土建计算模型转PDMS三维模型应用技术探讨

肖 南 张晨征 郭 泳

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

土建计算模型转PDMS三维模型应用技术探讨

肖 南 张晨征 郭 泳

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

针对电厂设计土建专业参与三维协同过程中遇到的建模困难问题，提出了土建计算模型转三维模型的技术方案和流程，基于PDMS三维设计平台，采用模型转换软件接口进行了实际工程应用，大幅提高了建模效率，保证了工程质量，取得了良好的效果。

PDMS，电厂设计，土建计算模型，三维模型，转换接口

0 引言

在火电和核电设计领域中，计算机辅助设计已从传统的二维设计手段发展到人机交互式的、高度集成化的、智能化的三维协同设计阶段[1,2]。

三维协同设计要求多个专业在统一的平台上共同工作，其中土建专业的参与和应用非常重要。三维协同设计以布置设计为主，机务、电气、热控、暖通等专业都要在土建结构梁、柱、墙、板三维模型的基础上开展工作，土建专业三维模型给工艺专业提供设计参照[3]。

许多科研和设计人员对土建三维协同设计的应用做了思考和研究。邓志坚等[4]研究了PDMS建库原理，结合中国土建规范，建立了较完备的PDMS土建元件库和等级库，使土建三维建模具备了基础条件；祝黎[5]将PKPM-PDMS三维接口技术应用在电厂渣水加药间、1号转运站、碎煤机的工程卷册中，对模型转换技术做了尝试；王守利[6]研究了土建三维模型层次的命名规则，尝试了层次命名的自动化实现；袁泉等[7,8]在研究三维模型和结构计算模型传递接口的基础上，提出了新的土建结构设计流程；苏阳等[9]从三维建模、三维提资、三维收资、模型校核、碰撞检查、模型校审、出图等方面探讨了土建数据在三维协同设计平台中的流转。谢华[3]在比较传统设计和三维协同设计差别的基础上，指出了三维模型数据的自由流动性，土建专业可以在工艺荷载、楼面荷载、预埋件等方面受益。

但是，目前土建结构专业在参与三维协同设计的过程中，仍存在着诸多困难：

1)事后抄模。即将成品CAD图纸中的模型重新在三维平台中建立一遍，配合工艺专业做检碰，而不是在三维平台中完成设计，根据三维模型抽出成品图纸。

2)重复建模。在结构计算软件中，需要建立三维计算模型，进行力学分析，完成强度刚度稳定性检验校核。在三维建模过程中，结构计算模型的价值无法利用，导致建模工作重复。

3)建模效率低。目前主流三维平台虽然都提供了土建结构建模功能，但操作繁琐，且设计习惯与国内软件相差较大，导致设计人员掌握难度大，建模效率低。

为解决以上问题，本文提出了土建结构计算模型转换为三维模型的技术方案，并基于PDMS三维设计平台，采用盈建科转换接口进行了实际工程应用，取得了良好的效果。

1 土建计算模型转三维模型技术方案

1.1 概述

土建计算模型转三维模型分两种应用场景：1)计算模型初次导入三维设计平台，形成对应的三维模型，流程图如图1所示；2)计算模型和三维模型局部发生变化时，计算模型中变化的部分能更新到三维模型中，三维模型中的变化部分在更新后能被保留下来，流程图如图2所示。下面对这两部分技术方案分别做介绍。

1.2 计算模型导入到三维模型

1.2.1 构件截面库的匹配

模型构件截面库的匹配是模型转换的基础和前提，必须将结构计算软件中的各种类型的截面与三维软件中的截面对应起来。

计算模型的截面库[10]以PKPM为例，如图3所示；三维模型的截面库[4]以PDMS为例，如图4所示。两者之间的匹配关系见表1。

另外需注意，对于形状相同的截面，两个中性轴也必须匹配，否则会导致截面方向和位置错误。

1.2.2 构件坐标的正确转换

结构计算模型中，结构构件一般简化为直线段，构件的起点和终点坐标按构件的中性轴计算，构件和构件直接按端点相连，相交节点处的尺寸没有考虑扣除。而在三维模型中，构件均为实体模型，必须正确处理构件之间的连接关系，扣除构件节点的尺寸，这样才不会引起构件之间的碰撞，如图5所示。

