水电站建筑物可视化设计中CAD的应用

王烙斌，王玺，张景帅，田文博

（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024；2.黄河水利职业技术学院，河南开封475004）

水电站建筑物可视化设计中CAD的应用

王烙斌1，2，王玺2，张景帅2，田文博2

（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024；2.黄河水利职业技术学院，河南开封475004）

以水电站建筑物中进水口、压力水管、蜗壳和尾水管复杂形体为例，分析了用CAD进行可视化建模的难点、易错点，提出了运用技巧和特殊运算程序解决问题的思路，探讨了适用于不同形体的可视化设计方法。

水电站建筑物；CAD；可视化设计；进水口；压力水管；蜗壳；尾水管

0　引言

可视化设计（Visual Design）是指借助计算机运用AutoCAD、Revit、Inventer等先进的辅助设计软件，操作各自的程序，设计出可视化的虚拟几何形体。随着计算机行业的蓬勃发展，将仿真技术应用于水利工程的模拟仿真和综合管理，可以实现工程方案可视化和工程信息集成管理等功能，从而在工程方案比选、施工管理和调度仿真等方面发挥重要作用［1～2］。

近年来，各类三维建模软件相继出现。但是，由于水电站建筑物的特殊性，部分软件仅在科研单位得到认可和使用。水利行业应用最广泛的可视化设计软件还是美国Autodesk公司研发的AutoCAD系列产品。对于一些复杂的工程曲面，应用CAD进行可视化设计时，若仅使用常规的建模方法，会在一定程度上增加建模的难度。为了减轻工作量，提高复杂形体建模的效率和准确度，可以将一些复杂的运算程序和一些建模技巧进行有机结合。这不仅有利于提高复杂形体建模的准确度，还可大幅节省时间和人力。

通过对国内工程复杂形体建模研究分析发现，有关建模方法的论著不少，但是讲解的内容不够全面，对工程复杂形体的建模也不具有通用性。因此，研究出一套具有通用性、方便好用的复杂形体建模方法是很有必要的。笔者以水电站建筑物中复杂形体的可视化设计为例，根据水电站建筑物结构和功能的不同，将其分为进水口、压力水管、蜗壳和尾水管，分别探讨了不同情况下复杂形体建模时的难点和解决方法。

1　进水口可视化设计

1.1进水口可视化设计方案

水电站进水口由进口段、闸门段、渐变段等结构组成，主要作用是引导水流平顺地进入压力水管，控制压力水管中的流量［3］。通过对二维图形（如图1所示）的分析，进水口的可视化设计分为3部分：进口段和闸门段用“特征面拉伸法”完成；渐变段用“导线放样法”创建出三维实体。各部分设计完成后，将其移动到相应位置，完成进水口的三维效果图（如图2所示）。

1.2进水口可视化设计内容及要点

在水电站进水口可视化设计时，运用的主要方法是“特征面拉伸法”和“导线放样法”。

“特征面拉伸法”是可视化设计中运用最普遍的一种方法，它是根据二维视图的不同特点，在Auto-CAD的对应界面中用直线或曲线绘制出特征视图，再进行拉伸。但是，在执行拉伸命令时，所选中的区域必须由一条连续的多段线构成，否则会出现由一条线段拉伸出来的形体（如图3所示）。这时，可以转换到对应视图，执行“边界”命令，使分散的各部分线段成为一条连续的多段线。另外一种方法是，对分散的各部分线段执行“面域”命令，也可以得到相同的效果。在可视化设计中，这种方法可以快速地生成绘图者想要进行拉伸的截面。但是，如果遇到需要拉伸的区域是个环状平面，就不能运用上述方法，应该分别将内外环截面拉伸后，使用“布尔运算”得到所需的工程形体；或者先执行“面域”命令，使其成为两个封闭环状截面后，再使用“布尔运算”，得到所需的环面。

图1　进水口二维视图Fig.1 Two－dimensional draw ing of water intake

图2　进水口三维效果图Fig.2 Three－dimensional effect draw ing of water intake

图3　曲线和曲面拉伸的不同效果图Fig.3 Different effect of curve and surface tension

渐变段是进水口过水断面由矩形渐变到圆形的过渡段，形体不规则，表达特殊，在进行可视化设计时，不容易被理解。在运用“导线放样法”进行可视化设计时，需要连接若干条导线。导线根数和放置位置的不同直接影响到模型的仿真度。当使用两条控制导线时，得到的形体接近扭曲（如图4所示），相似度太低，没有任何意义；当使用四条控制导线时，得到的形体已经和工程实际很接近（如图5所示），但还是不能达到仿真的效果；当使用八条控制导线时，得到的模型能够符合工程实际（如图6所示），这种方法不仅对可视化设计具有指导意义，还可以使进水口中水的流态变得更好，避免了负压、空蚀等现象的出现。

