论文部分内容阅读
摘 要：海上风电项目风机基础设计存在结构复杂、设计周期短等特点，选择合适的三维设计软件以摆脱传统二维设计的缺点是急需解决的问题;以江苏某风电场六桩导管架风机基础为例，探讨了Tekla Structures三维设计软件在海上风机基础设计中的应用实践，为海上风机基础采用合适的三维软件进行设计寻找到一条合适的路径。
关键词： 海上风电;风机基础;三维设计;二维出图;材料报表
中图分类号：U674.94 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）26-0001-02
1 概 述
多年来，AutoCAD一直是我们转化钢结构详图、生产放样的主要工具，与传统的手工制图、手工放样相比，AutoCAD 曾经给我们的工作带来革命性的变化。然而随着社会日新月异的发展，AutoCAD的功能在某种意义上不再能尽如人意。
随着国内海上风电场的大规模建设，海上风电场风机基础设计将迎来高峰。至2015年12月，国内应用于海上风电的风机基础型式主要有单桩基础、导管架基础及高桩承台基础，复杂的管节点设计及钢筋混凝土结构，使得传统地采用AutoCAD制图难以满足施工图阶段对于图纸准确性、高效性及空间性的要求，并且AutoCAD也不能体现海工结构的空间位置关系。所以，无论是从视图的直观性还是设计过程中的准确性，三维详图设计软件在海上风电工程风机基础施工图设计中的应用将成为一种必然的趋势。
2 海洋工程三维设计软件使用概况
目前，常用的三维设计软件有：Tekla Structures、Microstati
on-Prosteel、Solidworks、Inventor、CATIA、UG等，不同的的软件适用于不同的行业，其中Solidworks、Inventor、CATIA、UG等软件更多的应用于机械制图及数控加工、模具等领域;Tekla Structures软件则致力于开发钢结构及混凝土结构的BIM技术，同时在海洋结构设计领域有较多的用户;Microstation-Prosteel软件在多专业集成领域具有较大的优势，两种软件均有针对钢结构三维设计的专业模块。
根据调研结果，认为Tekla Structures、Microstation-Prosteel两种软件对于海上风机基础三维设计有较高的适应性，故分别采用两种软件对海上风机导管架基础进行建模比较，选择更为合适的三维软件。
我们使用过程中，比较可以发现，Tekla Structures软件在界面显示、模型渲染等方面具有更好的效果，同时根据具体在三维建模抽图等方面的使用发现，Tekla Structures软件可以更快捷的建立模型、获取视图、生成材料清单和抽取二维图纸。
通过对两种软件的使用过程及得到成果进行对比，相对而言，Tekla Structures更适应于海上风电风机基础。因此，我们采用Tekla Structures展开了海上风机基础深入的三维设计探索，同时随着软件版本的提升，很多的功能得到了长足的扩展，为我们的三维设计工作带来了很大的便利性。
3 Tekla-structures在海上风机基础施工图中的 应用
3.1 设计流程
设计流程，如图1所示。
3.2 建模过程
3.2.1 主体结构建模
江苏如东地区某风电场的风机基础型式为导管架基础，其结构形式为：六桩导管架基础桩径为1.9 m钢管桩沿直径24 m的圆周均匀分布，考虑主筒体的变径设计：由上到下7.072m等径段、7.072～4.5 m变径段、4.5 m等径段;上斜撑变径设计：从主筒体到套管2.7 m等径段，2.7～2.0 m变径段、2.0 m等径段;下斜撑等径设计采用1.6 m变厚度钢管。这是个集成了不规则大型钢管建模和规则型钢建模的典型基础，包含了海洋工程结构设计中的大直径钢管桩、大直径弦杆和撑杆以及复杂的K型节点，可以有效的检验Tekla Structures软件在海上风机基础三维设计中的优越性。
3.2.2 附属构件建模
导管架结构的附属构件较为复杂，包括内外平台、防撞构件、电缆管结构及爬梯结构等。该风机基础设计的工作外平台尺寸为18.298 m×13.660 m，通过10根直径480 mm钢管支撑与主结构斜撑上，下部焊接电缆桥架;外部爬梯与防撞构件采用集成设计，爬梯为三段折梯;电缆管结构从主体结构开孔进入基础内部后上升至基础以上。
3.3 后处理
3.3.1 碰撞检查
结构是空间的，二维图纸将空间结构用平面模型表达时在多方位想象的情况下仍然容易出现空间碰撞的情况，就是建立的三维模型也容易在一些隐蔽位置出现构件碰撞等情况，所以tekla通过对模型的自动检查，可以在弹出对话框中显示碰撞的零件属性，查找零件。
