土建三维数字化设计及其应用探讨

【摘要】三维数字化设计主要指的是在pdms的帮助下，借助产品三维数字模型对产品的设计、分析以及验证的整个过程进行模拟。三维数字化设计的应用在很大程度上增强了企业的产品开发能力，有效缩短了研制周期，实现了最理想的设计效果。本文从土建的角度，针对电厂设计土建专业在三维协同过程中存在的建模困难等问题，分析土建计算模型如何向三维数字化设计转变，探讨三维数字化设计的应用。

【关键词】三维数字化设计；应用；土建计算模型

三维数字化协同设计要求很多个专业在一个统一的平台上工作，其中土建专业的应用与参与尤为重要。三维数字化协同设计主要是布置设计，热控、电气、机务等专业都应当在土建结构三维模型的基础上进行工作，并且由土建三维模型为工艺专业提供相应的设计参照。在当前核电与火电设计领域中，计算机辅助设计逐渐从传统的设计方式转比为智能化、集成化程度较高的

1 土建计算模型向三维数字化模型过渡的设计方案

1.1 相关概述

土建计算模型向三维数字化模型转变可以分为两种不同的应用场景：第一，计算模型将三维设计平台初次导入，从而构建出相对应的三维模型；[1]第二，当三维模型与计算模型局部发生变化的时候，计算模型中的变化部分可以更新于三维数字化模型之中，而当三维模型中的变化部分在更新后就可以被存储保留下来。

1.2 计算模型导入至三维数字化模型

1.2.1 构建截面库匹配

匹配模型构建截面库是进行模型转换的重要前提与基础，应当将构建计算软件中不同类型的截面对应于三维软件中的截面。计算模型截面库与三维数字化模型截面库分别以PKPM和PDMS为例，二者之间的匹配关系如表1所示。需要注意的是，如果截面的形状是相同的，其两个中心轴也应当是匹配的，不然会造成截面的位置与方向发生错误。

1.2.2 构建坐标的转换

在结构计算模型中，通常结构构件都可以简化为直线段，结构构件的起点坐标与终点坐标都是依据构件中心轴进行计算的，构件之间的连接从端点进行，在相交的节点处忽略尺寸计算。[2]然而在三维数字化模型中，由于构件是实体模型，必须对构件的连接关系进行处理，将构件节点尺寸计算并扣除后，才不会导致构件出现碰撞现象。

在电厂主厂房结构之中，多数的构件对其与偏心。构件偏心在结构计算模型中通常采用构件加轴线坐标相对于轴线的偏心进行考虑。然而在三维数字化模型之中，构件的起点坐标与终点坐标则直接是构建的偏心体现，在转换模型的过程中应当注意其联系与区别。

1.3 局部计算机模型更新至三维模型

通过对上述计算机模型向三维数字化模型转换的分析，取代了土建设计人员传统的三维模型构建过程，从而将计算模型的价值充分发挥了出来，大大提升了土建三维建模的效率。然而需要注意的是，在实际的应用过程中还可能存在下列情况：①在三维模型导入后，仅仅只包括楼板、支撑、梁等构件，需要在三维模型中增加孔洞、埋件、挑耳等细部构件；②在结构设计时，模型计算也并不是一次新就能完成的。[3]在不断深化设计的过程中，应当对构件截面尺寸进行优化，适当增加一些次要构件；将修改后的计算模型导入至三维数字化平台之后，原来模型中的细部构件就没有了。

为了切实解决上述问题，在更新模型的过程中，首先要判别构件是否出现变化，对于已经变化了的构件，应当采用模型构建将三维模型构建进行替换，其他的三维模型构建则应当不变。这种方法不但更新了计算模型，还充分保证了三维模型中新增加的细部构件不会丢失，从而保存了最终的工作成果。在完成更新之后，应当输出十分详细的更新报告，并且还要在报告中明确指出删除与新增的具体构件，以及修改构件的属性变化情况。

2 转换后三维数字化模型设计的应用分析

在计算模型更新到三维数字化模型的技术要求的基础上，进行转换软件选型。在充分调研的基础上，现阶段可以转换模型功能的主要软件包括迈达斯、探索者及盈建科等，笔者在下文中将通过实例进行具体分析。

2.1 某工程概况

某工程主厂房依据两炉超临界空冷燃气没发电机组开展设计，主要的布置理念与设计思路为汽机房-除氧间-煤仓库-锅炉，此为顺列布置，而汽轮发电机组则为纵向布置。主厂房的主要结构为现浇钢筋混凝土。[4]厂房的横向布置为A列柱-汽车机房屋盖-除氧煤仓间框架构成的框架结构，纵向布置为干净混凝土框架支撑体系。汽车平台方面，主要采用的框架结构为现浇钢筋混凝土，A柱、B柱之间利用牛腿与平台交互连接。

2.2 主厂房计算模型中三维平台导入

利用接口将计算机模型转换为PDMS三维数字化模型，如图1。经过科学的校核之后，在转换之后三维数字化模型之中构件位置坐标正确，构件截面匹配无误，构件的对齐与偏心可以正确处理，并且1号机、2号机可以通过模型整体平移进入指定好的插入点，从而能很好地组合在一起。

图1 主厂房1号机、2号机PDMS模型

2.3 应用效果分析

这种模型转换技术可以有效保证了三维模型与计算模型的一致性，同时还能随着设计的不断加强与深入而实现三维模型的不断更新，最终为设计质量奠定了重要保证。除此之外，该技术还可以在很大程度上提升了三维建模的效率。[5]例如，原来的主厂房手工建立三维模型大约需要耗费半个月的时间，通过模型技术转化后，仅仅只要1d就能够将模型建立完成。如果考虑到后期需要对三维模型进行一定的维护与更新，厂区内主房之外的内建构筑物三维模型，将会节约更多的时间。

结束语：

通过工程测量与实验的结果表明，三维数字化模型设计方案在设计应用中具有很高的可行性。通过技术方案的转换，能对土建计算模型的价值进行充分利用，从而避免了事后建模与重复建模的现象，大大提高了三维数字化建模的效率，最终保证了三维土建模型的正确性与及时性，从整体上提升工程的建设质量。除此之外，还为后期利用三维平台进行埋件、孔洞提资，通过三维模型抽框架外形图和楼板布置奠定了基础。当前，三维土建数字化模型在很多研究领域的项目中都得到了成功的应用，并且也取得了显著的应用效果。

参考文献：

[1]刘检华，孙连胜，张旭，刘少丽.三维数字化设计制造技术内涵及关键问题[J].计算机集成制造系统，2014，03：494-504.

[2]熊晓光.输电线路三维数字化设计平台建设与应用研究[J].电力勘测设计，2013，03：66-70+77.

[3]冉瑞江.Bentley软件在变电站三维数字化设计方面的应用与探讨[J].中国电业（技术版），2012，05：43-45.

[4]于明国，严福章.三维数字化设计在宁东―山东±660kV直流输电示范工程中的应用[J].电力建设，2011，03：37-40.

[5]胡保华，闻立波，杨根军，黄官平，吴慧，沈波，惠巍.基于MBD的三维数字化装配工艺设计及现场可视化技术应用[J].航空制造技术，2011，22：81-85.