王烙斌，王璽，張景帥，田文博

（1.中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004）

水電站建筑物可視化設(shè)計(jì)中CAD的應(yīng)用

王烙斌1，2，王璽2，張景帥2，田文博2

（1.中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004）

以水電站建筑物中進(jìn)水口、壓力水管、蝸殼和尾水管復(fù)雜形體為例，分析了用CAD進(jìn)行可視化建模的難點(diǎn)、易錯(cuò)點(diǎn)，提出了運(yùn)用技巧和特殊運(yùn)算程序解決問題的思路，探討了適用于不同形體的可視化設(shè)計(jì)方法。

水電站建筑物；CAD；可視化設(shè)計(jì)；進(jìn)水口；壓力水管；蝸殼；尾水管

0　引言

可視化設(shè)計(jì)（Visual Design）是指借助計(jì)算機(jī)運(yùn)用AutoCAD、Revit、Inventer等先進(jìn)的輔助設(shè)計(jì)軟件，操作各自的程序，設(shè)計(jì)出可視化的虛擬幾何形體。隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，將仿真技術(shù)應(yīng)用于水利工程的模擬仿真和綜合管理，可以實(shí)現(xiàn)工程方案可視化和工程信息集成管理等功能，從而在工程方案比選、施工管理和調(diào)度仿真等方面發(fā)揮重要作用［1～2］。

近年來，各類三維建模軟件相繼出現(xiàn)。但是，由于水電站建筑物的特殊性，部分軟件僅在科研單位得到認(rèn)可和使用。水利行業(yè)應(yīng)用最廣泛的可視化設(shè)計(jì)軟件還是美國Autodesk公司研發(fā)的AutoCAD系列產(chǎn)品。對(duì)于一些復(fù)雜的工程曲面，應(yīng)用CAD進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)時(shí)，若僅使用常規(guī)的建模方法，會(huì)在一定程度上增加建模的難度。為了減輕工作量，提高復(fù)雜形體建模的效率和準(zhǔn)確度，可以將一些復(fù)雜的運(yùn)算程序和一些建模技巧進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。這不僅有利于提高復(fù)雜形體建模的準(zhǔn)確度，還可大幅節(jié)省時(shí)間和人力。

通過對(duì)國內(nèi)工程復(fù)雜形體建模研究分析發(fā)現(xiàn)，有關(guān)建模方法的論著不少，但是講解的內(nèi)容不夠全面，對(duì)工程復(fù)雜形體的建模也不具有通用性。因此，研究出一套具有通用性、方便好用的復(fù)雜形體建模方法是很有必要的。筆者以水電站建筑物中復(fù)雜形體的可視化設(shè)計(jì)為例，根據(jù)水電站建筑物結(jié)構(gòu)和功能的不同，將其分為進(jìn)水口、壓力水管、蝸殼和尾水管，分別探討了不同情況下復(fù)雜形體建模時(shí)的難點(diǎn)和解決方法。

1　進(jìn)水口可視化設(shè)計(jì)

1.1進(jìn)水口可視化設(shè)計(jì)方案

水電站進(jìn)水口由進(jìn)口段、閘門段、漸變段等結(jié)構(gòu)組成，主要作用是引導(dǎo)水流平順地進(jìn)入壓力水管，控制壓力水管中的流量［3］。通過對(duì)二維圖形（如圖1所示）的分析，進(jìn)水口的可視化設(shè)計(jì)分為3部分：進(jìn)口段和閘門段用“特征面拉伸法”完成；漸變段用“導(dǎo)線放樣法”創(chuàng)建出三維實(shí)體。各部分設(shè)計(jì)完成后，將其移動(dòng)到相應(yīng)位置，完成進(jìn)水口的三維效果圖（如圖2所示）。

1.2進(jìn)水口可視化設(shè)計(jì)內(nèi)容及要點(diǎn)

在水電站進(jìn)水口可視化設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用的主要方法是“特征面拉伸法”和“導(dǎo)線放樣法”。

“特征面拉伸法”是可視化設(shè)計(jì)中運(yùn)用最普遍的一種方法，它是根據(jù)二維視圖的不同特點(diǎn)，在Auto-CAD的對(duì)應(yīng)界面中用直線或曲線繪制出特征視圖，再進(jìn)行拉伸。但是，在執(zhí)行拉伸命令時(shí)，所選中的區(qū)域必須由一條連續(xù)的多段線構(gòu)成，否則會(huì)出現(xiàn)由一條線段拉伸出來的形體（如圖3所示）。這時(shí)，可以轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)視圖，執(zhí)行“邊界”命令，使分散的各部分線段成為一條連續(xù)的多段線。另外一種方法是，對(duì)分散的各部分線段執(zhí)行“面域”命令，也可以得到相同的效果。在可視化設(shè)計(jì)中，這種方法可以快速地生成繪圖者想要進(jìn)行拉伸的截面。但是，如果遇到需要拉伸的區(qū)域是個(gè)環(huán)狀平面，就不能運(yùn)用上述方法，應(yīng)該分別將內(nèi)外環(huán)截面拉伸后，使用“布爾運(yùn)算”得到所需的工程形體；或者先執(zhí)行“面域”命令，使其成為兩個(gè)封閉環(huán)狀截面后，再使用“布爾運(yùn)算”，得到所需的環(huán)面。

