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Tekla Structure欄桿建模插件參數(shù)化設(shè)計(jì)

2023-03-21 16:17
船舶與海洋工程 2023年1期
關(guān)鍵詞:實(shí)體模型欄桿立桿

鄧 凱

(中海福陸重工有限公司,廣東珠海519055)

0 引 言

當(dāng)前浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,F(xiàn)PSO)上部模塊模塊化設(shè)計(jì)和建造技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用,模塊上碳鋼或玻璃鋼材質(zhì)的欄桿通常設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)[1],建造方常用Tekla Structure軟件(以下簡稱Tekla)進(jìn)行三維建模[2],通常采用內(nèi)置欄桿節(jié)點(diǎn),根據(jù)設(shè)計(jì)方欄桿典型圖紙和欄桿布置圖紙進(jìn)行細(xì)化建模。當(dāng)內(nèi)置節(jié)點(diǎn)不滿足需求時(shí)進(jìn)行二次開發(fā),但基于內(nèi)置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二次開發(fā)[3]無法擺脫內(nèi)置節(jié)點(diǎn)的框架約束限制,開發(fā)之后節(jié)點(diǎn)功能存在局限性,很少能滿足生產(chǎn)項(xiàng)目的特定欄桿構(gòu)造要求,造成建模存在速度慢、正確率低的問題。本文根據(jù)該軟件的應(yīng)用程序接口(Application Program Interface,API)[4],通過參數(shù)化編程開發(fā),對欄桿參數(shù)進(jìn)行分類和建模步驟封裝,簡化建模人員的操作,達(dá)到快速高效建模的目的。

1 技術(shù)背景說明

1.1 欄桿典型圖要求

本文以中海福陸重工有限公司北美某項(xiàng)目為例進(jìn)行分析,模塊欄桿的設(shè)計(jì)以PIP STF05521 規(guī)范中的典型欄桿圖(見圖1)[5]為基準(zhǔn)。欄桿分為固定式和可拆卸式2 種,其中:固定式欄桿由頂部扶手、橫桿、立桿和踢腳板構(gòu)成;可拆卸式欄桿是在固定式欄桿的基礎(chǔ)上,將頂部扶手、橫桿和踢腳板斷開,并用螺栓與連接板彼此相連構(gòu)成。立桿與H型鋼或槽鋼類型的安裝梁通過角鋼連接,與頂部扶手連接的立桿需削斜,欄桿與欄桿之間成直角轉(zhuǎn)角接頭,各組件的規(guī)格和相互間的定位距離有規(guī)定。

圖2 為該項(xiàng)目采用的欄桿典型圖,整體結(jié)構(gòu)基于PIP STF05521 規(guī)范設(shè)計(jì),但細(xì)節(jié)部分與其存在一定的差異,例如對角鋼規(guī)格、欄桿與安裝梁連接方式、定位距離和螺栓規(guī)格等進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),特別是對欄桿相互垂直轉(zhuǎn)角連接有專門的處理方式:欄桿相交成陽角(圖2 的A-A剖面),行人位于欄桿轉(zhuǎn)角外側(cè),轉(zhuǎn)彎時(shí)可能會與轉(zhuǎn)角碰撞,因此設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角過渡處理,防止碰撞;欄桿相交成陰角,行人位于欄桿轉(zhuǎn)角的內(nèi)側(cè),不會與轉(zhuǎn)角碰撞,兩欄桿自然垂直即可。

圖2 項(xiàng)目采用的欄桿典型圖

1.2 Tekla內(nèi)置欄桿節(jié)點(diǎn)分析

Tekla是鋼結(jié)構(gòu)制造商廣泛使用的深化建模及出圖軟件,該軟件擁有多種國際規(guī)范的型材庫,可對零件進(jìn)行切割等多種布爾操作。圖3 為Tekla內(nèi)置編號為1024 的常用欄桿扶手節(jié)點(diǎn)。

圖3 Tekla內(nèi)置編號為1024的常用欄桿扶手節(jié)點(diǎn)

該節(jié)點(diǎn)可自定義立桿水平距離、橫桿豎直距離、欄桿總長度、與連接梁的偏移量,以及橫桿、立桿、踢腳板的規(guī)格和材質(zhì)等屬性。針對該項(xiàng)目,該節(jié)點(diǎn)存在以下限制:

1)不能滿足立桿頂部削斜要求;

