桥梁三维造型系统的研究与开发

发布时间：

第19卷第4期2003年12月
长　沙　交　通　学　院　学　报
JOURNALOFCHANGSHACOMMUNICATIONSUNIVERSITYVol.19No.4
Dec.2003
　　文章编号:1000-9779(200304-0055-04
桥梁三维造型系统的研究与开发
何　礻韦,李传习,谭海洋
(长沙理工大学,湖南长沙　410076
摘　要:介绍国内公路桥梁CAD软件研究与开发的基本情况和基于特征的、参数化的三维造型的基本知识,提出了桥梁CAD软件的研制方向及桥梁三维造型系统研制的可行性和必要性,给出了桥梁三维造型的几种主要技术处理措施和方法。关键词:桥梁CAD;图形系统;三维造型;特征;参数
中图分类号:U442.5　　　文献标识码:A　　Ξ
目前公路桥梁软件可分为二种类型,一种是使用通用的图形软件作为支撑软件,在其基础上开发专业化的子系统或模块;另一种是集图形功能于一体的专业化软件[1]。国内研制的公路桥梁软件主要采用前一种方法开发,其通用的图形支撑系统为AutoCAD,设计思想基于二维平面图形设计[2～5],即先完成二维平面图形的设计,通过二维平面图形所提供的几何信息产生三维效果图,很显然,这种方法并不是真
正的三维实体设计,而事实上工程师设计产品是从三维实体开始的,即工程师设计产品的构思是从三维开始的,设计出来的产品当然也是三维实体。随着CG、CAGD和CAD技术的飞速发展“,设计从三维开始”这一思想已成为现实,并已广泛应用于机械和航空航天等领域。公路桥梁CAD软件的研制与开发朝着三维实体造型这一方向发展是现实的、可行的,也是今后发展的趋势。国内也开展了公路三维造型这方面的研究和探索[6～9],而基于三维设计的且商品化程度高、可靠性高、易于维护和二次开发的公路桥梁三维造型系统仍未见诸报道。本文简要介绍基于商品化的三维图形支撑系统的桥梁三维造型的一些技术处理和开发情况,由于桥梁下部结构比较简单,以下介绍以上部结构为主,同时主要讨论三维实体造型,结构计算本文不作叙述。
1　三维设计基本知识
三维实体设计与传统的二维平面设计相比具有以下优点[10]:
1三维设计直接产生三维实体,因此能准确地反映设计者的设计思想,可视化程度高,给产品的结构设计带来很大的方便,容易进行多方案的比较,也容易检查设计错误,大大提高了设计效率和质量;
2三维实体生成后,二维投影如三视图、轴侧图、剖面图等均可自动生成,这样避免了复杂形体的投影错误,免除了设计人员费力寻找投影关系的时间,提高了设计速度,节省了存储空间;3三维设计是基于特征的、参数化的,且二维投影和三维模型是双向关联的,在设计过程中可随意更改三维实体或任一视图的尺寸,更改后将导致三维实体和所有视图的自动更改,这样对各实体的修改和组装带来极大的方便,缩短了修改设计的时间;
4已有的三维设计软件能自动计算各实体的物理特性(如重量、体积、表面积、重心、主轴和惯性矩等,免除了设计人员许多计算尤其复杂形体的特性计算;
5已有的三维设计软件设计出来的产品为三维实体或三维表面,为有限元分析和加工准备好了数学模型,并且能与许多有限元分析软件、运动分析软件等进行无缝连接。
目前国内外基于特征设计的、参数化的三维设计软件主要有以下一些产品[11]:
Ξ收稿日期:2003-05-12
,男,长沙理工大学讲师.作者简介:何　礻韦(1965—
©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.

