金属结构数字化设计探索

邵飞

上海勘测设计研究院有限公司 上海 200434

金属结构为水利水电工程中不可或缺的专业，在防洪、泄洪、引水、发电中起着重要作用。金属结构中常用闸门形式较为固定，如平面闸门、弧形闸门、人字门、三角门等，但在设计中随着设计条件多变，如孔口尺寸、设计水位等变化，带来闸门的大小多变，为典型的非标化设计，在非标化设计中，我们一直在探索总结最为便捷的设计思路。

金属结构数字化设计依附于三维软件来实现，目前国内用于金属结构设计的软件主要为机械类设计软件，常见的有Autodesk Inventor、UG、ProE、Catia、SolidWorks等。上海院金属结构专业三维设计采用达索公司的SolidWorks三维设计软件，与C平台CATIA软件出于同一家公司。SolidWorks建模包含零件建模、装配体建模、工程图绘制，SolidWorks在满足一般设计要求的同时，可进行参数化建模，正向设计等。

根据设计阶段的不同，金结专业对模型的要求也不同，按照可研设计、初步设计、施工图设计三个阶段的要求，可从三维设计、标准件、参数化元件、系列化元件、模型库、正向设计开发等。对金属结构设计进行系统规划，具体如下：

图1 金属结构三维设计系统示意

1 三维设计

对于较为复杂，或没有现有模型的工程亦采用三维设计，作为机械设计软件常见的建模方式为装配式建模亦称自下而上建模，对每一个零件单独建模，完成所有零件绘制后，采用装配方式完成装配体设计。

而自上而下的建模方法属于快速建模一种，该方法从顶层装配体开始设计，根据装配体草图，对零件进行绘制、最大优势可采用绝对坐标位置，无须进行装配操作。为三维设计节省了近一半操作时间[1]。

2 标准件库

随着设计项目以及设计经验的累积，我们在设计中经常使用到与之前相同的模块，这事我们对于标准件模块的自然会提出需求，此时可以将常用的样本，如水封、启闭机等常用部件绘制成册，作为定型产品以供后续使用。

同样标准件模块不仅涵盖模型，模型结构需要进行计算，而计算稿宜可编制为范本文件作为标准来参考执行，这样大大节省设计人员的编制算稿时间。

3 参数化与系列化

在设计中经常遇见孔口尺寸只有500mm或者更小的差异，这种尺寸变化对结构应力应变没有太大的影响，我们需要的就是简单改变某个零件尺寸就能达到设计要求。因此对于形式固定的非标产品，我们可以采用参数化元件进行设计、将变动的尺寸进行控制管理，为后续模型节省大量时间。

在参数化发展的同时，我们发现尺寸变动的随意性过大，每个人的设计经验与理念会带来设计产品的微小差异，因此我们需要减少可变量，为参数化开发制定常用规则，避免个性化设计。

在经历以上由繁到简的参数筛选后，我们发现某些部件完全无须参数设计，只需要给定几个常规的大小尺寸即可，如悬臂轮，从直接400mm到1200mm我们可以采用100整数倍来控制，这样只需要9种规格控制，对于与水工专业门槽的配合因为轮径大小固定，门槽的大小也会固定，大大节省了时间。因此对悬臂轮、搁门器、滑块、水封等均可以采用系列化设计。

对于以上零部件，我们可以形成自己的模型库，通过调用模型库文件，实现三维设计。

4 正向设计开发

基于三维设计、标准件、参数化、系列化元件的发展，模型库应涵盖各种门型零部件以及启闭设备，通过调用模型库中部件，组合成定型产品供可研阶段与初步设计阶段选择使用。

对于模型库中部件，如果需要精确为施工图服务，我们需要对元件进行参数化管理，宜采用统一的内部尺寸联动形式。方便后续同类型的产品进行调整或者开发。

以上操作仍然需要大量工作，对于正向设计开发，应该满足施工图阶段的设计要求，根据设计输入参数，能实现自动计算，完成核验结果，并输出计算书，同时能够得到相应的模型与施工图纸。正向设计可按照不同门型逐一进行开发，需要掌握SolidWorks参数化设计与二次开发，有一定的编程能力，同时需要将计算范本、系列化零件设计、参数化模型等知识通过最少的参数串联到一起，需要熟悉规范设计，例如对工况设计选取，计算方法选取等有较高的专业知识能力。

