基于CATIAV的厂房机电三维协同设计

　　1 概述

　　水电站工程自然条件复杂，设计和建造周期较长;参与设计的专业众多，工程设计管理复杂。尽管传统二维CAD软件已经得到广泛应用，由于专业之间设计周期的不同，设计人员之间没有统一的设计平台，经常出现不协调、不能发现和有效解决设计间的错、漏、碰等问题;一个环节出现变更，反馈时间长，影响了工程的设计进程和设计产品质量。基于VPM系统平台，各专业设计人员能够在基于网络化和信息共享的平台上进行三维协同设计，有效解决传统二维CAD软件功能的缺陷。

　　2厂房三维设计

　　2.1 骨架设计

　　骨架由控制性的点、线、面构成。它必须是控制性的，它的作用在于支撑整个模型，是模型设计的脊梁支柱。建筑物、构筑物、机电设备均要直接或间接依赖于它，它的更改会联动其他构件的更改。在软件环境中设定了一些规定，如：在装配环境中骨架模型发布后，下一级的零件才能引用。骨架从功能上分为定位骨架和定型骨架;从层次上分为总体骨架、专业骨架及更细的构件骨架。骨架采取多级别的组织型式，总体控制骨架由高层统一发布，总体骨架发布到各专业后，各专业通过引用总体骨架，建立自己本专业的控制骨架，在专业骨架的基础上，进一步细化构件的骨架。

　　骨架建模的核心是要理顺模型之间的从属关系，不但要使骨架能够有效驱动模型，同时要使骨架尽量简单明了，这是平面设计与三维设计的一个重要区别。在平面设计里，只有结构本身这一个技术问题，而在三维设计里，还有一个重要的技术问题，那就是三维模型都是非常庞大的，同时设计也是多专业并行的。采用分散式的自下而上的建模方法，各专业不能实时直观地获得相关的数据与信息，各专业之间数据交换频繁，设计效率较低。在大的环境下装配各专业的模型需要耗费大量的时间来研读其他专业的模型组织结构，甚至要做些必要的修改工作，关联性很容易在其中任何一个环节打断。

　　正因为三维模型是如此庞大的一个系统工程，遵循自上而下建模精神的骨架建模是模型的有效组织型式，它可以避免分散式的自下而上的建模方式的主要缺点，同时又不失灵活性，通过骨架可划分设计权限，实现并行设计、协同设计。

　　机电设计人员根据规划专业提供的水电站自然条件和装机容量来确定装机型号、单机容量、装机台数等基本参数给厂房专业设计人员。厂房设计之前，先将厂房结构按概念设计的要求规划出厂房的骨架，主要包含结构分层、中心线的规划，因此在骨架中包含厂房的分层面及纵横方向中心线，依赖于骨架的规划，关联引用骨架各层完成厂房的设计。

　　厂房专业管理员根据该EXCEL表格在VPM环境里建立起整体模型结构树，将厂房的建筑物各个部位的设计任务分配给各个设计人员，不同的设计人员拥有不同的权限，可以查看、修改、复制或粘贴等的操作。管理员同时也建立起骨架模型，它包括厂房顶拱面、吊车梁顶面、发电机层面、电气夹层面、水轮机层面、安装高程面、尾水操作廊道层面、尾水管底板面、厂房上下游墙面主厂房左右段墙面等平面，还有基于安装高程面上机组的纵轴线以及纵轴线上的机组中心点，这些点线面均由参数来控制，然后参数再用EXCEL表来统一管理，再将这些参数发布出来，以备后面厂房中各个部位建模时引用为控制性的数据，如图l所示。

　　图1 参数驱动骨架

　　2.2参数化与关联设计

　　参数化、关联设计是CATIA的主要技术优势之一，采用这一技术可以使设计参数的更改或在可控范围内的设计结构型式变更变得异常容易，参数的调整可带来全局性的结构变化，基于设计参数和设计结构型式的后续工作均无需重复劳动，可大大提高设计效率，减少设计更改过程中的设计失误。充分发挥CATIA参数化、关联性的优势。通过对专业技术知识的收集，总结设计流程，分解结构组成，列举结构型式，归纳设计参数，使标准的结构参数化，非标准的结构尽量标准化，不能标准化的结构，定制面向操作的动作模板。

　　参数化、关联设计的核心在于设计好控制结构变形的参数，这基于对工程的深刻理解和对CATIA软件的熟练应用，逻辑合理、控制得当的参数是保证模型协调快速变形的基础，如图2所示。

　　图2 参数化厂房模型

　　若在大骨架中有方案变动，如：主机间、安装问长宽高，机组台数、间距。只需在骨架中调整上述参数，并同步更新即能完成模型相似性结构修改，如图3所示。

　　图3 厂房模型变化

　　3机电设备与管路系统

　　机电设备与管路系统设计可分为二维概念设计、三维概念设计、详细设计三个过程。机电设备三维设计流程如图4所示。

　　图4 三维设计流程

　　3.1二维概念设计

　　二维概念设计即系统原理图设计，基于功能/原理而非三维实物零件进行系统设计。用户预先将二维符号与三维零件相关联，运用原理图可以驱动图中的三维设备放置，自动或手动排放管系路径、定位布置各类阀件和附件，定向调整、检测管系的流向等，见图5。