圖1　進(jìn)水口二維視圖Fig.1 Two－dimensional draw ing of water intake

圖2　進(jìn)水口三維效果圖Fig.2 Three－dimensional effect draw ing of water intake

圖3　曲線和曲面拉伸的不同效果圖Fig.3 Different effect of curve and surface tension

漸變段是進(jìn)水口過水?dāng)嗝嬗删匦螡u變到圓形的過渡段，形體不規(guī)則，表達(dá)特殊，在進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)時(shí)，不容易被理解。在運(yùn)用“導(dǎo)線放樣法”進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)時(shí)，需要連接若干條導(dǎo)線。導(dǎo)線根數(shù)和放置位置的不同直接影響到模型的仿真度。當(dāng)使用兩條控制導(dǎo)線時(shí)，得到的形體接近扭曲（如圖4所示），相似度太低，沒有任何意義；當(dāng)使用四條控制導(dǎo)線時(shí)，得到的形體已經(jīng)和工程實(shí)際很接近（如圖5所示），但還是不能達(dá)到仿真的效果；當(dāng)使用八條控制導(dǎo)線時(shí)，得到的模型能夠符合工程實(shí)際（如圖6所示），這種方法不僅對(duì)可視化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，還可以使進(jìn)水口中水的流態(tài)變得更好，避免了負(fù)壓、空蝕等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖4　進(jìn)水口漸變段兩條控制導(dǎo)線建模效果圖Fig.4 M odeling effect of two control wires in intake transition section

圖5　進(jìn)水口漸變段四條控制導(dǎo)線建模效果圖Fig.5 M odeling effect of four control w ires in intake transition section

圖6　進(jìn)水口漸變段八條控制導(dǎo)線建模效果圖Fig.6 M odeling effect of eight control wires in intake transition section

2　壓力水管可視化設(shè)計(jì)

2.1壓力水管設(shè)計(jì)方案

壓力水管是水電站的重要組成部分，一般由直管段、彎管段和分岔管組成，主要作用是從水庫或水電站平水建筑物（壓力前池或調(diào)壓室）向水輪機(jī)輸送水量［3］。根據(jù)對(duì)壓力水管二維圖形（如圖7所示）的分析，將直管段采用“特征面拉伸法”創(chuàng)建，彎管段采用“掃掠法”建模，最后組合在一起，效果如圖8所示。

圖7　水電站壓力水管二維視圖Fig.7 Tw o－d imensional view of hydropower station penstocks

圖8　水電站壓力水管三維效果圖Fig.8 Three－dimensional effect of hydropower station penstocks

2.2壓力水管可視化設(shè)計(jì)內(nèi)容及要點(diǎn)

壓力水管可視化設(shè)計(jì)主要運(yùn)用到“掃掠法”和“布爾運(yùn)算”。

在直管段和彎管段建模中，若管道直徑相同，有3種方法可供選擇。（1）用“掃掠法”快速完成模型創(chuàng)建。在相應(yīng)視圖中，用多段線繪制出所需要掃掠的截面和路徑（如圖9所示），運(yùn)行掃掠命令后，該三維實(shí)體便會(huì)自動(dòng)呈現(xiàn)出來。（2）用“首尾截面放樣法”將繪制出來的首尾截面和路徑移動(dòng)到其正確位置后，執(zhí)行“放樣”命令，再選擇“路徑”子選項(xiàng)，達(dá)到上述效果。（3）用“特征面拉伸結(jié)合掃掠法”進(jìn)行建模。先將直管段進(jìn)行截面拉伸，彎管段用截面掃掠其弧形路徑。