在电厂主厂房结构中，还存在大量的构件偏心和对齐。在结构计算模型中，构件的偏心一般采用轴线的坐标加上构件相对于轴线的偏心来考虑；而在三维模型中，构件的偏心直接体现在构件的起点和终点坐标上，模型转换过程中应注意区别和联系。

表1 PKPM截面与PDMS对应关系表

另外，在三维模型中，每根构件都有PLine线和对齐属性[11]。模型转换时，根据实际情况灵活设置，可简化坐标换算，方便的实现梁顶与柱顶对齐，梁边与柱边对齐等效果，如图6所示。

1.2.3 对计算模型整体的平移和旋转

三维模型要体现出电厂的全貌，包含多个建(构)筑物且主厂房内包含多个机组的厂房。在建立结构计算模型时，每个建(构)筑物会分别建模计算，主厂房的每个机组也会分别建模计算。在将计算模型导入到三维平台的过程中，需要将多个计算模型合并为一个三维模型，这时需要指定导入模型的插入点位置和对应的坐标，还需要指定导入模型的局部坐标系对应于全厂坐标系的方位角，这样才能正确的将计算模型转换为三维模型，为工程应用服务。

1.2.4 模型层次结构的划分

计算模型中，构件常用的分类方式有以下几种：1)按构件类型分：梁、柱、墙、板；2)按层高分：地面、中间层、运转层……顶层；3)按构件材料分：混凝土、钢、钢骨混凝土；4)按截面形状分：矩形、工字形、槽形、圆管形等。

在三维平台中，为满足管理大量模型的要求，结构模型按Site，Zone，Frame，SubFrame，Section存放在不同的层次结构中；同时，为了按卷册绘制施工图的要求，将主厂房结构按区域做了划分，如：A列柱、汽机房、除氧煤仓间，中间层、运转层等。

由于计算模型和三维模型对构件分类方式的不同，在模型转换过程中会有一些障碍。转换过程中，需将计算模型中的全部信息抽取出来，再根据三维模型的要求划分区域，划分层次，满足工程应用的要求。

1.3 计算模型局部更新到三维模型

通过上节所述的计算模型转换三维模型的技术，替代了土建设计师手工抄模建立三维模型的过程，发挥了计算模型的价值，提高了三维建模效率。

但在实际应用中还存在以下情况：

1)导入的三维模型中，只包含梁、柱、支撑、楼板等构件，需要在初次导入的模型中，在三维模型中增加牛腿、挑耳、埋件、孔洞等细部构件；

2)在结构设计的过程中，计算模型也不是一次完成的。在设计不断深化的过程中，需要改变构件的截面尺寸，移动构件的位置，增加一些次要构件；

3)将修改后的计算模型再次导入三维平台后，在原三维模型中新增的细部构件都不存在了。

为解决上述问题，需要实现计算模型到三维模型的局部更新功能。该功能要求计算模型和三维模型中的构件信息建立对应的索引关系，如图7所示。模型更新时，先判断构件是否发生了变化，仅对于发生变化的构件，用计算模型中的构件替换三维模型中的构件，其他三维模型则保持不变，如图8所示。这样既实现了计算模型的更新，又保证了在三维模型中新增的细部构件的存在，保证已完成的工作成果不受损失。更新完成之后，需输出详细的更新报告，报告中应指出，新增了哪些构件，删除了哪些构件，修改了哪些构件及这些构件的属性变化情况。

2 模型转换应用实例

基于计算模型转三维模型的技术要求，开展转换软件的选型。经调研，目前能实现模型转换功能的软件有盈建科、探索者、迈达斯等。其中，盈建科模型转换接口的功能与上述要求比较符合，下面采用该接口进行实际工程的应用。

2.1 工程概况

测试项目采用新疆天山电力奇台热电联产一期2×350 MW工程，其厂址位于昌吉回族自治州奇台县城东北方向拟建的喇嘛湖梁工业园内。主厂房按两机两炉超临界空冷燃煤发电机组进行设计，布置方式为汽机房—除氧间—煤仓间—锅炉顺列布置，汽轮发电机组纵向布置。主厂房采用现浇钢筋混凝土结构。厂房横向由A列柱—汽机房屋盖—除氧煤仓间框架组成框排架结构体系，纵向采用钢筋混凝土框架支撑结构体系。汽机平台采用现浇钢筋混凝土框架结构，平台与A，B柱之间通过牛腿交接连接。