5 正向设计开发示例

笔者通过数字化正向设计理念，将以上三维设计、标准件库、参数化与系列化元件方法进行串联，结合科标业参数化泵闸项目，完成了升卧式闸门参数化正向设计示例开发工作，示例如图2所示。

图2 正向设计开发示例

软件基于Visual Studio采用C Sharp语言编写，包含了采用C Sharp语言对Word进行操作，与采用C Sharp语言对SolidWorks模型进行二次开发，程序开发主要分为三步完成，包含资料输入、参数拟定、成果输出。具体如下：

（1）资料输入：对于水工与规划专业提供的资料，我们需要进行参数的输入工作，其中tabcontrol第一页为其他专业提供输入资料，根据此项资料，可以确定闸门外形尺寸，所受水压力荷载等。

（2）参数拟定：对于参数化设计而言，我们需要拟定出参变量，将tabcontrol第二页到第四页按照设计顺序，拟定了闸门设计中的参变量，此处为二次开发重点内容，模型内包含系列化元件、参数化元件，我们通过三个页面内的参数对模型进行控制调整，参数包含数值，材质，选型等，通过C Sharp语言完成计算，并将所有合格结果导入模型，实现模型与数据的联动。

参数拟定过程也是闸门计算过程，梁系布置完后，可以得到每根梁系的荷载，能够计算出面板所需的板厚，在得到截面大小时候，根据梁系的荷载能够得到对应的梁系内部应力荷载，实现参数拟定时即为结构应力大小反馈。

（3）成果输出：对于参数化结果，需要通过计算书控制，对于不合格参数禁止输出计算书，在未完成计算书时，禁止对模型进行操作，实现合理的设计顺序。

目前多数设计师因为工作繁忙，时常先出图纸，后补计算书，此时如果发现计算不合格，再对结构进行补强，而这种操作，不可避免在图纸修改中有遗留错误，导致后续施工制造中出现变更，因此需要养成良好的设计习惯。本软件开发有效避免以上问题，同时大大加快了设计人员的计算效率。

本次二次开发使用到API接口函数，包含输入及操作命令包含大型装配体轻量化操作、零部件对象捕捉、配置特定、配置表、方程式、材质导入、零件解压缩、模型打开保存等。

通过以上三个步骤，最终才能实现正向设计方法，为我们后续工程建设节省大量时间成本。

6 结束语

以上为笔者在金属结构专业工作中有关数字化设计的发展历程思考与总结，数字化设计并非仅仅为三维操作过程，更不是从施工图到三维图的翻模操作过程，正向设计本为从设计计算到模型生成的过程。

在三维正向设计中，计算可以采用算稿设计或者采用CAE分析模拟计算，在完成设计分析后，得到最终的三维设计模型。本次正向设计从设计人员角度出发，展示设计人员眼中的正向设计流程，在本过程中，我们不但需要会用三维设计软件，而且需要对软件功能了解透彻。同样在编制计算书时，需要对设计规范非常熟悉，将规范中设计的条件转换成编程开发语言，对规范中不同工况的使用，按照设计需求进行程序编写。

从工程角度出发，数字化设计不单单针对设计阶段工作，三维数字资产可以同样涵盖于施工管理阶级，运行维护阶段，如通过模型可直观展示安装过程，安装细节控制，同样如果对于片区的水位控制等，可以通过闸门开度模拟进行计算，同样金属结构中设备的实时状态也可以通过模型实时展示出来，因此数字化成果也是工程的数字资产的体现。