3.3.2 生成材料报表
Tekla也可以输出图纸中全部和部分组件的构件清单、零件清单、螺栓清单等，并可以利用软件自带工具或excel打开和编辑。清单模板也可以在模板编辑器中进行自定义编辑，将零件或构件的数量、材质、长度、净重、毛重等工程中需要统计的项目均进行定义。做此工作前需要在建模时统筹零件编号和构件编辑，这样输出时才会按照设置好的编号进行统计。
3.3.3 抽取二维图纸
Tekla的图纸功能包括抽取整体布置图、零件图、构件图及多件图，通过选择不同的图纸功能，我们可以得到三维模型在各个平面下的整体布置图，选择的每个零件的单件图，多个零件组合的构件图等等。
同时，tekla生成图纸的方式多种多样，可以通过操作界面快捷方式、鼠标右击，或者在已经生成的图纸中可以通过剖面的型式生成新的图纸，如图2、图3、图4和图5所示。
3.4 模型修改
对于实际的海上风电风机基础建设工程，从方案设计到备料施工，各个环节都有可能对原设计进行调整完善，这些变化都可以通过对模型的修改直接再二维图纸上表现出来，仅需要对图纸库进行更新即可，同时与原图纸的变化也会通过云线在新图纸中标识出来，从而有效降低设计人员的返工和重复现象，减轻劳动强度的同时提升了产品质量。
4 结 语
三维设计在海上风机基础中的应用还刚刚展开，从不断的应用和探索过程中，以下两点都值得后续深入思考：
①大规模参数化小构件。风机整体结构的钢管桩、导管架在tekla中建模出图相对简单，而一些附属构件，内部加强结构等就较为繁琐。为提高建模与出图效率，需要参数化建立一些常用的组块，比如防撞结构、爬梯、栏杆等，此项工作前期工作量投入较大，但对于后续建模将是极大的便利。
②动画效果制作。Tekla的三维效果强大，但无动画功能，风机基础汇报时若使用动画放映，效果会非同凡响。
随着各行各业对设计、制图模式的革新及海上风电行业的蓬勃发展，三维风机基础设计将成为加快出图效率、减轻行业工作强度、保证设计工作质量、提升行业整体设计水平的有效手段。
参考文献：
[1] 王志云，王栋，栾茂田，等.复合加载条件下吸力式沉箱基础承载特性数 值分析[J].海洋工程，2007，（02）.
[2] 宋础，刘汉中.海上风力发电场开发现状及趋势[J].电力勘测设计，2006，
（02）.
[3] 邢作霞，陈雷，姚兴佳.海上风力发电机组基础的选择[J].能源工程，
2005，（06）.
关键词： 海上风电;风机基础;三维设计;二维出图;材料报表
中图分类号：U674.94 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）26-0001-02
1 概 述
多年来，AutoCAD一直是我们转化钢结构详图、生产放样的主要工具，与传统的手工制图、手工放样相比，AutoCAD 曾经给我们的工作带来革命性的变化。然而随着社会日新月异的发展，AutoCAD的功能在某种意义上不再能尽如人意。
随着国内海上风电场的大规模建设，海上风电场风机基础设计将迎来高峰。至2015年12月，国内应用于海上风电的风机基础型式主要有单桩基础、导管架基础及高桩承台基础，复杂的管节点设计及钢筋混凝土结构，使得传统地采用AutoCAD制图难以满足施工图阶段对于图纸准确性、高效性及空间性的要求，并且AutoCAD也不能体现海工结构的空间位置关系。所以，无论是从视图的直观性还是设计过程中的准确性，三维详图设计软件在海上风电工程风机基础施工图设计中的应用将成为一种必然的趋势。
2 海洋工程三维设计软件使用概况
目前，常用的三维设计软件有：Tekla Structures、Microstati
on-Prosteel、Solidworks、Inventor、CATIA、UG等，不同的的软件适用于不同的行业，其中Solidworks、Inventor、CATIA、UG等软件更多的应用于机械制图及数控加工、模具等领域;Tekla Structures软件则致力于开发钢结构及混凝土结构的BIM技术，同时在海洋结构设计领域有较多的用户;Microstation-Prosteel软件在多专业集成领域具有较大的优势，两种软件均有针对钢结构三维设计的专业模块。
根据调研结果，认为Tekla Structures、Microstation-Prosteel两种软件对于海上风机基础三维设计有较高的适应性，故分别采用两种软件对海上风机导管架基础进行建模比较，选择更为合适的三维软件。