图4　进水口渐变段两条控制导线建模效果图Fig.4 M odeling effect of two control wires in intake transition section

图5　进水口渐变段四条控制导线建模效果图Fig.5 M odeling effect of four control w ires in intake transition section

图6　进水口渐变段八条控制导线建模效果图Fig.6 M odeling effect of eight control wires in intake transition section

2　压力水管可视化设计

2.1压力水管设计方案

压力水管是水电站的重要组成部分，一般由直管段、弯管段和分岔管组成，主要作用是从水库或水电站平水建筑物（压力前池或调压室）向水轮机输送水量［3］。根据对压力水管二维图形（如图7所示）的分析，将直管段采用“特征面拉伸法”创建，弯管段采用“扫掠法”建模，最后组合在一起，效果如图8所示。

图7　水电站压力水管二维视图Fig.7 Tw o－d imensional view of hydropower station penstocks

图8　水电站压力水管三维效果图Fig.8 Three－dimensional effect of hydropower station penstocks

2.2压力水管可视化设计内容及要点

压力水管可视化设计主要运用到“扫掠法”和“布尔运算”。

在直管段和弯管段建模中，若管道直径相同，有3种方法可供选择。（1）用“扫掠法”快速完成模型创建。在相应视图中，用多段线绘制出所需要扫掠的截面和路径（如图9所示），运行扫掠命令后，该三维实体便会自动呈现出来。（2）用“首尾截面放样法”将绘制出来的首尾截面和路径移动到其正确位置后，执行“放样”命令，再选择“路径”子选项，达到上述效果。（3）用“特征面拉伸结合扫掠法”进行建模。先将直管段进行截面拉伸，弯管段用截面扫掠其弧形路径。

图9　水电站压力水管扫掠建模Fig.9 Swept modeling of hydropower station penstocks

相对于管道的可视化设计而言，分岔管中主管和支管接壤处的建模是个难点。设计时，可以先利用“扫掠法”或“首尾截面放样法”等建立出主管和支管的模型，然后利用角度约束对每条支管分别执行“旋转”命令，使其和主管形成一定夹角，再交叉使用“布尔运算”。“布尔运算”包括“并集、差集、交集”，在进行复杂形体可视化仿真设计时，往往需要交叉使用。因此，进行以上操作时，要求绘图者除了具备必要的读图能力外，还必须掌握一定的建模方法和技巧。

在可视化设计过程中，需要不断地对模型进行定位处理和动态观察。在常用的“辅助线法”基础上，设计者打开“视觉样式”工具栏，合理选用其样式，不仅可以方便观察模型形态，而且极大地降低了建模的错误率。二维线框和三维线框样式不仅适用于绘制二维图形，在创建特征面进行拉伸或放样时，也降低了设计的难度。三维隐藏视觉样式仅显示能看到的模型轮廓线，使观察者一目了然，多应用于专利出图等情况。真实视觉样式不仅同概念视觉样式一样，可以观察可视化设计的效果，还可以对三维模型添加材质和渲染出图。

3　蜗壳可视化设计

3.1蜗壳设计方案

蜗壳平面形状像蜗牛壳，断面从进口到尾端逐渐减小，主要作用是使水流在进入导水机构前，形成一定环流，且沿周围均匀地进入导水机构。根据对蜗壳二维图形（如图10所示）的分析，蜗壳的可视化设计主要由13个不同半径的圆截面使用“截面放样法”得出，效果如图11所示。

3.2蜗壳可视化设计内容及要点

水电站蜗壳的可视化设计主要运用到“截面图形的定位”和“抽壳法”。

在进行可视化设计之前，首先在AutoCAD的草图设置中把极轴增量角设置为90°，并且用所有极轴角设置追踪。其次，需要将对象捕捉模式里的端点、中点、节点、圆心等捕捉对象打开。蜗壳的可视化设计可以运用“截面放样法”。应用该方法时，最易出错的部分就是各个截面的放置问题。在二维线框模式下的俯视图中，依据极角和极径依次绘制截面后，转换到西南等轴测图状态中，沿各圆心方向逐个旋转90°，使其与定位的平面圆形正交（如图12所示）进行截面放样，就完成了蜗壳的初步可视化设计。

