导管架脚印图出图方法优化研究

宋 春，郭雪琦，乔向国，李文胜，刘 通，高海峰

中国石油集团海洋工程有限公司，山东青岛 266555

1 概述

在导管架加工设计工作中，脚印图是指撑杆马鞍口外边缘在弦杆表面所成轮廓的展开图，用于杆件安装施工中的精确定位，是结构管单件图绘制的难点部分。结构管单件图中脚印图具体示例见图1。在导管架安装施工过程中，结构安装图和结构管单件图配套使用[1]。前者仅含杆件中心线位置信息，难以直接指导施工，所以需要将后者的脚印轮廓放样到弦杆表面，以实现撑杆在弦杆上的精确定位。

图1 结构管单件图中的脚印图

TEKLA软件虽有展开图出图功能[2-3]，但由于撑杆不对弦杆进行实体切割，展开图不含脚印轮廓，所以无法利用软件直接出图。

按照传统的脚印图绘制方法，每次作图前都要在TEKLA模型中进行多次视图方向切换和空间尺寸测量操作，以完成脚印图中上、下、左、右4个定位点的坐标测算工作。但导管架中的杆件多为空间方向，视图切换操作更为繁琐复杂，测量关键点的捕捉更加困难易错。

以陆丰12-3WHP项目为例，导管架整体尺寸达到85 m×85 m×253 m（宽×长×高），节点形式复杂多样。如果不算井口基盘结构，项目总杆件数量超过500根，需要绘制的脚印轮廓多达1 000多个。传统绘图方法的效率和质量已难以满足项目工期和安装精度要求。陆丰12-3WHP导管架的TEKLA模型见图2。

图2 陆丰12-3 WHP导管架模型

2 传统出图方法的步骤

首先在模型中进行多次视图创建和尺寸测量工作，然后根据测量值计算绘图尺寸，最后在CAD中进行图形绘制。具体步骤如下。

2.1 模型测量

在TEKLA模型中进行如下操作：

（1）选择与弦杆和撑杆同时平行的视图，将工作平面设置为平行于视图平面。

（2）选取弦杆轴线上两端点，使用“两点创建视图”功能创建新视图（记作视图a），将工作平面设置为平行于视图平面。

（3）在视图a中，使用“增加辅助线”功能创建参考线。

（4）仅显示当前测量对象，隐藏其他实体。

（5）测量4个定位点与参考线之间的水平距离。

（6）在原视图中沿直径方向选取弦杆上两点，使用“两点创建视图”功能创建垂直于弦杆轴线的新视图（记作视图b），将工作平面设置为平行于视图平面。

（7）在视图b中，测量弦杆圆心和弦杆焊缝的连线与撑杆轴线之间的夹度。

（8）在视图b中，以弦杆轴心为圆心，分别测量撑杆和弦杆外壁两个交点与弦杆焊缝之间的夹角。

2.2 数据计算

根据测量值，结合参考线和0°线在CAD中确定的基准点位置，分别计算左、右、上和下4个定位点在CAD中的坐标值。

2.3 图形绘制

首先绘制4个定位点，然后以相邻两点为长、短半轴端点，分别绘制4个椭圆弧，作为脚印图的近似图形。

3 传统出图方法的缺点

（1）测量过程复杂。至少需在模型中进行2次视图创建和7次尺寸测量，倾斜方向杆件的测量过程更加繁琐。

（2）测量精度不足。部分切点在测量中难以精确捕捉，导致上下定位点的水平坐标精度不足，只能用于轮廓绘制，而不能用作精确定位点。

（3）整体拟合度低。除定位点之外的轮廓都用椭圆弧代替，导致某些情况下脚印图走样严重。现场只能根据左、右定位点进行组对施工，不利于精度控制和错误检查。拟合脚印示例相对于实际脚印的轮廓偏差见图3中的弦杆展开图。

图3 两杆相交的三视图、斜视图和弦杆展开图

（4）错误率高。视图创建方向不准确，误操作导致视图方向轻微旋转，空间点捕捉错误，尺寸方向测量错误，这些都有可能导致脚印变形、反向或偏移，严重影响现场施工质量。

4 出图方法的第一次优化

4.1 优化思路

首先分析输入输出条件，确定绘图所需最简参数，减少测量次数，简化测量步骤；然后通过分析计算，确定输入参数与绘图数据之间的函数关系；最后利用AutoLISP语言编制绘图程序，实现图形绘制的自动化。

