拱坝三维可视化设计软件工程制图系统研究

拱坝三维可视化设计软件工程制图系统研究 魏群1,张国新2,尉军耀3,李蒲健3,熊登峪3,彭校初2 (1. 华北水利水电学院 ,郑州450011; 2.中国水利水电科学研究院 ,北京100044; 3.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院) 摘要：把计算机技术、图形技术同拱坝设计的标准规范结合，在三维CAD系统中准确建立拱坝的三维实体信息模型、廊道配筋模型等等，同时自动化程度较高地完成详图的设计，节约成本，提高设计效率，对拱坝设计水平设计效率是个很大的提升。本文介绍了作者开发的拱坝三维可视化设计工程制图系统主要内容及关键技术，同时也给出了系统应用实例的部分成果。 关键词: 图形技术;三维CAD;三维实体信息模型;拱坝 中图分类号:  TV312    文献标志码:  A    文章编号: Development and Application of Three-Dimensional Visual Modeling Design Software of Arch Dam WEI Qun1, Zhang Guo-xin2, Wei Jun-yao 3,  Li Pu-jian 3, Xiong Deng-yu3, Peng Xiao-chu2 (1. North China University of Water Conservancy and Electric Power，Zhengzhou，450045; 2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100088, China; 3. Northwest Hydro Consulting Engineer, CHECGC, Xi’an 710000, China) Abstract: It's an inevitable way of lowing cost, promoting design quality and efficiency by combining computer technology, graphic technology, web technology, virtual reality technology and standards of every specialty to express the complicated space structure in the 3D space of CAD system with the exact digital model to solve the problems in the design of water-Power Engineering, construction and management, and optimization perform in advance. The key technologies of arch dam’s 3D visual modeling software are introduced and some examples are given in this paper. Key words: digitalization; three-dimension visualization; simulation design; arch dam 1.引言 拱坝设计经过科研设计人员不断的努力，拱坝体型设计方法和应力分析方法已经成熟[1]，基于拱梁分载法和有限元等效应力的体型优化软件，已将工程师的从体型比选时大量繁杂的工作中解放出来。目前拱坝设计与施工的大量图纸仍然是工程师用现有的CAD软件，基本上是采用手工绘制的模式，工作量极大且容易出错。如何将拱坝设计中的坝体选型，分析与出图结合，形成一体化自动化较高的三维设计、出图CAD系统软件，一直以来是工程师们梦寐以求的事情。 本课题组研发的拱坝三维可视化仿真设计软件已成功解决了拱坝三维建模问题[2][3][4]。把计算机技术、图形技术同拱坝设计的标准规范结合，在三维CAD系统中准确建立拱坝的三维实体信息模型、廊道配筋模型等等。在此工作基础上，我们又进行了自动绘制工程图、文档管理的研发工作，根据目前的成果表明，该软件可以自动化程度较高地完成施工详图的设计，节约成本，提高设计效率，对拱坝设计水平设计效率是个很大的提升。 2.基于三维实体信息模型的制图方法简介 三维实体信息模型（3DSIM，3DSolid Information Model），是在计算机中对实体对象的三维数字化表示，也就把该实体表示成具有计算机可读性、可分辨性的模型（可在计算机中进行唯一处理）。任何模型的形态，都可以看作是由三维实体信息模型构成的组合体。用来描述模型的形状、尺寸大小、位置、与结构关系等信息形成了三维实体信息模型的元素。 以拱坝三维CAD可视化设计为例，当用户使用拱坝三维CAD可视化设计与制图软件系统进行拱坝设计时，首先在三维环境下开始设计工作，在“参数化的三维部件模型系统”下，三维部件的设计变得既直观又快捷。伴随着部件的设计过程，三维实体信息模型也就同时产生了。三维实体信息模型是生成二维工程图纸的唯一数据来源。三维实体信息模型不仅包括了模型的几何和拓扑信息还包括特征、尺寸、公差、属性、关系等信息。因此在生成图纸时，不仅可以自动产生各种二维视图的几何数据，同时也可根据用户需求生成各种标注和属性数据。 3.拱坝三维可视化设计与制图软件系统—图形输出模块的基本架构和处理技术 3.1图形输出模块整体架构 图3.1 图形输出模块整体架构 Fig 3.1 Mainframe of Graphic Output Module 本软件系统基于Autodesk Civil 3D平台，应用objectARX, VB.Net, VB, VBA, Vlisp等多种语言作为开发工具，通过Autodesk Civil 3D的API接口，利用ActiveX技术，解决不同软件系统内部对接问题，以MS Access或MS SQL Server数据库存储数据。