圖9　水電站壓力水管掃掠建模Fig.9 Swept modeling of hydropower station penstocks

相對(duì)于管道的可視化設(shè)計(jì)而言，分岔管中主管和支管接壤處的建模是個(gè)難點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)，可以先利用“掃掠法”或“首尾截面放樣法”等建立出主管和支管的模型，然后利用角度約束對(duì)每條支管分別執(zhí)行“旋轉(zhuǎn)”命令，使其和主管形成一定夾角，再交叉使用“布爾運(yùn)算”。“布爾運(yùn)算”包括“并集、差集、交集”，在進(jìn)行復(fù)雜形體可視化仿真設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要交叉使用。因此，進(jìn)行以上操作時(shí)，要求繪圖者除了具備必要的讀圖能力外，還必須掌握一定的建模方法和技巧。

在可視化設(shè)計(jì)過程中，需要不斷地對(duì)模型進(jìn)行定位處理和動(dòng)態(tài)觀察。在常用的“輔助線法”基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者打開“視覺樣式”工具欄，合理選用其樣式，不僅可以方便觀察模型形態(tài)，而且極大地降低了建模的錯(cuò)誤率。二維線框和三維線框樣式不僅適用于繪制二維圖形，在創(chuàng)建特征面進(jìn)行拉伸或放樣時(shí)，也降低了設(shè)計(jì)的難度。三維隱藏視覺樣式僅顯示能看到的模型輪廓線，使觀察者一目了然，多應(yīng)用于專利出圖等情況。真實(shí)視覺樣式不僅同概念視覺樣式一樣，可以觀察可視化設(shè)計(jì)的效果，還可以對(duì)三維模型添加材質(zhì)和渲染出圖。

3　蝸殼可視化設(shè)計(jì)

3.1蝸殼設(shè)計(jì)方案

蝸殼平面形狀像蝸牛殼，斷面從進(jìn)口到尾端逐漸減小，主要作用是使水流在進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)前，形成一定環(huán)流，且沿周圍均勻地進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。根據(jù)對(duì)蝸殼二維圖形（如圖10所示）的分析，蝸殼的可視化設(shè)計(jì)主要由13個(gè)不同半徑的圓截面使用“截面放樣法”得出，效果如圖11所示。

3.2蝸殼可視化設(shè)計(jì)內(nèi)容及要點(diǎn)

水電站蝸殼的可視化設(shè)計(jì)主要運(yùn)用到“截面圖形的定位”和“抽殼法”。

在進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)之前，首先在AutoCAD的草圖設(shè)置中把極軸增量角設(shè)置為90°，并且用所有極軸角設(shè)置追蹤。其次，需要將對(duì)象捕捉模式里的端點(diǎn)、中點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)、圓心等捕捉對(duì)象打開。蝸殼的可視化設(shè)計(jì)可以運(yùn)用“截面放樣法”。應(yīng)用該方法時(shí)，最易出錯(cuò)的部分就是各個(gè)截面的放置問題。在二維線框模式下的俯視圖中，依據(jù)極角和極徑依次繪制截面后，轉(zhuǎn)換到西南等軸測(cè)圖狀態(tài)中，沿各圓心方向逐個(gè)旋轉(zhuǎn)90°，使其與定位的平面圓形正交（如圖12所示）進(jìn)行截面放樣，就完成了蝸殼的初步可視化設(shè)計(jì)。

圖10　水電站蝸殼二維視圖Fig.10 Two－dim ensional view of hydropower station spiral case

圖11　水電站蝸殼三維效果圖Fig.11 Three－dimensional effect of hydropower station spiral case

由于水電站建筑物的特點(diǎn)，在創(chuàng)建三維模型時(shí)，通過在兩個(gè)不同尺寸的三維實(shí)體間運(yùn)行“布爾運(yùn)算”可以得到三維殼體結(jié)構(gòu)。但是，這種方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且不易被大多數(shù)設(shè)計(jì)者掌握。應(yīng)用時(shí)，可以在“實(shí)體編輯”選項(xiàng)卡中直接使用抽殼命令，來實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體到三維殼體的轉(zhuǎn)換。但是，在AutoCAD的默認(rèn)程序中抽殼距離不能小于任意端斷面最短邊或短軸間距的1／2。否則，抽殼命令將無法完成。在進(jìn)行工程復(fù)雜形體可視化設(shè)計(jì)時(shí)，“抽殼法”不僅在蝸殼設(shè)計(jì)中適用，在進(jìn)水口、壓力水管、尾水管等構(gòu)件設(shè)計(jì)中也有不錯(cuò)的效果。

圖12　水電站蝸殼建模截面位置圖Fig.12 Sectional draw ing of hydropower station spiral case

4　尾水管可視化設(shè)計(jì)

4.1尾水管設(shè)計(jì)方案

尾水管一般由錐管段、彎曲段、擴(kuò)散段等組成，主要作用是將通過水輪機(jī)的水流泄向下游，回收利用轉(zhuǎn)輪出口的大部分動(dòng)能。根據(jù)對(duì)尾水管二維圖形（如圖13所示）的分析，錐管段和擴(kuò)散段可以用“截面放樣法”得到，彎管段用“剖切法”、“旋轉(zhuǎn)法”等進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，效果如圖14所示。