我们使用过程中，比较可以发现，Tekla Structures软件在界面显示、模型渲染等方面具有更好的效果，同时根据具体在三维建模抽图等方面的使用发现，Tekla Structures软件可以更快捷的建立模型、获取视图、生成材料清单和抽取二维图纸。
通过对两种软件的使用过程及得到成果进行对比，相对而言，Tekla Structures更适应于海上风电风机基础。因此，我们采用Tekla Structures展开了海上风机基础深入的三维设计探索，同时随着软件版本的提升，很多的功能得到了长足的扩展，为我们的三维设计工作带来了很大的便利性。
3 Tekla-structures在海上风机基础施工图中的 应用
3.1 设计流程
设计流程，如图1所示。
3.2 建模过程
3.2.1 主体结构建模
江苏如东地区某风电场的风机基础型式为导管架基础，其结构形式为：六桩导管架基础桩径为1.9 m钢管桩沿直径24 m的圆周均匀分布，考虑主筒体的变径设计：由上到下7.072m等径段、7.072～4.5 m变径段、4.5 m等径段;上斜撑变径设计：从主筒体到套管2.7 m等径段，2.7～2.0 m变径段、2.0 m等径段;下斜撑等径设计采用1.6 m变厚度钢管。这是个集成了不规则大型钢管建模和规则型钢建模的典型基础，包含了海洋工程结构设计中的大直径钢管桩、大直径弦杆和撑杆以及复杂的K型节点，可以有效的检验Tekla Structures软件在海上风机基础三维设计中的优越性。
3.2.2 附属构件建模
导管架结构的附属构件较为复杂，包括内外平台、防撞构件、电缆管结构及爬梯结构等。该风机基础设计的工作外平台尺寸为18.298 m×13.660 m，通过10根直径480 mm钢管支撑与主结构斜撑上，下部焊接电缆桥架;外部爬梯与防撞构件采用集成设计，爬梯为三段折梯;电缆管结构从主体结构开孔进入基础内部后上升至基础以上。
3.3 后处理
3.3.1 碰撞检查
结构是空间的，二维图纸将空间结构用平面模型表达时在多方位想象的情况下仍然容易出现空间碰撞的情况，就是建立的三维模型也容易在一些隐蔽位置出现构件碰撞等情况，所以tekla通过对模型的自动检查，可以在弹出对话框中显示碰撞的零件属性，查找零件。
3.3.2 生成材料报表
Tekla也可以输出图纸中全部和部分组件的构件清单、零件清单、螺栓清单等，并可以利用软件自带工具或excel打开和编辑。清单模板也可以在模板编辑器中进行自定义编辑，将零件或构件的数量、材质、长度、净重、毛重等工程中需要统计的项目均进行定义。做此工作前需要在建模时统筹零件编号和构件编辑，这样输出时才会按照设置好的编号进行统计。
3.3.3 抽取二维图纸
Tekla的图纸功能包括抽取整体布置图、零件图、构件图及多件图，通过选择不同的图纸功能，我们可以得到三维模型在各个平面下的整体布置图，选择的每个零件的单件图，多个零件组合的构件图等等。
同时，tekla生成图纸的方式多种多样，可以通过操作界面快捷方式、鼠标右击，或者在已经生成的图纸中可以通过剖面的型式生成新的图纸，如图2、图3、图4和图5所示。
3.4 模型修改
对于实际的海上风电风机基础建设工程，从方案设计到备料施工，各个环节都有可能对原设计进行调整完善，这些变化都可以通过对模型的修改直接再二维图纸上表现出来，仅需要对图纸库进行更新即可，同时与原图纸的变化也会通过云线在新图纸中标识出来，从而有效降低设计人员的返工和重复现象，减轻劳动强度的同时提升了产品质量。
4 结 语
三维设计在海上风机基础中的应用还刚刚展开，从不断的应用和探索过程中，以下两点都值得后续深入思考：
①大规模参数化小构件。风机整体结构的钢管桩、导管架在tekla中建模出图相对简单，而一些附属构件，内部加强结构等就较为繁琐。为提高建模与出图效率，需要参数化建立一些常用的组块，比如防撞结构、爬梯、栏杆等，此项工作前期工作量投入较大，但对于后续建模将是极大的便利。
②动画效果制作。Tekla的三维效果强大，但无动画功能，风机基础汇报时若使用动画放映，效果会非同凡响。
随着各行各业对设计、制图模式的革新及海上风电行业的蓬勃发展，三维风机基础设计将成为加快出图效率、减轻行业工作强度、保证设计工作质量、提升行业整体设计水平的有效手段。
参考文献：
[1] 王志云，王栋，栾茂田，等.复合加载条件下吸力式沉箱基础承载特性数 值分析[J].海洋工程，2007，（02）.
[2] 宋础，刘汉中.海上风力发电场开发现状及趋势[J].电力勘测设计，2006，
（02）.
[3] 邢作霞，陈雷，姚兴佳.海上风力发电机组基础的选择[J].能源工程，
2005，（06）.