　　　　　　　　　　　　　　长　沙　交　通　学　院　学　报　　　　　　　　　　　第19卷　56
MDT　　　　　美国AUTODESK公司InventorUGSolid-edgeSolid-works
美国AUTODESK公司
美国UG公司美国UG公司
美国SOLIDWORKS公司
金银花中国北京航空航天大学CAXA中国北京航空航天大学
产品价格一般在5～20万元/套左右,国产三维软件价格略低一些。考虑到国内桥梁CAD软件开发研究已有20多年的历史,一些比较成熟的软件已应用于生产实践中,这些基于PC机平台的软件的图形支撑系统基本上为AutoCAD。因此,研制公路桥梁三维造型系统所用的图形支撑系统建议采用AUTODESK公司的“MDT”或“Inventor”为好,其国内市场价格为6万元/套左右,性能价格比高,易学
易用,且具有开放的结构体系,易于二次开发。其中MDT最初是基于AutoCAD环境开发出来的机械设计平台系统,但同样可适应于土木工程等其他行业,其“装配”设计思路与部分桥梁设计相似,MDT具有强大易用的三维参数化建模功能,能使用户不必抛弃现有的二维绘图资源并由此开始三维造型设计,同时又允许用户沿袭传统方式而分别实现二维或三维设计,能够直接和充分利用现有二维CAD资源及成果。作者正在研制的HBCAD桥梁三维造型系统以MDT6.0为图形支撑系统,开发工具主要采用VBA,目前等截面梁桥(含正交、斜交、弯坡桥上部结构和部分钢筋骨架造型已基本完成。
2　桥梁三维造型技术及处理
2.1　建模技术
MDT是基于参数化草图产生三维实体模型的,参数化草图包含创建轮廓草图和约束草图两个方
面,桥梁造型创建轮廓草图主要以主梁横断面图和相关特征为基础;约束草图主要给主梁横断面图和相关特征添加尺寸,当然也可以不先添加;待得到满意设计效果后再约束尺寸。参数化草图产生三维实体有拉伸、加强、折弯、薄壁、旋转、扫掠、放样、圆角、倒角、抽壳、阵列、分割等方法及特征。桥梁造型也可以先创建基本形体如长方体、圆柱等的轮廓草图,根据轮廓草图产生基本形体,然后由基本形体经过添加或切削等方式产生实体。各实体之间可进行布尔运算产生新的实体,同一类型实体通过设计变量与表进行驱动可提高设计效率,节省储存空间;两个或多个实体经过组装可产生复杂形体。2.2　系统模块
图1为HBCAD桥梁三维造型系统简略框架图,其中总体信息模块包含地面线、水位、地质、锥坡、图幅控制等信息;平纵设计要素包含桥梁所处线路的平曲线、竖曲线、跨径、桥宽等要素;桥梁视图包含设计完成后自动生成的总体布置图、结构构件图、剖面图及轴侧图等,也可根据设计完成后所得桥梁实体直接进行合适的剖切产生需要的剖面图;桥梁结构计算模块可使用MDT的工程分析模块,当然这需要进行相应的二次开发,也可直接连接其它专业化有限元软件;上部结构设计模块中的等截面梁、变截面梁、拱桥等均包含下一级或更下一级模块,如等截面梁中包含板梁、T梁、I梁、箱梁等;桥梁造型设计模块包含上、下部结构实体造型和相应钢筋骨架造型两部分,下部结构设计模块与此类似,在此不再复述。2.3　开发工具
开发MDT的工具较多,常用的工具有VBA、VisualLisp、ObjectARX等,VBA是集成到MDT中的一种易于使用的可视化工具,具有速度快、灵活性好、方便易用等优点。HBCAD桥梁三维造型系统采用VBA作为主要开发工具。2.4　桥梁造型处理2.4.1　主　梁
©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.

第4期　　　　　　何　礻韦,李传习,谭海洋:桥梁三维造型系统的研究与开发　　　　　　　57
图1　系统模块简略图
　　由于下部结构外形相对而言比较简单,因此以下主要介绍桥梁上部结构造型。等截面梁桥可分为正交、斜交、弯坡桥等,正交桥可先创建主梁横断面草图及特征位置草图,通过拉伸草图方式产生桥梁实体,拉伸有面向基础、添加和切削等方式,如预应力梁桥存在齿板,则齿板部分可采用添加方式实现,预应力孔道可采用切削方式实现等;斜交桥可先确定桥梁两端的主梁横断面草图及特征位置草图,然后通过线性放样方式产生桥梁实体,放样也有面向基础、添加和切削等方式;弯坡桥造型与斜交桥类似,也是采用放样方式得到实体,但是主梁横断面草图除两端草图及特征位置草图外,还需增加跨中、1/4跨及更多特征位置处草图,并采取三次样条放样方式产生桥梁实体。变截面梁桥造型方法与等截面梁桥中的斜交桥和弯坡桥相同,以放样为主产生实体。拱桥、斜拉桥和悬索桥应根据实际不同类型和要求进行造型,一般采用拉伸或放样方式得到各构件实体,然后将各构件按相对位置和设计要求合适地组装起来实现桥梁造型,目前研制工作仍未做到这一步。当然,设计过程中既可按部颁桥梁标准图开展设计,也可不受标准图或成规的限制而根据实际要求和设计者的意图直接进行设计,以便满足不同的需要,单跨梁或全桥可由造型产生的各片梁装配而成,上、下部结构经过装配生成全桥,装配过程中只需注意各部分之间的相对位置,这也正是桥梁三维造型的一个主要优点。采用HBCAD桥梁三维造型系统设计的10m斜
实体及三视图如图2所示,尺寸标注交板梁(30°
略。以下三视图和轴侧图均由实体自动生成,其中三视图内的虚线也可自动隐藏不画,各视图均可根据设计要求或表达需要自动改为合适的剖面图。2.4.2　钢筋骨架
钢筋骨架一般采用扫掠方式进行造型,首先确定扫掠路径(即钢筋下料形式和钢筋成型图,然后根据钢筋直径形成扫掠草图,经过扫掠产生单根钢筋实体;如钢筋没有弯钩和弯起,也可直接采用拉伸方式产生钢筋实体。形成钢筋骨架的方法可采用装配造型实现,如图3所示为正交板梁部分钢筋骨架示意图。以下三视图和轴侧图均由骨架实体自动生成,其中轴侧图放大了一倍。
图3　正交板梁部分钢筋骨架示意图
图2　30°斜交板梁图
©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.

