘察设计应用系统是具体的业务系统，工程设计基础平台就是上文提到的三维CAD设计平台的其中一种实现。

图4 HIDAS系统总体架构Fig.4 Overall architecture of HIDAS system

HIDAS的工程设计基础平台实现了港口工程三维CAD设计平台中的地质建模、构件设计、构件装配、结构分析、构件配筋、工程出图等模块的大部分功能，协同设计模块也会在不久的将来实现。

在工程基础平台上实现的港口工程勘察设计应用系统已经在水工结构的三维设计、分析、配筋、出图等作业中逐步体现出其优越性，主要体现在低级工作的大量减少和工作效率的大幅提高。图5为HIDAS所出的工程二、三维结合工程图纸。

图5 钢管桩桩顶配筋图Fig.5 Reinforcement drawing on steel pipe pile top

4 结语

本文提出了港口工程三维CAD设计平台的构成与技术要点，该设计平台以三维构件化设计为基础，并在此基础上实现构件装配、结构分析、构件配筋、工程出图和协调设计等诸多功能，能满足港口工程行业全流程的三维设计、数据整合流转和各专业间的协同设计。

本文给出了实现该设计平台各个模块所需要的技术要点，并提供了实现这些技术点所需要的方法和思路。

本文简单介绍了HIDAS三维CAD设计平台，它是港口工程三维CAD设计平台构建思路的一种实现，也是实现该思路的一种尝试。HIDAS三维CAD设计平台成功实现了该思路的大部分功能，也证明了本文提出的港口工程三维CAD设计平台设计思路的可行性。HIDAS三维CAD设计平台在日后还会不断扩展，以完整实现设计平台的所有功能，并在不断的实践中加以改善，为完成港口工程三维设计模式的转变做出贡献。

[1] 孔凡新.三维设计软件的发展[J].机械制造与自动化，2003（4）：82-85. KONG Fan-xin.Introduction of development for three-dimensional design software[J].Machine Building&Automation，2003（4）：82-85.

[2]关琰.计算机辅助产品设计[M].北京：清华大学出版社，2004. GUAN Yan.Computer aided product design[M].Beijing：Tsinghua University Press，2004.

[3]刘小雄.三维CAD技术在机械设计中应用探讨[J].科技创新与应用，2013（8）：50. LIU Xiao-xiong.Discussion of application of three-dimensional technology on machine design[J].Technology Innovation and Application，2013（8）：50.

[4]陈兵，吴春燕，杜莹.AutoCAD的三维设计技术[C]//制造技术自动化学术会议论文集.西安：陕西省机械工程学会，2002. CHEN Bing，WU Chun-yan，DU Ying.Three-dimensional design technology of AutoCAD[C]//Academic conference proceedings of manufacturing technology automation.Xi′an：Shanxi Province Mechanical Engineering Society，2002.

[5]赵顺耐.Bentley基于BIM的建筑行业解决方案[J].CAD/CAM与制造业信息化，2011（S1）：39-43. ZHAO Shun-nai.Construction industry solutions based on BIM by Bentley[J].Digital Manufacturing Industry，2011（S1）：39-43.

[6] 任耀，秦军.AutoCAD Civil 3D 2008实战教程[M].北京：人民交通出版社，2008. REN Yao，QIN Jun.Actual tutorial of AutoCAD Civil 3D 2008[M]. Beijing：China Communication Press，2008.

[7]祝元志.数字技术再掀建筑产业革命——BIM在建筑行业的应用前景与挑战[J].建筑，2010（3）：14-26. ZHU Yuan-zhi.Digital technology to reviving building industrial revolution-BIM application prospects and challenges in the construction industry[J].Construction and Architecture，2010（3）：14-26.

[8]张建平，余芳强，李丁.面向建筑全生命期的集成BIM建模技术研究[J].土木建筑工程信息技术，2012（1）：10-18. ZHANG Jian-ping，YU Fang-qiang，LI Ding.A modeling technology of integrated BIM for building lifecycle[J].Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture，2012（1）：10-18.

[9] 朱辉杰.对话CATIA之父——Francis Bernard先生畅谈PLM与中国制造业发展[J].CAD/CAM与制造业信息化，2004（9）：17-19. ZHU Hui-jie.Talking to the father of CATIA-Mr.Francis Bernard talked with the development of PLM and China's manufacturing industry[J].Digital Manufacturing Industry，2004（9）：17-19.

[10]安受铺，魏周宏.UG软件在我国的应用综述[J].机械研究与应用，1996（4）：15-17. AN Shou-pu，WEI Zhou-hong.Summary of application of UG software in China[J].Mechanical Research&Application，1996（4）：15-17.

[11]韩志强.基于Pro/E的零件参数化设计及自动装配技术的研究与实现[D].西安：长安大学，2007. HAN Zhi-qiang.Study on the technique of part parametric and automatic-assemble base on Pro/E[D].Xi'an：Chang'an University，2007.

Study on three-dimension CAD design platform of harbor engineering

ZHAO Hong-jian，He Jia-jun，YANG Xi-liu
（CCCC-FHDI Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510230，China）

Due to the current mainstream product design has been turned to mainly on the three dimensional design model，harbor engineering also gradually incline to full three-dimensional engineering design.This paper proposes a design thought of a three-dimensional CAD design platform of harbor engineering investigation and design industries，and provides the technical essential，implementation approach and methods that how to realize the design platform.The platform based on threedimensional component design，and on this basis，it realizes many functions，such as component assembly，structure analysis，component rebar，drawing output and collaborative design.

harbor engineering；three-dimensional design；visual design；three-dimensional CAD

U652.74

：A

：1003-3688（2014）03-0020-06

10.7640/zggwjs201403004

2013-08-26

赵宏坚（1979— ），男，广州市人，博士，工程师，主要从事港口工程设计软件系统研发。E-mail：zhaohj@fhdigz.com