基于BIM技术的起重机械设计与制造

盛彩连 董泽鑫

（上海电力机械有限公司，上海 200245）

1 基于Bentley系列软件的塔节建模

Bentley系列软件包括三维参数化建模、曲面和实体建模、设施规划等功能模块，支持三维可视化、导航以及漫游等功能，提供了支持建筑全周期工具，支持协同管理并与专业软件集成，是建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的重要支撑技术[1]。

1.1 轴网的建立

钢结构塔节在ProStructures软件中进行建模的前提是先建立好轴网，以保证各个型钢和零件的相对位置。通过图纸尺寸确定好轴网的外形尺寸，建立轴网如图1所示。

图1 建立轴网

1.2 型钢库的使用

ProStructures的型钢库中配备了国标、欧标、美标及自定义等各种型号的型钢。使用时，可根据所需要的型钢在型钢库中查找型钢并调入模型文件。其中，插入方式可以选择线性插入，通过关键点插入到已经预设置好的轴网上。若轴网规格无法满足型钢放置需要，则可通过绘制辅助线来放置型钢[2]。放置型钢时可根据需要旋转型钢的放置角度、长度等。已经添加的型钢可以通过其属性查看型钢型号、材料及长度等信息，如图2所示。

图2 型钢属性信息

1.3 连接板的创建

利用ProStructures中的连接中心功能，可以直接在两根型钢之间生成连接板，并且在型钢的相应位置钻孔。具体的连接中心有多种类型，如端板、拼接节点以及剪力板连接等[3]。本文塔节的建模主要应用的连接方式为剪力板连接。

剪力板连接又分为剪力板、加劲肋梁以及加筋板梁等。针对于本文塔节的建模，选择加劲肋梁的连接形式，如图3所示。

图3 连接中心

1.4 模型的导出

在建好所需模型后，如图4所示，将模型导入3D Max软件中制作动画。Bentley系列软件中建模软件的格式多为DGN文件，需要将文件格式转化为3D Max支持的FBX文件格式。导出文件时，3D Max所识别的个体是以FBX文件的颜色或图层区分的，需做成一个整体的零件以同一颜色绘制，或者使其处在同一图层。在导出文件时，可以通过显示集设置进行单项选择。导出时选择交互文件类型中的FBX文件，在导出设置中需要选择单位和公差。公差通常设置为0.001，这样导出的模型较为适配。同时，勾选“翻转Y和Z”，3D Max中的坐标和Bentley软件是相反的，需反转Y坐标和Z坐标。

图4 钢结构塔节模型

2 基于3D Max软件的动画制作

3D Max是一款功能强大的三维制作渲染软件[4]。在计算机里显示3D图形，就是在平面里显示三维图形。从人眼的视觉效果上虚构的三维立体感，通过计算机屏幕上色彩灰度的不同调节，使人眼产生视觉上的特殊效果[5]。

2.1 铣床加工动画

导入模型，点击左上角命令，导入选项中选择“合并”命令，在3D Max内载入已经创建的三维模型（铣床、待加工工件等）。调整位置，通过“视角块”的自由旋转找到合适视角，通过“菜单栏”上的“移动”“旋转”“缩放”指令，对载入的铣床及相关模型进行位置的安放。

创建“组”，根据提前编写的脚本内容，对预操作模型进行“组”的创建，即编排模型内部和模型之间的附属关系、运动关系。

创建关键帧，通过对“菜单栏”和“关键帧区”结合使用，创建模型开始关键帧，完成手轮旋转、铣刀旋转、工作台往复运动以及工件的位置变换等。鼠标左键拖拽关键帧即可移动关键帧，Shift+鼠标左键拖拽关键帧即可复制关键帧。通过对关键帧的创建与调节进行铣床加工动画制作，如图5所示。

图5 铣床加工

2.2 焊接加工动画

导入模型，点击左上角命令，导入选项中选择“合并”命令，在3D Max内载入已经创建的三维模型（焊机、待加工工件等）。调整位置，通过“视角块”的自由旋转找到合适视角，对载入的焊机及相关模型进行位置的安放。

创建“组”，参考上述同名操作，另逐条焊缝需单独分离，要保持创建“组”时的打开时机正确。

创建“粒子喷射”。实际焊接操作中，火星溅射的场景在3D Max里用“粒子喷射”指令完成。在“创建区”选择“粒子喷射”，在焊接相应区域添加并调整粒子喷射方向、范围等，再设置关键帧完成该效果的创建。

创建“关键帧”，参考上述同名操作，另待加工工件的焊缝需要做“可见性”处理，并跟随焊枪运动加相应关键帧，通过关键帧的创建与调节进行焊接加工动画制作，如图6所示。

图6 焊接加工

2.3 拼接组装动画

导入模型，点击左上角命令，导入选项中选择“合并”命令，在3D Max内载入已经创建的三维模型（塔节部件、螺栓等）。调整位置，通过“视角块”的自由旋转找到合适视角，对载入的塔节及相关模型进行位置的安放。

创建“组”，参考上述同名操作，同时要求塔节各部件的“组”在拼接过程中打开时机与关键帧保持一致。

创建“关键帧”，参考上述同名操作，其中“可见性”处理是重点。该环节动画“可见性”为主导，根据脚本内容调节依次出现的各部件，并对各部件的“可见性”做相应关键帧，通过关键帧的创建与调节进行拼接加工和动画制作，如图7所示。

图7 拼接组装

2.4 渲染动画

在完成动画制作、赋予材质和相机创建后，即可进行最后的渲染。打开“菜单栏”的“渲染设置器”，调整宽高比为“1920×1080”，取消GI的勾选（一般不启用，若启用则渲染时间倍数增加，非高质量要求不启用），查看安全框和渲染视图是否选择正确，选择渲染的保存位置，输出格式为“JPEG”格式。点击“渲染”指令开始渲染，通常渲染时间会较长且占用中央处理器（Central Processing Unit，CPU）较大，故尽量保持设备完全处于渲染状态，如图8所示。

图8 渲染动画

3 使用PR（Premiere Pro CC）软件对动画进行合成剪辑

在3D Max中完成的动画渲染图以JPEG的形式导出，合成剪辑的步骤在PR软件中完成。首先从“导入区”加载3D Max导出的JPEG文件，在“工作区”中视频道、声道等位置对文件进行后期处理，将单个的JPEG文件合成为整体视频文件，对文件进行添加字幕配音、添加转场效果等一系列处理，而后在上方“菜单栏”内点击“编辑”“导出”，最后以.mp4格式导出到指定的文件夹内，完成操作，即完成基于BIM技术的钢结构塔节的工艺过程的三维动画。

4 结语

BIM是三维模型为主、物件导向、建筑学有关的计算机辅助设计。将BIM技术与机械设计与制造结合，创新推动的作用显著。基于BIM技术制作的三维动画能够高度还原实际生产情况，可运用在车间工人与技术人员的技术交底方面，实现可视化直观展示，提高从业人员整体素质和生产效率。基于BIM技术制作的三维动画还可运用在产品的虚拟制造方面，对试制产品的生产工艺进行虚拟制造，验证工艺逻辑性、生产能力与产品的适配性，有效节约生产成本。BIM技术在生产调度方面也具有广阔的前景，实时调控大规模生产的进度，能够极大程度上提高生产效率，缩短工期。本文旨在基于BIM技术结合起重机械设计与制造的应用，为机械行业制造企业的应用提供支持，通过三维动画制作课题的窗口，对响应数字化制造起到积极影响。