水闸铺盖及翼墙计算机辅助三维设计系统实现方法

牛立军 王 鹏 黄俊超 朱东方

(华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450011)

水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，在水利工程建设中应用广泛，多建于河道、渠系及水库、湖泊岸边，具有通过拦洪、挡潮、抬高水位满足上游引水和通航需要以及泄洪排涝、冲沙及调节流量的作用。水闸的上游铺盖在保证闸室稳定中起到十分重要的作用，而两岸连接建筑的翼墙和岸墙在水闸工程中占有很大的比重，最多可达到工程总造价的40%，因此水闸铺盖和翼墙的设计至关重要［1］。

在工程设计中，一般包括两种内容:一是创造性的设计，如方案构思、原理拟定等，需具备较强的创造性思维能力;二是非创造性的工作，如计算分析、信息检索等，工作机械重复，可借助计算机的功能来完成［2］。计算机的三维设计功能在处理这些内容时较传统的设计手段具有更高的精准度和更好的操作性。然而目前水利工程的三维设计并不多见，软件设计市场尚未成型，绝大多数设计人员仍在采用传统的设计方法，利用AutoCAD软件代替手工图板绘图，停留在二维设计阶段。本文针对水闸铺盖、翼墙的工程设计，利用VBA语言来实现CAD的二次开发，提出三维实体设计系统的实现方法，为今后的设计开发工作提供了依据。

1 系统的优势

1．1 设计产品形象直观

在传统的水利工程设计中，普遍采用的二维设计在经历三维实体到二维图纸的转换过程中存在一定误差，难以将三视图精确完整、清晰直观地表现;在水利工程施工中，需人为地将设计图纸完成抽象到实体、二维到三维的转换，然后进行施工，程序繁琐、技术复杂，不利于高效施工。

本文提出在AutoCAD软件的设计平台上，运用内嵌的VBA编程语言，结合传统设计原理的方法，转变传统的设计理念，通过直接设计三维实体，明确空间概念、简化转化程序，同时将实体模型与平面图进行校核，提高了在设计和施工阶段的准确度。

1．2 准确计算工程量

在工程量清单计价模式的应用过程中，进行三维实体设计，能够更加精确的进行工程量计算，为概预算及施工期业主的材料供应计划提供科学的依据，减少误差导致的施工阶段的工程量变更，与管理信息系统结合，节约了资源，提高了水利工程管理水平。

1．3 便于优化设计方案

由计算机辅助设计系统代替传统方法，以符合实际受力情况分布为原则，针对三维实体进行结构计算和稳定分析，根据计算及分析结果，由用户决策设计方案的可行性，调整设计参数，直至得到合理的结构型式，从而达到优化设计方案的目的。

1．4 实现三维设计二维出图

三维设计可以实现任意视角地观察工程的局部及整体，通过与三维设计平台无缝连接的可视化仿真系统，提供动态的结构装配过程，使建筑物三维形象的面貌特性更加直观。由于信息化设备的局限，还不可能普遍实现3D打印技术，仍然需要进行二维出图，供施工人员施工使用，而三维的设计模型则作为施工的辅助和最终校核。

2 系统目标

系统目标主要定义了MIS(Management Information System)的服务要求，具体地描述了用户目标，即设计人员进行设计工作所要实现的目标［3］。确定系统目标的作用在于一方面可以通过更多更好的硬件、软件来增强系统的处理能力，实现系统目标，另一方面根据系统目标分析，可以对组织进行改造，建立更好的组织模式，为组织决策提供良好的信息支持，即改变传统的设计模式。

通过分析设计目标，结合简化的战略目标集转移法(Strategy Set Transformation，SST)，直接将传统的设计目标转化为系统目标，即实现三维绘图、计算强度和稳定、生成工程量清单和打印二维施工图四大功能，如图1所示。

图1 系统目标分解图

3 系统开发实现方法

系统一方面将给出一般的水闸铺盖和翼墙的形式，便于设计人员自行选择设计结构类型;另一方面，采用更符合和贴近现代CAD中概念设计和并行设计思想的参数化设计方法，设计人员通过参数输入，精确成图。

3．1 结构型式参数化分析

通过对建筑物结构型式进行标准化归类，由系统开发人员搜索相关资料，借助AutoCAD工具手工绘制结构型式作为设计对象。水闸上游铺盖主要有三种型式:黏土铺盖、沥青混凝土铺盖和钢筋混凝土铺盖。翼墙常见的型式为重力式、扶壁式、悬臂式和空箱式［4］。铺盖与翼墙三维设计系统实现方法是相同的，以下内容以翼墙三维设计为例介绍系统实现的方法。

翼墙的布置类型主要包括四种类型:直线式(含折线式)、曲线式、扭曲面式和斜降式。按照参数化设计的方法，将翼墙型式进行参数化分解，通过约束参数(属性)来确定翼墙的三维型式。

