平面钢闸门三维数字化设计综合应用研究

邹今春，郭天佑，李 岗，赵春龙

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

钢闸门是水工建筑物中用于开启、关闭或局开过水孔口的动设备，在引水、挡水、冲沙、泄洪、防淤、发电控制等方面担当重要任务，直接关系电站整体可靠运行。由于承受工况复杂，结构类型丰富，目前均采用非标设计方式。据统计水工钢闸门出图量占整个枢纽出图量比例可达15%[1]。而工程建设方面对缩短设计周期、加快出图速度的要求日益强烈，因此采用先进设计手段和技术，提高设计自动化水平和质量变得越来越重要。

三维数字化设计是解决这一突出问题的重要途径。它不仅具有传统三维可视化带来的优点，还能通过尺寸约束和几何约束来定义和控制几何模型，支持在产品开发的不同阶段对产品结构进行快速修改。这恰好满足了水电工程各建设阶段对结构方案反复调整和优化的实际需要。目前应用于水工钢闸门设计的三维平台主要有Autodesk公司的Inventor[2～4]以及达索公司的CATIA[6～8]。何玉新、李敬泽将Inventor应用于钢闸门的设计，介绍了产品虚拟样机、干涉检测、模型与工程图关联等功能[2]。李胜、李敬泽以具体实例对参数分类、参数精简及通用性、零部件纯数字关联方式等问题进行了深入剖析，提出了一种融合Excel设计计算、Inventor三维建模和Inventor自动生成工程图的设计模式[3]。徐庆总结出一条从总体到局部、从上至下的设计思路，利用闸门结构零部件之间主从关系，优化了零部件之间装配关系和模型库的管理[4]。基于对BIM技术的深入理解，魏群等提出综合利用Inventor的多层次资源，充分利用其用户交互、图形数据等技术的深层分析方法，为以Inventor为基础平台的深度二次开发提供了理论支撑，并开发出设计、分析、制作于一体的钢结构设计软件[5,6]。此外，CATIA平台下的参数化设计应用也得到了广泛关注。王可、陈相楠、贾刚、余迎宾等介绍了CATIA平台上闸门建模、出图的详细流程，提出建立组件库以提高设计效率的方法，为CAITA的工程应用积累了经验[7,8]。

Inventor或CATIA平台自带功能均不能同时解决好闸门高效建模、准确出图、自动计算的问题。本文在以往研究者基础上，以平面闸门为研究对象，利用Inventor平台的二次开发，采用多种语言混合编程及Windows API技术，在综合三维参数化建模、计算分析、二维工程图模块功能，实现了建模中零部件快速装配、二维图生成中底层数据的获取与尺寸自动标注、计算过程与三维模型的交互，为钢闸门三维数字化综合设计应用做出一些尝试。

1 建模模块

闸门分为门叶、门槽，是最高层级的两个模型组件，并将其作为父级模型。以孔口尺寸、封水宽高、支承跨度、最大外廓尺寸及各分节高度为依据，建立门叶、门槽三维模型总体网格轴线，对门叶门槽的总体布局其进行整体控制。门叶门槽这两级父级模型之下的是各门叶节（含主梁、次梁、隔板、边梁等）、主反滑块、充水阀、吊耳以及水封等零部件子集模型。为了进一步规范零部件安装位置，在单节门叶结构建模层级也引入了单节轴线网格。

按照分类原则及出图的要求，对于父级建模层建立的总体网格轴线，操作对象为单节门叶或与单节门叶具有相同出图等级的零部件，如充水阀、水封。对于单节门叶结构建模层的单节轴线网格，操作对象为主梁、次梁、边梁、隔板。高效的建模功能依赖于闸门零部件参数化模型库中参数的合理设置[3]。

图1 总体轴线布置

总结平面钢闸门结构特点，对闸门各部件进行分类，分析图形结构的拓扑关系，提炼出图形的几何关系参数，将闸门各个部件进行参数化建模，并采用数据库进行数据管理应用。在参数设置过程中充分利用零部件之间的连接关系，建立相互接触的图形要素之间重合、平齐、共面等几何关系，实现参数间数学关系与对应零部件图形要素几何关系的一一映射。比如等截面主梁高度一般与边梁高度一致、门叶结构支承跨度决定了滑块水平安装间距。在结构更新（实质为参数更新）时依据主从关系，使对应参数保持相应的数值关系。对一些非承力的结构件部分尺寸进行统一规范，或设成固定值或进行系列化，在参数修改时可进行参数传递实现联动更新，从而精简了独立参数数量，也提高了零部件装配和结构修改的效率。

图2 截面数据库

2 二维工程图模块

二维工程图与三维模型的强关联性是Inventor相比其他三维软件的优势，但相比水利水电行业出图习惯需做较大调整和修改。用三维软件自身出图模块完成一张完整图纸需手动逐步完成，尤其是视图、标注和材料表的表示更是繁琐易疏漏，自动化程度低。本文提出按照平面钢闸门图纸表达习惯和要求，通过Inventor的API接口将图纸生成中用到的众多Inventor零散操作命令通过命令流方式进行串联运行，并获取图形数据以对视图、标注、材料表进行详细定制。