本软件图形输出模块出图样式完全按照中国水电顾问集团西北勘测设计研究院的生产要求。 3.2 三维实体信息模型数据存储技术                  本软件系统提出了适合拱坝设计的数据存储模式，直接将三维实体模型、表面模型或混合模型与数据库直接“link”起来。图形数据信息主要包括两部分内容：剖面属性数据和路径数据。前者是用来记录实体设计的形状信息和相应的物理属性参数包括控制剖面形状的数据信息；后者用来记录实体的几何信息（起始点、结束点、局部坐标系，或者拉伸路径）。通过规定各剖面控制点的存储顺序，依次存入各空间位置的控制点坐标，保存了三维控制点的网络骨架。 AutoCAD图形中的扩展数据的标识方法是控制实体模型有效的方法。扩展数据把水电工程专业所需的属性和标识符附加于图形之中，通过超链接或开发的专用程序加以调用修改。实体扩展数据存储规则按照统一的要求： 命名名称_实体handle_控制点个数_控制点连接形式_{_Pnt1_Pnt2_......._Pnt1’_Pnt2’_........_}_ {_放样形式_路径控制点个数_UCS原点_UCSX轴矢量_UCSY轴矢量_PPnt1_PPnt2_......_}_ {_剖面类型_剖面名称_参数1_参数1值_......_参数n_参数n值_} 例如： 参数 描述 类型 命名名称 代表的实体名称，如ard_牛腿1_3dfde 字符串 实体handle 代表实体在CAD空间的唯一标识，由CAD空间产生,如3dfde 字符串 控制点个数 代表剖面控制点个数 正数 控制点连接形式 代表剖面控制点之间的连接关系，如1111011 字符串 Pnt1….. 代表剖面控制点的世界坐标，如(23.23,54.33,2345) 字符串 放样形式 代表实体放样方式,如直线型Beeline 字符串 路径控制点个数 代表实体放样路径控制点数 正数 UCS原点 代表实体局部坐标系原点坐标，如(23.23,54.33,2345) 字符串 UCSX轴矢量 代表实体局部坐标系X轴方向矢量，如(0,0,1) 字符串 UCSY轴矢量 代表实体局部坐标系Y轴方向矢量，如(0,0,1) 字符串 PPnt1….. 代表路径控制点的世界坐标，如(23.23,54.33,2345) 字符串 剖面类型 代表截面所属截面分类 字符串 剖面名称 代表实体放样截面的名称 字符串 参数1….. 代表剖面控制参数名称 字符串 参数1值….. 代表剖面控制参数值 字符串       本程序系统采用统一的数据格式，易于获得实体轮廓，克服了由于实体模型数据过于臃肿带来的数据存储问题。同时，利用统一的数据格式还可方便地判断多段线与指定的空间平面的交点，为判断实体的几何位置提供了方便。 3.3 视图视口处理技术 在拱坝三维可视化设计与制图软件系统—图形输出模块中，采用了Autodesk Civil3D特有的布局空间进行视口视图布置以及剖切标注，其算法如图3.2和开发的功能界面如图3.3。 在拱坝三维可视化设计与制图软件系统—图形输出模块中，存在两种类型视图，一种为含有明确的投影方向信息的视图，如某坝段某高程区间平面图为典型的俯视图，其视图矢量为（0，0，1）；一种为剖切视图：是指用一个平面切开三维实体，然后在指定方向上投影并进行剖面填充所生成的视图。这些相交平面（又称剖切平面）可以由用户在三维设计环境中创建，也可以用户在直接在二维视图内创建剖切线生成剖视图。在图形输出系统中廊道配筋剖面切割、路径切割、底板切割为典型的剖切视图。 图3.2 图形输出设计流程                                图3.3 图形输出功能界面 Fig 3.2 Process of Graphic Output                    Fig 3.3 Interface of Graphic Output Function 二维视图自动生成的基本原理是：三维实体信息模型在某一个观察方向上经过剖切和投影变换后，转换到二维视图坐标中，再将二维视图坐标变换到布局空间坐标，进行图纸信息设置及相应的尺寸标注设置。其算法流程如图3.4： 图3.2 图形输出添加视口及视图 Fig 3.2 Process of View And Viewport 3.4 标注自动生成技术 三维实体信息模型一般也会包含尺寸、公差、粗糙度等标注的数字信息，这些参数和几何信息、位置信息同等重要。图形输出时用户不必再去重复这些枯燥的标注操作，系统提供自动生成标注的能力。 生成自动标注的基本思路为：剖切变换、标注赋值、符合样式。剖切变换是指将剖切三维实体信息模型产生的剖面经由世界坐标系到视图坐标系变换，再从视图坐标系到布局空间坐标系的变换；标注赋值是指对剖切剖面的标注方式的判断以及对标注控制点的求解，合理标注。由于图纸中的各种标注必须符合样式，因此标注赋值过程中系统还必须进行一些标准化（主要是指符合某一设计单位的出图习惯要求）处理和调整才能达到生产要求。 由于标注尺寸的数量一般相对较多，在投影和标准化处理后还要考虑综合布局及出图习惯，使得尺寸间尽量无重叠、无干涉、分布清晰合理。 3.5属性标注技术 属性值主要指三维实体信息模型的类别、钢筋的材料等等参数。这些参数在标注的过程中赋值。虽然属性值的生成方法比较简单，而且对用户来说一般也是透明的，系统充分利用三维实体信息模型的属性信息，对于自动生成廊道配筋钢筋表、生成钢筋用量表以及标注钢筋标号也是非常重要的。 4.应用实例 结合以往研究成果,简要介绍利用本课题组开发的软件系统应用到拉西瓦水利水电工程图形输出中的部分成果。拉西瓦水电站是黄河上游干流龙羊峡～青铜峡段中的第二个梯级水电站，坝型为对数螺线型，拉西瓦拱坝三维实体信息模型利用本软件系统建立完成。首先启动Auspic ArchDam应用程序，进去系统后在详图设计子系统下，利用详图输出功能，界面（见图3.3），完成对某坝段某高程区间体型图、某横缝某高程区间接缝灌浆图、某坝段某高程廊道配筋图、深孔底孔体型及分层分块图、表孔体型及分层分块图，其中2425-2455高程区间体型图已经应用到拉西瓦水电站工程中。