基于Inventor的水利工程枢纽建筑物骨架设计思路研究

赫 雷

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

在利用Inventor三维软件进行模型创建时，一般有两种对比比较鲜明的方式，一种是自下而上，另一种是自上而下，两种方式均是在机械制造业的三维设计中最早形成的。以汽车模型为例，自下而上的思路是先从最细小的零件，比如螺丝、钢板等，开始设计和建模，然后通过零件之间的空间位置关系，进行装配对齐，不断地组装成更大的零件，比如发动机、变速箱等，最后形成整个汽车的三维模型。自上而下的思路正好相反，先是对汽车整体进行框架设计，把发动机、变速箱、车轮等等的空间位置关系先行确定，然后在其所在的空间位置上再进行零件的详细设计，随着众多零件设计的完成，整个汽车的模型也最终形成。这种自上而下的设计框架，就像人体的骨架，因而称之为骨架设计。在实际的应用过程中，这两种方式并不是单一使用的，经常是根据设计建模的需要，组合使用，从而提升设计效率和质量。

1 枢纽建筑物设计的特点及骨架设计的优势

1.1 枢纽建筑物设计首先着眼于整体的布置设计

在前期阶段的水利工程枢纽建筑物设计中，首先是根据地形地质条件，在适当的地方放置各种建筑物，并根据功能的需要，确定其占据的空间大小。其次按照规范的要求，使其之间有一定的安全距离。当确定了布置方案后，再开始各个建筑物的详细设计。这种设计思路与自上而下的骨架设计是一致的，因此，使用骨架设计非常符合设计人员的设计习惯。

另外，Inventor三维设计中的参数化设计，可以使骨架设计与细部设计直接产生关联关系，从而使得骨架的参数改变可以驱动细部设计的参数发生相应的自动调整。这个功能对于布置方案的调整，或者从一个布置方案派生出另一个布置方案时，就可以基于原方案快速生成新的方案。

1.2 枢纽建筑物之间的空间关联关系非机械零件间的紧密空间关系

枢纽建筑物根据功能划分，有挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、发电建筑物等，这些建筑物之间有的会结合在一起布置，有些又分开布置而且毫无空间关联关系。这时按照Inventor三维软件对各组件的空间位置关系的约束功能，将这些建筑物进行整体组装的时候，就很难找到约束要用到的点、线、面等元素，也很难通过具体数值将其组装在设计的位置上，并精确地对齐。因此，也需要通过骨架设计，先对其空间位置进行确定，再进行详细设计。通过这种方式，细部设计的模型无需进行组装，或者通过简单的组装就可以形成整体模型，大大降低整体组装的难度。

此外，伴随这种骨架设计产生了一个新的设计协同方式，当骨架设计形成后，各细部设计可以同时并行开展工作，可在一定程度上打破传统的上下序专业串行工作的方式，从而压缩设计周期，提高设计效率。

1.3 枢纽建筑物轴线是通过控制点坐标的连线生成的

在一些现行建筑物的设计中，是以轴线设计作为控制要素的，此类设计以各种管道最为典型。在轴线设计中，一般是以首末端的端点、中间的转弯点以及特殊变化部位的点为轴线控制的要素，这些点的连线即为建筑物的轴线，再根据轴线进行相应的管道细部设计。在利用Inventor三维软件进行设计时，一般先生成各个管道的标准件，然后通过装配形成管道整体模型。这种方法在遇到特别长的管道时，就会产生比较大的误差，其原因在于原设计是按照控制点来建立轴线，而通过标准件组装是按照各组件首尾的约束来形成整体，所以当标准件的转弯角度、管道长度是通过获取有效数字得来的数值时，会产生细微的误差，再经过较长的管道长度，就会放大这种误差，从而会使最终的末端有较大的偏差。

因此，需要通过骨架设计先按照设计思路，通过控制点建立轴线，形成管道的骨架，再通过骨架的参数生成管道细部标准件的各种参数，才能精确控制管道的走向和长度。

2 骨架设计思路

骨架既然是被定义为对工程设计方案有控制性的约束条件，因此，在设计过程中，对于骨架元素的选取和分级，也是至关重要的。

根据水利工程的设计特点，整个项目的一级骨架一般是布置图中各个枢纽建筑物的控制点，可以先确定控制点平面的x和y的坐标，z坐标代表高程坐标在一级骨架中可以先不进行定义。