2)不能處理圖2 中C-C 剖面所示立桿與安裝梁的螺栓連接形式;

3)不能處理可拆卸式欄桿具備的螺栓、螺栓連接板和長圓孔開孔;

4)不能處理欄桿垂直相交時(shí)項(xiàng)目的陰角和陽角的特殊要求。

因此,采用內(nèi)置節(jié)點(diǎn)必然導(dǎo)致需將節(jié)點(diǎn)炸開之后進(jìn)行修改模型工作,其能帶來的建模便利性非常有限,特別是不能滿足后3 點(diǎn),導(dǎo)致無法在項(xiàng)目上直接使用,因此進(jìn)行二次開發(fā)工作[6],編制欄桿插件。圖4 為內(nèi)置節(jié)點(diǎn)與插件建模效果對比。

圖4 內(nèi)置節(jié)點(diǎn)與插件建模效果對比

2 欄桿插件參數(shù)化開發(fā)

2.1 Tekla開發(fā)環(huán)境及插件介紹

插件的開發(fā)語言為C#,采用微軟Visual Studio作為集成開發(fā)環(huán)境[7]。為實(shí)現(xiàn)插件同Tekla 通信,需使用Tekla軟件提供的API接口。該接口是一種通用的程序接口,開發(fā)人員可通過該接口實(shí)現(xiàn)調(diào)用Tekla的命令,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建模等具體操作[8]。本文主要采用Takla提供的3 種動(dòng)態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library,DLL)作為接口(見表1)。

表1 Tekla API的3 種DLL庫

插件由3 個(gè)模塊組成,各模塊的功能見圖5。

圖5 插件各模塊的功能

1)窗體模塊為直接面向建模人員的模塊,向建模人員展示插件的功能,如各項(xiàng)功能的說明;獲取建模人員與Tekla的交互信息,如獲取建模人員選擇的安裝梁和輔助梁等;獲取建模人員的輸入信息,如欄桿立桿的間距等。

2)實(shí)體模型模塊將角鋼、扁鋼和螺栓等實(shí)體模型單獨(dú)封裝為一個(gè)模塊,定義其物理規(guī)格信息和材質(zhì)信息,這樣做的目的有2 個(gè):

(1)便于以后擴(kuò)展實(shí)體模型,比如增加新的角鋼規(guī)格和新的材質(zhì)等;

(2)分離實(shí)體模型和功能操作,降低兩者相互影響的程度,避免因?qū)嶓w模型改動(dòng)導(dǎo)致相關(guān)功能操作的代碼大幅度改動(dòng)。

3)功能操作模塊是核心模塊,實(shí)現(xiàn)具體的扶手、立桿和踢腳板等基本欄桿組件的建立、切割和削斜等操作,以及進(jìn)行欄桿的陰角和陽角建模、螺栓連接等操作,各類操作均在程序中定義為對應(yīng)功能的“子程序”,并用實(shí)體模型作為子程序的傳遞參數(shù),由此簡化代碼,實(shí)現(xiàn)代碼塊復(fù)用,形成模塊化程序設(shè)計(jì),使后續(xù)擴(kuò)展其他功能時(shí)降低對當(dāng)前代碼的影響。

2.2 插件開發(fā)

插件開發(fā)面臨的核心問題有2 個(gè):

1)尋找實(shí)體模型與程序模型的對應(yīng)關(guān)系,從而將物理屬性(類型)、幾何屬性(外形尺寸、空間位置)和物理操作(切割、打孔等)“映射”到程序模型上。通過程序代碼操作程序模型,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)操作實(shí)體模型。實(shí)體模型集合了欄桿中各種零件、零件的空間坐標(biāo)及零件之間的切割關(guān)系,而程序模型是由Tekla DLL 提供的Beam、ContourPlate、Point和Boolean等“類”定義的。各種類內(nèi)置的屬性和功能模擬了實(shí)體模型的特性,比如:Point類是定義一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),1 根梁的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)只需Point 類的2 個(gè)實(shí)例即可定義;Boolean

類是定義一種三維體的布爾運(yùn)算操作,切割和打孔操作可通過布爾差集運(yùn)算完成;TransformationPlane類是定義一種坐標(biāo)系變換矩陣,當(dāng)需對零件操作時(shí),可實(shí)現(xiàn)全局坐標(biāo)系到零件局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,方便在零件上定位建模。[9]上述功能分別通過實(shí)體模型模塊和功能操作模塊實(shí)現(xiàn)。