3．2 系统模块分析

本系统依据系统目标确定系统设计模块，将所要实现的系统目标转化为系统模块［5］，包括铺盖和翼墙的三维绘图、配筋计算及钢筋笼绘制、翼墙强度及稳定计算、工程量计算、二维出图。考虑到翼墙的四种型式在荷载计算、稳定分析和结构计算上类同，设计思路上相似，仅以悬臂式翼墙为例进行模块分析，见图2。

图2 翼墙计算机三维设计模块分析

3．3 系统实现方法

系统依托AutoCAD的设计平台，运用VBA语言进行程序界面设计和编程分析计算。下面以三维实体图形绘制及标注的实现、钢筋笼绘制的实现和三维实体到二维图纸的转换方法三个关键部分进行简要分析。

3．3．1 三维图形绘制、标注的实现

输入图形约束参数，以确定翼墙的断面型式和平面布置类型，按照点—线—面—体的实现思路，实现翼墙的三维设计。具体实现方法为:1)新建UCS坐标系。AutoCAD原有坐标系默认底面为xoy面，生成的三维实体为倒立图，调整xoy面，使绘制出的实体图符合视图习惯［6］;2)建立Points数组集合，即根据输入的参数确定图形的控制点，以便连点生成平面图;3)使用AddLight-WeightPolyline方法将控制点连接成线，生成平面图;4)运用AddRegion方法生成面域;5)对于不同的实体类型，生成三维实体方式各不相同。对所生成面域进行拉伸操作，需要使用AddExtrudedSolidAlongPath方法，并需使用AddLine方法建立拉伸路径。扫掠命令需要根据给定的参数使用AddExtrudedSolid方法，旋转命令则需要根据给定的面域和绕轴使用AddRevolveSolid方法实现;6)删除掉所有的非实体对象，即:entry．ObjectID◇ Solid．ObjectID;7)最后进行三维标注，不同的标注样式，分别有对应的实现方法，创建对齐标注，使用AddDimAligned方法;使用AddDimRotated方法，创建旋转标注;使用 AddDimRadial或 AddDimDiametric方法，创建径向标注;要创建角度标注，则使用AddDimAngular方法。

3．3．2 钢筋笼绘制的实现

由体型的外形轮廓线决定的钢筋，通过选择决定钢筋形状的特征轮廓线，系统根据所选择的轮廓线，自动布置钢筋，生成实体钢筋笼。对于与体型的外形轮廓无关的钢筋，由用户通过参数输入设计钢筋的形状，然后根据需要放置在不同的位置［7］。设计中所布置的钢筋都应该按照用户给出的钢筋编号自动记录于钢筋表中。

钢筋标注与编制钢筋表是面临的另一个问题。根据配筋计算结果，由用户选用相应的钢筋型号生成钢筋笼，当标注时，由系统自动搜索钢筋的编号、型号、直径、根数、间距等相关信息，并自动标注在指定的位置。钢筋统计表由系统自动生成，系统会将编号、型式、型号、根数、单根长、重量等数据依次填入钢筋表中，对每种钢筋进行详细说明。

3．3．3 三维实体转换二维图纸的实现

系统通过二次开发编程实现三维转换为二维的设计意图，简单方便。只需将原有实体复制为四个三维实体，将三个面旋转成正视、俯视和侧视图，然后使用Flatshot(平面摄影)方法在绘图的模型界面里进行拍照操作，即生成平面图块，然后使用“分解”命令，即可分解三视图块，可进行自由编辑。这些操作都可以找到相应的VBA编程语言方法，通过二次开发即可实现三维实体到二维图形的一键转换。

4 结语

以水闸这一普遍的水工建筑物为例探索水利工程设计三维设计二维出图的道路，有大量的工程已建和在建实例，便于研究、开发出普适性更强的设计软件，现有的三维开发软件很少见，且推广应用不足。系统主要以水闸上游铺盖和翼墙为研究对象，进行计算机辅助三维设计系统开发。将水利工程设计与AutoCAD软件开发环境结合，更符合水利工程设计实际，便于工程技术人员学习使用。完善的三维计算机辅助设计系统，一方面极大方便了设计人员的操作使用，另一方面便于进行方案的对比，提高工作效率，减少设计人员工作量和人员投入。此外，还将促进水利行业设计方面的现代化改革，带来显著的经济效益和社会效益。

［1］林继镛．水工建筑物［M］．第5版．北京:中国水利水电出版社，2010．

［2］王若慧．AutoCAD VBA参数化绘图程序开发与实战代码［M］．北京:中国水利水电出版社，2013．

［3］陆 彦．工程管理信息系统［M］．北京:中国建筑工业版社，2010．

［4］SL 265-2001，水闸设计规范［S］．

［5］黄汉生，徐云修，朱春芳．水闸翼墙设计CAD研究［J］．中国农村水利水电，1999(11):26-28．

［6］Marion Cottingham．AutoCAD VBA从入门到精通［M］．北京:电子工业出版社，2001．

［7］彭正洪．水闸钢筋CAD系统的分析与设计［J］．工程图学学报，2000(4):8-13．