图4.1为部分图形输出结果。 a.某坝段某高程区间平面图                  b.某坝段某高程区间剖面图 c. 某坝段某高程廊道配筋图                  d .右表孔体型及分层分块图 图4.1 图形输出结果 Fig 4.1 Results of Graphic Output 5 结束语 拱坝三维可视化设计软件工程制图系统的开发研制，为高效、准确地完成拱坝设计施工详图的产生提供了有力的手段。所有工程图从三维模型中直接产生输出，大大减少设计人员的设计工作量和劳动强度。将其与拱坝三维设计软件建模系统同时应用，使拱坝设计实现了从二维设计到三维设计的转变。同时为从事水电设计的人员提供了一个实用快捷的数字化平台，该系统的应用将会提升设计院的设计水平，缩短设计周期，降低成本。使设计向深层次专业化发展走出了关键的一步。 参考文献 [1] 魏群,张国新,蔚军耀,李蒲健,熊登峪,彭校初.拱坝三维CAD可视化设计与制图软件系统—可行性研究[R].01,华北水利水电学院: 华北水利水电学院,2007 (6). [2] 魏群,李蒲健,孙凯,刘志菊.拱坝三维CAD可视化设计与制图软件系统—阶段[R].02,华北水利水电学院: 华北水利水电学院,2008 (10). [3] 魏群,李蒲健,孙凯.拱坝三维CAD可视化设计与制图软件系统—详细设计研究报告[R].03,华北水利水电学院: 华北水利水电学院,2009 (6). [4] 魏群,张国新,蔚军耀,李蒲健,熊登峪,彭校初.拱坝三维可视化设计建模软件的开发与应用[J].天津大学学报,2008 (9):1087-1090. Wei Qun,Zhang Guo-xin,Wei Jun-yao ,Li Pu-jian,Xiong Deng-yu,Peng Xiao-chu. Development and Application of Three-Dimensional Visual Design Software of Arch Dam [J]. Journal of Tianjin University,2008 (9):1087-1090. [5] Kelda Rollin, Alejandro C. Enhancing the experience of 3D virtual worlds with a cartographic generalization approach [J]，The Visual Computer,vol.23, No.6, 64-65, 2007. [6] Christian Grosse, Christoph Gehlen. Sensing methods in civil engineering for an efficient construction management [J]. Advances in Construction Materials, vol.20, No.2, 58-59, 2007. [7] Qun wei. “CIS2CAD”Research Report[R], 2003, Auspic Research Center, Canada. [8] Qun wei. Application study of the database technology for storing and accessing CIS/2 data[R],2003, Auspic Research Center ,Canada. [9] Qun wei. CIS/2 steel structure standards and applications in CAD system[C].2nd China International Steel Construction Congress, 2005: 87-96. [10] 魏群.逻辑产品模型的研究与应用[C].新世纪水利工程科技前沿,2005:586-596. Qun wei. Study on logical product model and its application[C].Science and Technology Frontiers of Hydraulic Engineering in the New Century, 2005:586-596(in Chinese). [11] 张国新,许平,杨波,朱伯芳.整体拱坝的仿真与可行温控措施[J].水利水电技术,2002 (11):19-22. Zhang Guoxin,Xu Ping,Yang Bo,Zhu Bofang. Stress Analysis Simulating the Construction Process of High Concrete Dams[J];Water Resources and Hydropower Engineering, 2002 (11):19-22 (in Chinese). [12] Guoxin Zhang,Yasuhoto sugiura et al. Study on the propagation of cracks in dams and rock foundation[J].Jounrnal of JSDE,vol.11,no.2,95-105,2001. [13] Zhang,G.X., sugiura,Y.and Hasegawa,H.And Chen ,F.Q. Crack propagation by manifold and singular boundary element method[C]. Computational Mechanics: Techniques and Developments, edited by B.H.V.Topping,Civil_Comp Press ,pp61-68,Aug,2000.