2)尋找人工建模步驟中規(guī)律性強(qiáng)、重復(fù)性高和易錯(cuò)的步驟,梳理并規(guī)范相關(guān)流程,編寫程序處理邏輯和代碼,僅將需人工判斷的信息作為程序的輸入?yún)?shù),本例中的輸入?yún)?shù)分為2 類:一類是完全依賴人工判斷的參數(shù),這類參數(shù)通常是程序的起始條件,是程序無法自行確定的,包括選擇安裝梁和安裝起點(diǎn),判斷欄桿起點(diǎn)和終點(diǎn)的形式,以及選擇起點(diǎn)和終點(diǎn)輔助梁;另一類是半依賴人工判斷參數(shù),這類參數(shù)具有一定的調(diào)整范圍,程序設(shè)置一個(gè)最低限度的默認(rèn)數(shù)值,可接受人工輸入范圍內(nèi)的任意數(shù)值,目的是允許欄桿建模時(shí)在許可范圍內(nèi)修改,提升靈活性。其余的安裝梁類別,梁的高度、寬度、翼緣和腹板厚度信息,橫桿與立桿間距,螺栓孔的直徑、數(shù)量,螺栓連接板位置和厚度等均是固定的數(shù)值,不允許人工修改,作為程序的內(nèi)置數(shù)據(jù)。頂部扶手建模、橫桿和踢腳板建模、立桿建模、立桿頂部削斜、陽角和陰角搭接處理、打螺栓孔和螺栓連接板等操作均是在以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上有規(guī)律地進(jìn)行的,只需按項(xiàng)目的要求逐步完成即可,因此將這些步驟編制成程序進(jìn)行自動(dòng)處理,無需人工干預(yù),從而發(fā)揮計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢,達(dá)到替代人工操作的目的。這些功能將通過功能操作模塊實(shí)現(xiàn)。

基于上述插件的設(shè)計(jì)思想,制訂程序邏輯流程圖(見圖6),并完成3 個(gè)模塊的編程和插件交互界面(見圖7)設(shè)計(jì)。窗體底部和右側(cè)的按鈕為建模人員必須人為判斷的完全依賴參數(shù);中部深色背景框的參數(shù)為半依賴人工參數(shù),建模人員可修改或選擇默認(rèn)值,當(dāng)超出允許范圍時(shí),程序會提出錯(cuò)誤警告進(jìn)行糾錯(cuò)提示;其余各類信息(如立桿規(guī)格、橫桿間距和踢腳板規(guī)格等)完全為程序內(nèi)置數(shù)據(jù),不能被建模人員修改。

圖7 插件的交互界面

插件運(yùn)行之后,若建模人員選擇和操作正確,將一次性完成欄桿建模,無需作任何修改。插件對需要建模人員判斷的數(shù)據(jù)和規(guī)律性步驟進(jìn)行自動(dòng)處理,使建模人員無需關(guān)注程序內(nèi)部流程,僅關(guān)注輸入?yún)?shù)即可準(zhǔn)確高效地完成建模工作。

3 結(jié) 語

欄桿插件參數(shù)化開發(fā)跳出了Tekla軟件內(nèi)置節(jié)點(diǎn)的束縛框架,完全滿足項(xiàng)目的特殊要求;對各類參數(shù)和流程建立了處理邏輯,封裝了眾多固定數(shù)據(jù)和操作步驟,僅留出必要的供建模人員輸入的參數(shù),大幅簡化了建模人員操作。該插件經(jīng)過項(xiàng)目中總計(jì)長約3 000 m 的欄桿建模測試,準(zhǔn)確度達(dá)到100%,效率是常規(guī)做法的5 ~6 倍,累計(jì)直接節(jié)約180 工時(shí),間接節(jié)約了校審的工時(shí),在項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮了巨大作用。此外,相對于內(nèi)置節(jié)點(diǎn)版本控制難和易被修改的問題,該插件不僅可加密編譯為可執(zhí)行格式文件,而且可控制插件的使用壽命,定期分發(fā)新版,防止建模人員使用舊版,從而解決內(nèi)置節(jié)點(diǎn)的問題。同時(shí),插件具有良好的可擴(kuò)展性,后續(xù)若有基于PIP STF05521 欄桿標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目,只需對插件進(jìn)行部分針對性修改即可使用,無需重新編制。

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