　　　　　　　　　　　　　　长　沙　交　通　学　院　学　报　　　　　　　　　　　第19卷　58
3　结　语
“设计从三维开始”这一思想是工程CAD发展的趋势。本文介绍了以MDT6.0作为图形支撑系统开发桥梁三维造型系统的基本知识和技术,提出了公路桥梁三维造型的一些技术处理措施和方法,对桥梁CAD的应用研究进行了一定的探索。与传统桥梁CAD相比,桥梁三维造型直接从实体设计开始,运行速度快、储存量少、可视化程度高,为桥梁设计、评价和修改提供了形象化的视觉手段,桥梁实体设计完成后,即可根据桥梁实体自动生成各种视图和剖面、断面图。三维造型是基于特征的、参数化的,全参数化的造型系统可以自动记录设计的整个过程,特征的每一个属性可以被一个参数定义,参数可以随时修改。设计既可以桥梁标准图为基准进行,也可不受标准图或成规的限制而根据实际需要和设计者的意图直接进行,只需将工程师脑中的三维构思表达成计算机中的三维模型,就可以得到真实的三维实体。设计过程以实体为研究对象通过添加或切削等方法实现三维造型,与工程师的设计构思过程相吻合,这一方法对桥梁CAD的研究具有一定的意义。参考文献:
[1]　朱照宏.公路计算机辅助工程[M].北京:人民交通出版社,2000.
[2]　吕建鸣,杨　昀,李　新.桥型布置CAD软件的研究[A].第十三届全国桥梁学术会议论文集[C].上海,1998.[3]　王书庆,石　洞,张之勇.桥梁集成CAD系统的组成和功能[A].第十三届全国桥梁学术会议论文集[C].上海,
1998.
[4]　周宗泽,易建国,石雪飞,等.可视化桥梁结构设计软件———桥梁博士系统[J].同济大学学报(自然科学版,1999,
27(2.
[5]　梁　鹏,徐　岳.现代桥梁CAD研究与开发[J].长安大学学报(自然科学版,2002,22(3.
[6]　杨东援,王国强,朱照宏.机场场道工程CAD系统中设计面三维曲面模型[J].计算机辅助设计与图形学学报,
1998,10(1.
[7]　王国强,杨东援,朱照宏.道路、机场CAD系统三维工程设计模型研究[J].同济大学学报(自然科学版,1996,24
(4.
[8]　王福建,曾学贵,李　方,等.三维表面模型在公路线形设计中的应用研究[J].中国公路学报,1998,11(3.[9]　何　礻韦,李金宝,张　斌.公路CAD系统三维设计方法[J].长沙交通学院学报,2000,16(1.[10]　赵景亮,王妍凤,郑　轶,等.中文MDT6.0基础与实例教程[M].北京:北京希望电子出版社,2002.[11]　窦忠强,张苏华,庞永军.高校的CAD教学应从三维开始[J].工程图学学报,2001,22(4.
DevelopmentofBridgeSysteminThree2dimensionalModelling
HEYi,LIChuan2xi,TANHai2yang
(ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410076,China
Abstract:Inthispaper,theauthorsintroducedthebasicdevelopmentofhighwaybridgeCADsoftwareandtheknowledgeofthree2dimensionalmodelling,andproposedthedevelopingopinionofbridgeCADsoftware,thefeasibilityandnecessityfordevelopmentofbridgesysteminthree2dimensionalmodelling.Theauthorsalsodescribedthemaindesignmethodsofbridgethree2dimensionalmodelling.Keywords:bridgeCAD;graphicssystem;three2dimensionalmodelling;feature;parameter
©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.

桥梁三维造型系统的研究与开发

推荐内容

相关推荐