弦杆与撑杆相交的一般情况见图3，其中包括各关键点和关键参数在三视图、斜视图和弦杆展开图共5个视角下的对应位置。结合图3进行具体的优化分析计算。

4.2 输入输出条件分析

输入条件：

（1）脚印图的形状可由以下参数唯一确定：弦杆半径R、撑杆半径r、两杆交角a和两杆中心线距离E。

（2）脚印图的定位可由以下参数唯一确定：基准点（参考线与0°线的交点） 在CAD图纸中的坐标值（x0，y0），脚印图点L（左定位点） 相对于基准点的坐标值（x10，y10）。

上述8个参数中，a、E、x10、y10这4个参数需在模型中测量。

输出结果：脚印图上任意点P在CAD图纸中的坐标位置，记作（xp，yp）。

4.3 几何分析计算

计算脚印图轨迹的本质是求解两杆柱面交点在弦杆柱面展开图中的坐标，其求解方法包括纯几何计算、柱面标准方程联立计算和柱面向量参数方程联立计算。经比较，最后一种方法计算过程相对简单。

图3中，点L和P分别为脚印上的左定位点和任意点，θr是点P在撑杆横截面上对应的方位角，各参数规定为正方向。以O为坐标原点，Z轴沿弦杆轴线向量方向，X轴沿撑杆轴线向量在弦杆截面上投影的反方向，建立空间坐标系。

结合图3，以输入参数R、r、a、E为已知量，θr为自变量，求解点P在弦杆展开图中的坐标 （xp，yp）。

4.4 程序编制

由于需要在CAD中创建图形，所以选择CAD的内置语言AutoLISP进行编程。

根据绘图功能需求，分析几何实体样条曲线的数据结构[5]，编制五个子函数，分别实现参数输入、数值计算、定位点绘制、脚印图绘制、定位点和脚印图的分割移动功能，然后使用主程序依次调用。

程序编制过程中出现的主要问题、原因分析及解决办法如下：

4.4.1 定位尺寸不准确

原因：使用绘图命令对图形进行移动时，会自动调整到捕捉点位置。

解决：程序中修改控制环境变量osmode的取值，绘图前自动取消对象捕捉，绘图后自动复原。

4.4.2 剪切命令有时失效

原因：操作对象处于视图窗口之外时，剪切命令不被执行。

解决：对图元的处理有两种方式，第一种是使用command函数调用各种绘图命令，第二种是使用entmake和entmod函数直接对图元数据进行创建和修改。前者简便易用，后者强大高效。所以解决办法是改用第二种图元处理方式。

4.4.3 脚印图形有时不显示

原因：计算机符点运算误差导致负数开方运算，进而引起程序执行中断。

解决：开方之前进行判断，被开方数为负时修正为0。

4.5 进步与不足

进步：

（1） 出图效率提升。对传统出图方法进行改进优化之后，测量值由7个缩减至4个，测量步骤减少一半，绘图过程实现自动化，出图效率显著提高。

（2） 脚印拟合度提升。采用计算值描点绘制样条曲线，代替4段椭圆弧近似模拟的绘图方法，实现了脚印整体轮廓的完全拟合，方便施工现场的精度控制。

不足：

（1）仍未免除模型测量步骤。模型手工测量过程的存在是提高出图效率和准确率的最大制约因素。应用优化方法出图时发现，测量错误和误差虽有减少但仍然存在，其中测量值符号判断错误成为主因。

（2）未实现批量化出图。每次出图仅完成一个脚印图的自动绘制，未实现多个脚印图的批量绘制，这是出图效率的又一制约因素。

5 出图方法的第二次优化

5.1 优化思路

针对第一次优化后的不足，研究TEKLA模型导出文件，编写相应程序对其进行数据提取、计算分析和符号判断，以取代手工测量过程；每个导出文件应包含多个杆件信息，以实现数据的批量处理和图形的批量绘制。

5.2 输入输出条件分析

输出结果：本次优化是在初次优化的基础上向前延伸，所以除了（x0，y0） 只能从CAD图纸中获取外，其余输入条件应作为本次优化的输出结果，包括R、r、a、E和（x10，y10）。

输入条件：要提取模型数据作为输入条件，就要选择合适的模型导出文件。TEKLA软件可导出的文件格式繁多，包括NC、DGN、CAD、SDNF、STEP等。对比发现，其中NC文件是标准XML格式，文件结构规则，便于数据提取，有效信息全面，包含弦杆和撑杆编号、直径及起止点三维坐标等数据，所以适合选用。