以闸门门叶总图为例，它包括上游视图、下游视图、顶视图、底视图、侧视图等基本视图，以及门叶门槽关系图、主反滑块、吊耳孔等局部视图和节间连接、水封连接等剖视图。主视图由上游视图与下游视图拼接而成，俯视图由顶视图和底视图拼接而成，需要对图形进行裁剪和对齐拼接。对图形的裁剪实际是判定构成图形的基本元素是否包含在指定窗口区域内的过程。本文先将带有数据的三维模型由模型空间向图纸空间投影生成完整的上游视图，通过定位视图横向中心线并以此作为上游拼接视图的一个参考点，通过获取其余三个方向最外沿零部件位置信息确定上游拼接视图的窗口区域。同理得下游拼接视图区域，在选定的区域显示视图即达到视图裁剪的效果，再对齐两个带拼接视图即实现了视图的拼接。

尺寸标注的定制包含选定待标注的尺寸、确定尺寸标注位置以及标注样式。由于图纸空间的点线面与三维模型中零部件是对应的，每一个尺寸数值均由模型的一个或多个参数组合而成。利用点的位置坐标选定标注的起点和终点即完成所选尺寸的标注。如下图中AB两点距离实际由边梁后翼缘板宽度参数值的一半AC与中间隔板阵列间隔与数量参数运算组合得来。标注样式定制可通过Inventor开放的用户样式修改实现。

图3 门叶尺寸标注

材料表自动生成是由三维模型生成二维工程图的重要工作。本文采用图形数据方法获取模型中各个零件的编号和各种属性信息（几何尺寸、材料、数量、质量等），并将这些信息存储起来。在生成表头后提取材料表所需信息，按要求进行重构后填入相应的明细表的单元格中，再利用Inventor API在设定位置创建数据。整个图纸生成过程的实现依赖于通过Inventor API获取视图（带数据的三维模型的投影）在图纸空间中的坐标，实现三维模型数据库数据（数值、属性）与图纸空间之间的交互。

3 计算模块

当前水电水利钢闸门的计算分析采用平面许用应力分析为主，本文依据现行钢闸门设计规范，以XML作为中心存储文件调用EXCEL的应用程序接口以之作为计算工具，对面板、主次梁、吊耳、主轨强度和刚度进行计算集成。实现了参数输入、计算分析与结果输出的简洁操作。

为保证计算模块与整体模型的一致性，在参数输入环节可通过直接读取三维模型获取诸如主梁、次梁、面板截面尺寸数据，从而保证了计算与模型的强关联关系和结构设计的准确性。利用Office开放的API规范要求的计算项目在经EXCEL表格公式计算分析的结果，可以WORD文档的方式进行集中呈现。需要指出的是本文采用的计算模块与三维模型之间的数据传递仍是单向的，即计算所需的参数可通过读取三维模型得到，但计算出来的参数不能直接反馈给三维模型而对模型进行修改。

4 结论

图4 计算用XML文件

在总结借鉴以前研究者经验的基础上，采用二次开发的方式，以Inventor、Office软件为基本工具对水电水利常用的平板钢闸门三维参数化建模、二维出图、结构计算进行综合应用。通过精简、优化参数设置和搭建两级网格轴线的方式以提高三维建模效率。由Inventor API获取视图（带数据的三维模型的投影）在图纸空间中的坐标，进行三维模型数据库数据（数值、属性）与图纸空间之间的关联应用，实现了材料表底层数据的获取与尺寸自动标注。在计算模块的前端参数输入环节通过直接读取模型数据，实现计算与建模的数据交互。综合应用过程中建模、出图、计算模块的运行都有统一的数据库支撑，图形、尺寸、物理特性等属性均由各类数据驱动，这与以协同、高维、全生命周期为特点的BIM技术应用[11]要求是一致的。

[1]杨锡阶.平面钢闸门参数化设计CAD软件研制与开发[D].昆明：昆明理工大学,2006.

[2]何玉新,李敬泽.基于Inventor的水工钢闸门与启闭机的三维深化设计简介[A].水工机械技术2008年论文集[C].北京：中国水利水电出版社,2008：273-276.

[3]李胜,李敬泽.平面闸门三维参数化建模应用探讨[A].水工机械技术2011年论文集[C].北京：中国水利水电出版社,2012：287-291.

[4]徐庆.基于Inventor的后水封闸门三维参数化设计[J].陕西水利,2012,2：93-95.

[5]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.

[6]魏群,魏鲁双,孙凯.BIM技术在平板钢闸门三维设计软件研发中的应用[J].华北水利水电学院学报,2013,34(3)：5-8.

[7]王可,陈智海,等.基于CATIA钢闸门参数化建模技术研究设计[J].人民长江,2016,47(2)：32-35.

[8]陈相楠,贾刚.基于CATIA的水工钢闸门组件库的创建[J].水电站设计,2009,25(1)：13-16.

[9]窦忠强,杨光辉.Autodesk Inventor培训教程[M].北京：清华大学出版社,2012：1-4.

[10]朱新涛,等.CATIA V5机械设计从入门到精通[M].北京：机械工业出版社,2011：300-317.

[11]何清华,钱丽丽,等.BIM在国内外应用应用的现状及障碍研究[J].工程管理学报,2012,26(1)：12-16.