二级骨架可以根据各个建筑物设计的需要，在一级骨架的基础上进行扩展，形成适合具体建筑物设计的局部坐标系，建筑物在建模时与这个局部坐标系保持一致。这样在后面的模型组装过程中只需要将建筑物模型的坐标系与二级骨架的坐标系进行重合，即完成组装工作，简单方便。

对于三级骨架，甚至四级以后的骨架，根据建筑物的复杂程度和对模型控制的需要，可以逐级进行分解。为了保证各级骨架的参数能够逐级传递，并能驱动进行自动变形调整，对于各级骨架之间的逻辑关系要有严格的引用规则，建议按照层级关系逐级引用，只能下级骨架引用上级骨架，甚至最好不跨级引用。对于上级骨架引用下级骨架要严格禁止，以保证不出现参数的循环引用问题。

骨架层级控制图如图1所示。

图1 骨架层级控制图

3 应用案例

按照上述的骨架设计思路，以输水建筑物为例，对骨架设计进行实例应用。

(1)首先根据输水建筑物的布置方案，确定各个控制点的x和y坐标。由于Inventor软件本身的计算范围限制，对于数值很大的大地坐标要进行坐标转换，使其数值相对变小，以保证计算精度。见表1，各控制点坐标已将大地坐标进行转换。

表1 控制点坐标表

在Inventor中，新建零件文件，通过Excel导入或尺寸控制，在二维草图中生成所需要的各个控制点的点对象，如图2所示，并保存成独立的零件文件，如：KZD.ipt，形成项目控制点的一级骨架。

图2 一级骨架草图

(2)输水建筑物的二级骨架，是通过Inventor衍生或者装配的功能，引用一级骨架中的输水建筑物相关的控制点对象，再根据一级骨架的控制点对象扩展出需要的点、线、面等对象，形成局部坐标系，如图3所示，保存成独立的零件文件，如：SS_KZD.ipt，形成项目控制点的二级骨架。对于z坐标高程，在二级骨架中可以根据需要进行设定。如图3所示。

图3 二级骨架草图

在衍生的功能中，如图4所示，可以将上一级骨架的点、线、面等图元对象，以及模型参数进行关联引用，传递到下一级骨架中，使得不同级别的骨架之间建立逻辑关联，便于后期修改调整时，模型可自动适应进行变形调整。

图4 衍生菜单界面图

(3)在一、二级骨架建立完成后，根据二级骨架定义的局部坐标系，即可开展单体建筑物的设计工作，并保存成独立的零件或者装配文件。在具体建筑物设计中，因不同建筑物均有各自的特点，建模方法也各异，本文中不再详细展开叙述。如图5所示，各单体建筑物建成后的成果。

图5 各单体建筑物成果图

在参数的功能中，如图6所示，可以将模型中用到的数值有选择地进行提取，作为初始的输入条件，同时将参数与骨架进行关联引用，使其与骨架建立逻辑关联，形成骨架逐级驱动并传递到具体模型的整体联动效果。

图6 参数菜单界面图

(4)最后进行整体装配，根据二级骨架定义的局部坐标系，与各个单体建筑物的坐标系进行匹配对齐。如图7所示，输水建筑物整体装配后的成果。

图7 输水建筑物整体装配图

(5)当方案修改调整，或者需要生成新的输水建筑物线路时，遵循骨架设计的模型，通过调整骨架的参数即可完成方案的修改和新方案的建立。例如，一般输水建筑物线路有可能有几条，如果各个单体建筑物仅仅是位置的差异，此时可通过调整一级骨架的控制点位置，Inventor通过骨架参数的传递和计算，对后续的二级骨架以及具体建筑物的位置进行驱动变形调整，自动生成新的输水线路模型，大大提高生产效率。如图8所示，3条输水线路的模型中，后2条仅通过调整坐标点位置即可瞬间完成设计工作。

图8 三条输水线路模型图

4 应用总结

由于骨架设计的思路是与水利工程的设计思路吻合的，因此在实际应用中，设计人员采用本方法进行三维设计不会产生较大的思路转换，在推广应用上，使用人员的认可度很高。另外，骨架设计需要事先对三维设计思路进行梳理，才能提取出骨架设计需要的参数信息，所以使得三维设计中的参数、对象等逻辑关联关系引用清晰，不易产生混乱，模型变形调整能力强。

在骨架设计思路的框架下，还可以延伸搭建标准件库，通过规范化、参数化的模型库，与骨架参数进行联动，使得标准件可以按照骨架自适应变形，满足设计需要。在此技术框架下，逐步积累模型库，可以使三维设计更加便捷和智能。