圖13　水電站尾水管二維視圖Fig.13 Tw o－d imensional view of hydropower station draft tube

圖14　水電站尾水管三維效果圖Fig.14 Three－dimensional effect d rawing of hydropower station draft tube

4.2尾水管可視化設(shè)計(jì)內(nèi)容及要點(diǎn)

在水電站尾水管可視化設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用到“旋轉(zhuǎn)法”和“剖切法”。

尾水管彎曲段形體十分復(fù)雜，運(yùn)用常規(guī)的建模方法難以得出。設(shè)計(jì)者遇到這種問題時(shí)，往往無所適從，致使建立的三維模型與實(shí)際工程偏差較大。經(jīng)過對(duì)二維圖形的研究發(fā)現(xiàn)，彎曲段外側(cè)主要由4種曲面和4種平面拼接而成，每一種曲面都有其獨(dú)特的創(chuàng)建方法。曲面1由R50和R70兩個(gè)圓截面運(yùn)用“截面放樣法”創(chuàng)建；曲面2由R149的圓弧面運(yùn)用“曲面剖切法”創(chuàng)建（如圖15所示）；曲面3由R70的圓截面運(yùn)用“特征面拉伸法”創(chuàng)建；曲面4由R91的圓弧運(yùn)用“旋轉(zhuǎn)法”創(chuàng)建（如圖16所示）；其余平面通過“特征面拉伸法”和“布爾運(yùn)算”可直接創(chuàng)建。實(shí)踐證明，當(dāng)進(jìn)行工程復(fù)雜形體的可視化設(shè)計(jì)時(shí)，可以將其劃分為若干個(gè)小問題來進(jìn)行處理，這種化繁為簡的思想可以運(yùn)用到各個(gè)方面。

圖15　尾水管曲面剖切圖Fig.15 Surface section drawing of draft tube

圖16　尾水管旋轉(zhuǎn)建模Fig.16 Rotating modeling of draft tube

“剖切法”分為直線切割和曲面切割。在尾水管擴(kuò)散段的可視化設(shè)計(jì)過程中，如果需要修改某些構(gòu)件的長度，可以用“直線切割法”進(jìn)行修改。但是，切割的起點(diǎn)和終點(diǎn)要仔細(xì)選擇，切割過后將不需要的一側(cè)刪除即可。在尾水管彎曲段底部曲面的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用“曲面切割法”能夠達(dá)到理想的建模效果?！扒媲懈罘ā迸c“直線切割法”不同的是，由定位曲線拉伸出的曲面要略大于三維實(shí)體，并且曲面要貫穿整個(gè)實(shí)體。另外，在運(yùn)用“旋轉(zhuǎn)法”時(shí)，主要是待旋轉(zhuǎn)截面的繪制和旋轉(zhuǎn)軸的選擇。這兩個(gè)步驟完成后，輸入旋轉(zhuǎn)角度，就能完成該部分的建模。AutoCAD默認(rèn)逆時(shí)針方向?yàn)檎?。在工程?fù)雜形體的可視化設(shè)計(jì)過程中，每個(gè)細(xì)節(jié)都不容忽視。

5　結(jié)語

綜上所述，針對(duì)水電站建筑物復(fù)雜形體可視化設(shè)計(jì)時(shí)遇到的問題，用不同的設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)工程形體進(jìn)行模擬，總結(jié)出了一套適用于大部分工程復(fù)雜形體的建模方法。對(duì)于復(fù)雜形體設(shè)計(jì)時(shí)的難點(diǎn)、易錯(cuò)點(diǎn)和難以理解的部分，該方法能夠幫助設(shè)計(jì)人員快速分析和解決問題。另外，工程復(fù)雜形體的可視化設(shè)計(jì)可以達(dá)到直觀的效果，對(duì)設(shè)計(jì)單位和施工單位都具有指導(dǎo)意義。

［1］關(guān)莉莉，侯黎黎.基于CAD的進(jìn)水閘仿真建模技術(shù)研究［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，27（2）：17－20.

［2］崔巍.水利工程虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)與實(shí)踐［M］.北京：中國水利水電出版社，2012：1－11.

［3］袁俊森.水電站［M］.鄭州：黃河水利出版社，2010：123－144.

[責(zé)任編輯楊明慶]

TV732；TP391.7

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1008-486X（2016）02-0022-05

2016-01-20

王烙斌（1994-），男，河南焦作人，助理工程師，主要從事水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究工作。