　　图5 二维系统原理图

　　3.2三维概念设计

　　三维概念设计即设备布置及管路空间走向布置。根据二维原理图及“Rule”驱动三维设备布置，通过“RUN”完成管路三维几何空间走向布置，可以通过拖拽的方式精确调整设备位置，在调整过程中实时检测管系设备之间的碰撞干涉情况，见图6。

　　图6 设备及管线布置

　　3.3详细设计

　　在详细设计过程中，管系、风管、电气设计人员可分别在自己的“路径”上，根据预定义的Design Rule、Standard、Specification直接定位放置或调整各类部件。例如：管系“路径”上的各类阀件、附件、仪表、管子支架等;通风“路径”上的各类风机、调风门、风管吊架等;电气“路径”上的各类附件、电缆托架等;检查在三维空间中布置的管系、风管与电缆系统是否有因设计人员的疏忽而遗漏个别阀件、附件等。

　　4机电与厂房协同设计

　　4.1 VPM平台

　　VPM是达索系统(Dassault Syst宅mes)公司一个协同技术平台。VPM(Virtual Product Lifecycle Manage.ment)意为虚拟产品生命周期管理。VPM是达索系统公司基于CATIA平台上的一个既能满足协同设计又能满足虚拟产品生命周期管理的解决方案。基于VPM的协同设计可以提高设计效率，保护企业知识，加快企业创新速度，提高企业创新能力。VPM是以CATIA为基础，以设计产生的数据为核心，实现对产品相关的数据、过程进行一体化集成管理的技术。VPM的核心技术在于，能够使所有相关参与项目产品开发的人在整个产品生命周期中自由浏览或共享与产品相关的同构或异构数据。VPM系统是为实施基于CATIA的在线设计而搭建的协同平台，系统通过对统一存放在服务器中的结构化的数据，进行设计任务的分解与分配、设计数据的动态协同和归档、设计模板的管理与共享。三维可视化设计具有可视的特点，可以大大提高平面设计的效率，改善设计质量;三维可视化设计具有关联性、参数化的特点，可以大大减少重复劳动强度，逐步进行数据挖掘和知识积累，作为开展知识工程，创建学习型组织的信息平台;三维设计具有实时协同、在线设计的特点，可以提高协同工作的效率，很好的保证数据一致性和实时更新，缩短设计周期，便于归档和即时地解决问题，VPM平台如图7所示。

　　图7 VPM平台

　　4.2机电VPM环境数据结构

　　机电专业节点建立在需要参考或引用的厂房建筑节点下，与建筑骨架同级。该节点由厂房专业设计人员建立，并将所有权转移到机电专业设计人员。下面以厂房专业与水机专业数据为例，说明厂房与机电专业的数据关系，如图8所示。

　　图8 第一副厂房机电数据结构

　　机电专业节点可以按以下两种结构类型保存数据到ENOVIA。(1)结构炸开节点。Explode(与水工模型关系：引用)以呈示结构方式保存，在VPM Navigator结构树下能看到内部结构，能与外部元素关联，此节点活动状态下，部分机电专业模块不可用(如设备布置模块、管路设计模块等)。此节点用于非系统设备安装。(2)工作包节点。work Package(与水工模型关系：参考)以呈示发布方式保存，在VPM Navigator结构树下能看不到内部结构，不能与外部元素关联，此节点活动状态下，机电专业模块可用。此节点用于设备与管路系统布置，如图9所示。

　　图9 机电专业节点结构

　　4.3机电与厂房协同设计实例

　　4.3.1 机电引用厂房建筑骨架

　　机电专业在Explode节点下插入模型，通过装配设计模块下的约束按钮，使厂房骨架与水机模型产生约束关系，厂房建筑骨架修改后，机电模型会根据骨架的调整更新模型位置，一般用于未定义机电类型设备的装配，如吊车、水轮机、发电机等设备，如图l0所示。

　　图10 水轮发电机组引用厂房骨架装配

　　4.3.2厂房专业引用机电专业开孔符号

　　由机电专业将各种样式的开孔符号添加到机电库，作为套管输出结果的一部分，与套管模型同时调出。厂房专业可通过DMU空间分析模块分析管道穿过建筑体位置，引用该位置开孔轮廓，为建筑物开孔。

　　4.3.3机电专业参考建筑物定位

　　机电设备可以直接安放在建筑物平面上，并可以通过“Offset Plane”(偏移)功能，将水工建筑物实体平面作为参考平面，使用拖拽方式快速定位设备与管路。设计人员也可以使用“更改当前坐标”功能，将水工建筑各坐标系设定为当前坐标，参考该坐标系为设备与管路定位布置。

　　5结语

　　基于VPM平台，应用CATIA软件厂房机电三维协同设计和传统软件比较具有很多优势，它使设计变得直观，所见即所得的数据结构使沟通变得容易和确定。它可以避免二维平面思维中出现的盲区，最大限度地减少疏漏。通过关联，可以使得上游结构的变更在第一时间与下游专业、下游产品同步，一致性自然保持，大大节省校核时间。三维模型使设计变更变得轻松，参数化的设计，使模型基本由参数控制，参数的修改即可导致模型的更新，提高设计工作效率。