2.2 主厂房计算模型导入三维平台

主厂房1号机的PKPM计算模型如图9所示；2号机的PKPM计算模型如图10所示。将计算模型通过转换接口转为PDMS三维模型，如图11所示。经校核，转换后的三维模型中：构件截面匹配正确，构件位置坐标正确，构件的偏心和对齐能正确处理，1号机和2号机通过模型整体平移指定插入点，正确的组合在一起。

2.3 主厂房计算模型局部更新到三维平台

在主厂房1号机PKPM模型使用局部更新功能。原始计算模型如图12所示，构件局部修改后模型如图13所示，从左到右依次为：移动次梁位置、删除次梁、增加次梁。经校核，计算模型的局部修改正确的更新到了三维模型中，如图14所示。同时，在三维模型中手工建立的牛腿、埋件、孔洞等细部构件，在模型更新后被保留，如图15所示。

2.4 应用效果

该模型转换技术能保证计算模型和三维模型的一致性，且能随着设计不断深入保持三维模型的实时更新，保证了设计质量。同时，该技术能极大提高三维建模效率，以主厂房为例，原来手工建立三维土建模型需花费约2周时间，采用模型转换技术后，1 d就能建立模型。若考虑到后期三维模型的更新和维护，厂区内主厂房之外的内建(构)筑物的三维建模，节省的时间会更多。

3 结语

工程测试和应用表明，土建计算模型转三维模型的技术方案是切实可行的。采用该转换技术，能充分利用土建计算模型的价值，避免重复建模和事后抄模，大幅提高三维建模效率，保证了三维平台中土建模型的及时性和正确性，满足了工艺专业的检碰需求，提高了整体工程质量。同时，为下一步利用三维平台进行孔洞、埋件提资，利用三维模型抽框架外形图和楼板布置图打下了基础。目前该技术在国核电力规划设计研究院已成功应用于多个国内外项目，取得了良好的应用效果。

[1] 张明志,郝 倩.浅析PDMS三维布置设计在火电项目中的应用[J].中国工程咨询，2009(7):18-19.

[2] 鲁勤武.基于PDMS平台的核电工程模块三维设计系统研究开发[J].中国核科学进展技术报告核能动力分卷(上)，2011(2):338-343.

[3] 谢 华.PDMS在土建结构设计中的应用[J].武汉大学学报(工学版)，2006(39):184-187.

[4] 邓志坚,张汉东.三维工厂设计软件VANTAGE PDMS在土建专业的二次开发及应用[J].安徽建筑，2006(1):118-121.

[5] 祝 黎.PKPM-PDMS三维接口技术应用的研究[J].山东电力技术，2010(1):57-58.

[6] 王守利.关于土建专业三维模型层次自动命名的研究[J].电气技术，2013(3):24-25.

[7] 袁 泉,李丙益.三维工厂设计中结构设计流程的探讨[J].武汉大学学报(工学版)，2007，40(sup):289-292.

[8] 袁 泉,李丙益.火力发电厂主厂房三维结构布置设计探讨[J].武汉大学学报(工学版)，2008,41(sup):1-4.

[9] 苏 阳,孔祥宇.土建专业三维平台数据流转的实践[J].武汉大学学报(工学版)，2011,44(sup):139-141.

[10] 中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部.结构平面CAD软件用户手册及技术条件[Z].2013:55-59.

[11] AVEVA.Structural Design User Guide[Z].Cambridge,UK.2007.

Application technology of civil calculation model converting PDMS 3D model

Xiao Nan Zhang Chenzheng Guo Yong

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute,Beijing100095,China)

According to the difficult of civil modeling in design of power plant involved in 3D collaborative process, technical scheme and flow chart of civil calculation model converting 3D model is proposed, and based on PDMS 3D design platform and model transformation software, this converting technology is utilized in actual project. It greatly improved the efficiency of modeling, ensured the engineering quality, achieved good effect.

PDMS, power plant design, civil calculation model, 3D model, conversion interface

1009-6825(2015)07-0254-04

2014-12-23

肖 南(1982- )，男，工程师； 张晨征(1981- )，男，工程师； 郭 泳(1988- )，男，助理工程师

TP301

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