CAD三维建模技术在水工建筑中的应用

赵付鹏，李海龙，马春艳

(中国水利水电第三工程局有限公司四川分局，成都，610045)

1 概述

随着社会的发展和时代的进步，各领域的办公自动化已经提升至一个较高的水平，随之工程领域的办公自动化水平也取得了较大的突破和进展，各工程项目的结算系统也由过去的纯人工制表结算方式转型为计算机系统结算方式，不但大大提高了各环节的工作效率，同时也减少了由于人为因素导致的误差。但计算机结算系统要求预先将设计图纸中的工程量分单元输入系统，通过实际完成的工程量与之对比进行结算，这就要求设计图纸工程量的计算要准确无误，才能在最大限度内达到设计与实际平衡。但在水工结构中，一些呈曲线变化的结构体型是无法采用常规计算方式将其工程量计算得准确无误。CAD三维建模技术可以发挥其强大的功效和优越性，能够精确计算一些结构物采用常规计算方法无法计算出的工程量。

CAD三维建模技术是随着建模技术的需要在二维建模技术的基础上衍生出来的产品，是在二维制图的基础上完成的。通过二维建模及技术事先完成某施工部位的平面图或剖面图，通过拉伸命令来形成其主要框架，再按某些特定部位的体型要求，通过布尔运算来达到设计者想要完成的特殊形状和想要达到的目的。

CAD三维模型不但可以准确显示结构物的体型变化规律，多方位的观察结构物的各部位形状，计算结构物的体积、质量，而且还可以计算结构物的质心、惯性矩、惯性积以及回转半径等;以此为基础则可以进一步进行结构物的应力应变分析、构件质量属性分析、运动分析、装配干涉分析等，为建筑结构的设计、构件吊装等领域提供更有力的技术指导和理论支持。

2 CAD三维建模

CAD的三维建模技术与二维建模计算基本相似，不同之处只是增加了一些特定的三维建模命令，简单结构物的三维建模都可以在二维建模的基础上通过拉伸命令来完成。而在水工建筑物中，像尾水管、蜗壳、渐变段等不规则体型的建模，采用常规的三维建模方式很难完成，为此下面就以某水电站尾水管的三维建模实例，简要介绍不规则体型的三维建模过程。

2.1 尾水管单线图断面尺寸

尾水管单线图断面尺寸见表1

表1 尾水管断面尺寸

2.2 坐标尺寸位置

尾水管单线图坐标尺寸见图1，尾水管典型剖面见图2。

2.3 建模

熟悉二维建模的设计者想必都清楚图层的建立在CAD建模过程中的重要性，在这里不再详述。但初接触CAD建模的设计者，建议应至少建立两个图层:一个辅助图层和一个主绘图图层。做好建模辅助线后，将辅助线图层锁定，以方便后期建模过程中快速选取。另外，因绘图习惯不同，笔者在三维建模时习惯将绘图区划分为四个视口进行绘图，分别为俯视、主视、左视和动态观察区。此四个视口显示的绘图内容均为同一内容，只是观察角度不同，这样可以减小在建模过程中因线条过多造成的视觉误差。

2.3.1 辅助线绘制

辅助线在辅助图层中绘制，绘制辅助线主要为了方便查找建模原型的移动基准点。辅助线是在绘图区内画一条任意尺寸的短直线或点 (建议采用短直线，点在绘图区视觉效果较差，如果点的相对式样较大，又容易选取到点的边界)，将辅助线绘制好后，新建坐标圆点 (UCS)在短直线端点处。上述过程结束后将辅助图层锁定。

2.3.2 二维建模

二维建模在主绘图图层绘制，可选则键盘输入命令，也可选择快捷键绘制。现以输入命令为例，具体绘制过程如下:

①绘制断面1

在俯视图内绘制半径为6491的圆:

输入:circ1e(c)↙

输入:0，0↙

输入:6491↙

将在主视图内将绘制的圆向下移动12587

输入:move(m)↙

选取绘制好的圆↙

输入:0，0↙

输入:0，-12587↙

就此完成断面1的二维建模。

②绘制断面2

在俯视图内绘制半径为6526的圆角矩形

输入:rectang(rec)↙

输入:0，0↙

输入:@13052，13816↙

输入:fi11et(f)↙

输入:r↙

输入:6526↙

选取矩形一个角的两边，将其倒成圆角。

重复上述命令，将矩形各角倒成圆角。

在主视图内将绘制好的圆角矩形移动至指定位置:

输入:1ine(1)↙

输入:0，-14084↙

输入:138，-14084↙

将绘制好的圆角矩形拾取中心点后移动至上步绘制直线的末端，步骤同上。

将绘制好的圆角矩形旋转指定角度，以达到建模要求:

输入:1ine(1)↙

输入:6565，0，↙

输入:6565，-12950↙

输入:rotate(ro)↙

选取圆角矩形↙

输入:138，-14084↙

输入:6565，-12950↙

就此完成断面2的二维建模。

2.3.3 三维建模

三维建模是以二维建模为基础的，具体操作步骤如下:

输入:1oft↙

拾取已绘制好的两个二维模型↙

输入:c↙↙

就此完成断面1和断面2之间的三维建模。

重复上述步骤，完成剩余所有断面的二维建模，进而完成整个尾水管的三维建模。整个尾水管三维建模完成后的效果见图3。

图3 尾水管三维建模效果图

注:上述步骤中括号内符号为该命令的简捷命令，回车可以用空格代替。

3 三维建模技术的推广和应用

3.1 三维建模技术的优点

(1)表达直观 (所见即所得)，将有效提高设计质量;

(2)一个数据源，可用作多种用途，为协同并行工作提供条件，提高团队工作效率;

(3)可有效集成设计知识，包括规则性知识和过程性知识，促进知识重用，减轻设计工作量，为自动设计打下基础;

(4)模型关联，有效保证数据的统一性和准确性;

(5)参数化设计的主题是关系和大小，先确定各构件的装配关系，之后驱动他们到要求的大小。

3.2 针对特殊体型的效果

三维建模技术不但从直观上展现了构件的表观特性以及体型变化规律，还可以从任意角度、任意方位观察构件内部特性和变化规律，更重要的是像水工建筑物中尾水管这种体型变化特殊的建筑，其周边钢筋布置同样体现出了变化的不规则性，给钢筋的下料和加工带来了较大施工难度。但采用CAD三维建模技术作出三维模型后，则可以截取任意位置、任意角度的截面，同比例放大后即可得到该断面钢筋的布置形式，给钢筋的下料和加工提供准确的数据指导。另外，三维建模技术还可以进行仓面设计，采用三维立体模型作出仓内所有埋件及钢筋的位置，能很直观地看出各构件的相互关系和干扰状况，防患于未然。