图10　水电站蜗壳二维视图Fig.10 Two－dim ensional view of hydropower station spiral case

图11　水电站蜗壳三维效果图Fig.11 Three－dimensional effect of hydropower station spiral case

由于水电站建筑物的特点，在创建三维模型时，通过在两个不同尺寸的三维实体间运行“布尔运算”可以得到三维壳体结构。但是，这种方法费时、费力，且不易被大多数设计者掌握。应用时，可以在“实体编辑”选项卡中直接使用抽壳命令，来实现三维实体到三维壳体的转换。但是，在AutoCAD的默认程序中抽壳距离不能小于任意端断面最短边或短轴间距的1／2。否则，抽壳命令将无法完成。在进行工程复杂形体可视化设计时，“抽壳法”不仅在蜗壳设计中适用，在进水口、压力水管、尾水管等构件设计中也有不错的效果。

图12　水电站蜗壳建模截面位置图Fig.12 Sectional draw ing of hydropower station spiral case

4　尾水管可视化设计

4.1尾水管设计方案

尾水管一般由锥管段、弯曲段、扩散段等组成，主要作用是将通过水轮机的水流泄向下游，回收利用转轮出口的大部分动能。根据对尾水管二维图形（如图13所示）的分析，锥管段和扩散段可以用“截面放样法”得到，弯管段用“剖切法”、“旋转法”等进行可视化设计，效果如图14所示。

图13　水电站尾水管二维视图Fig.13 Tw o－d imensional view of hydropower station draft tube

图14　水电站尾水管三维效果图Fig.14 Three－dimensional effect d rawing of hydropower station draft tube

4.2尾水管可视化设计内容及要点

在水电站尾水管可视化设计中，主要运用到“旋转法”和“剖切法”。

尾水管弯曲段形体十分复杂，运用常规的建模方法难以得出。设计者遇到这种问题时，往往无所适从，致使建立的三维模型与实际工程偏差较大。经过对二维图形的研究发现，弯曲段外侧主要由4种曲面和4种平面拼接而成，每一种曲面都有其独特的创建方法。曲面1由R50和R70两个圆截面运用“截面放样法”创建；曲面2由R149的圆弧面运用“曲面剖切法”创建（如图15所示）；曲面3由R70的圆截面运用“特征面拉伸法”创建；曲面4由R91的圆弧运用“旋转法”创建（如图16所示）；其余平面通过“特征面拉伸法”和“布尔运算”可直接创建。实践证明，当进行工程复杂形体的可视化设计时，可以将其划分为若干个小问题来进行处理，这种化繁为简的思想可以运用到各个方面。

图15　尾水管曲面剖切图Fig.15 Surface section drawing of draft tube

图16　尾水管旋转建模Fig.16 Rotating modeling of draft tube

“剖切法”分为直线切割和曲面切割。在尾水管扩散段的可视化设计过程中，如果需要修改某些构件的长度，可以用“直线切割法”进行修改。但是，切割的起点和终点要仔细选择，切割过后将不需要的一侧删除即可。在尾水管弯曲段底部曲面的设计中，运用“曲面切割法”能够达到理想的建模效果。“曲面切割法”与“直线切割法”不同的是，由定位曲线拉伸出的曲面要略大于三维实体，并且曲面要贯穿整个实体。另外，在运用“旋转法”时，主要是待旋转截面的绘制和旋转轴的选择。这两个步骤完成后，输入旋转角度，就能完成该部分的建模。AutoCAD默认逆时针方向为正。在工程复杂形体的可视化设计过程中，每个细节都不容忽视。

5　结语

综上所述，针对水电站建筑物复杂形体可视化设计时遇到的问题，用不同的设计技术对工程形体进行模拟，总结出了一套适用于大部分工程复杂形体的建模方法。对于复杂形体设计时的难点、易错点和难以理解的部分，该方法能够帮助设计人员快速分析和解决问题。另外，工程复杂形体的可视化设计可以达到直观的效果，对设计单位和施工单位都具有指导意义。

［1］关莉莉，侯黎黎.基于CAD的进水闸仿真建模技术研究［J］.黄河水利职业技术学院学报，2015，27（2）：17－20.

［2］崔巍.水利工程虚拟仿真系统开发技术与实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2012：1－11.

［3］袁俊森.水电站［M］.郑州：黄河水利出版社，2010：123－144.

[责任编辑杨明庆]

TV732；TP391.7

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1008-486X（2016）02-0022-05

2016-01-20

王烙斌（1994-），男，河南焦作人，助理工程师，主要从事水利水电工程勘测设计研究工作。