源自NC文件的输入条件定义如下：弦杆轴线起点坐标Pms，终点坐标Pme，直径D；撑杆轴线起点坐标Pbs，终点坐标Pbe，直径d。

源自模型查询的输入条件定义如下：基准点坐标Pds，从基准点出发在展开方向上选取一点，坐标Pde。

后面均以坐标符号代指各点本身。

5.3 坐标和向量分析计算

5.3.1 符号定义

在输入输出条件符号定义的基础上，补充定义以下符号：

5.3.2 输入参数修正

5.3.2.1 弦杆轴线起点Pms和终点Pme坐标

5.3.2.2 撑杆轴线起点Pbs和终点Pbe坐标

5.3.2.3 展开方向点Pde坐标

5.3.3 输出结果计算

5.3.3.1 弦杆半径R和撑杆半径r

5.3.3.2 弦杆与撑杆轴线距离E

5.3.3.3 两杆轴线交角a

5.3.3.4 左定位点相对于基准点坐标（x10，y10）

首先对坐标系进行平移和旋转以简化运算，然后联立方程求解弦杆柱面与撑杆轴线之间的交点参数，最后计算其在展开图中的相对坐标。

（1）坐标系变换。

将原模型坐标系记作O，此时各点名称和位置见图4；平移后的坐标系以Pms为原点，记作O′，此时各点名称和位置见图5。

图4 坐标系O下的各点

图5 坐标系O′下的各点

图6 坐标系O″下的各点

5.4 程序编制

5.4.1 语言选择

第二次改进本可以对之前编制的AutoLISP程序进行修改，但此程序已在项目中实际应用并形成路径依赖，修改代价较大。再考虑到需要对XML格式文件进行操作，所以选择批处理作为编程语言。批处理的文件处理功能强大，语句格式简捷，不需要编译，所以开发周期短，修改调试方便，但它无法进行符点运算，所以计算部分需要其他语言完成。MATLAB虽是向量和矩阵运算语言的首选，但它需要安装运行环境进行支持，所以最终选择WINDOWS环境中可以直接调用的VBS程序完成计算部分的工作。

5.4.2 程序结构

编制批处理文件“生成参数.bat”作为主程序，首先读取NC文件内容，然后通过调用JREPL正则工具对文件进行规范化处理，再然后编写XPath语句调用XML工具进行信息检索并提取关键数据，再然后调用VBS程序“参数计算.vbs”进行相关计算，最后将计算结果生成到新的文件中。

其中，VBS程序的计算过程与5.3节中的方法和顺序一致。但由于VBS没有向量和矩阵运算功能，所以专门编制了嵌套数组与二维数组转换，向量求模、点积、叉积、混合积，行列式求值，矩阵相乘、转置、求逆，空间距离计算等多个子函数供调用。

6 二次优化后的出图步骤

进行二次优化后，脚印图的最终出图步骤如下：

（1） 分别选中弦杆和与其相贯的多个撑杆后，导出各自的NC文件，并将其放入程序指定位置。导出操作具体方法见图7。

图7 导出NC文件

（2） 在弦杆上创建基准点和方向点，并获取其坐标值。查看坐标值属性的具体方法见图8。

图8 获取基准点和方向点坐标值

（3） 在CAD中使用ID命令获取基准点的平面坐标。

（4） 双击运行“生成参数.bat”程序，自动生成文件“output.txt”。文件内容见图9。

图9 output.txt文件内容

（5） 将“output.txt”中内容全部复制并粘贴到CAD的命令行中，即可生成一个弦杆的全部脚印轮廓。程序执行后生成的脚印图见图10。

图10 批量生成的脚印图

7 出图效率提升分析

通过对出图方法的两次优化，简化了出图步骤，降低了操作难度，实现了模型数据提取、计算和脚印绘制的自动化和批量化。以陆丰12-3WHP项目为例，需要绘制的脚印图多达1 000多个，相比于传统方法，优化后的出图效率提升33倍左右，具体对比分析见表1。如果算上节省的检查时间和降低的错误率，其对项目加工设计工作的提升作用更大。

表1 陆丰12-3WHP项目脚印图出图效率对比分析

8 结束语

随着各种新的建模和出图软件的不断出现和更新，出图方法也在不断发生变化。但软件功能的通用性与现场施工图纸个性化需求之间的矛盾一直存在，不可能用软件包办一切。只有熟悉软件功能，明确出图需求，掌握相应开发原理和手段，才能充分发挥软件优势，走完“最后一公里”，针对当前的软件资源配置和项目特点形成一整套优质高效的加工设计流程。