本文從設計需求出發，介紹了PRO/E軟件在大型鋼結構領域的應用情況，闡述了PRO/E軟件自頂向下的參數化技術，列出了大型鋼結構三維設計流程，并根據大型鋼結構產品特點，總結了以骨架為核心的框架設計方案、實體建模規則及出圖的主要技術方案，最后重點分析了系統集成對三維設計工作模式及套料設計管理的積極影響。

    一、引言

    大型鋼結構是武昌造船廠民品的重要組成部分，主要包括大型橋梁產品和成套設備等。目前武昌造船廠在國內大型鋼結構制造業迅速崛起，放眼不斷開拓的市場，要爭取絕對的競爭優勢，提升自主創新能力成為關鍵。鑒于此，引進了PTC公司的PRO/E三維設計軟件，以不斷推進工廠在傳統大型鋼結構制造領域內設計模式和管理理念創新。

    2005年底，武昌造船廠用PRO/E軟件相繼對珠江黃埔北汊斜拉橋、杭州灣南航橋、彭水承船廂以及杭州市江東大橋等大型鋼結構產品進行了三維設計，穩步實現了由二維向三維設計工作模式的轉變，并在PRO/E三維設計取得初步成效的基礎上集成了數據管理軟件、套料軟件等系統軟件，建立了企業制造信息管理平臺，從而增強了對產品設計全過程的組織、管理和控制力度。

    二、大型鋼結構三維設計的主要特點

    PRO/E三維設計軟件通過與傳統大型鋼結構生產設計的結合應用，形成的大型鋼結構三維設計與傳統二維設計相比有了很大飛躍，集中體現在以下三方面：

    (1) 設計思路的開拓。基于PRO/E軟件的三維設計采取自頂向下的設計思路，即先構架產品的整體框架模型，再依次進行單元件和零件的詳細設計。由于框架模型中多層次分布的骨架包含了整個產品的主要定位和參考信息，因此這種設計思路提升了產品主管對產品的整體把握能力。

    (2) 技術含量的提升。在PRO/E參數化設計技術下，由于所有點、線、面及實體等特征均通過可變尺寸參數和約束來控制，施工圖的基本圖面信息由三維模型自動生成，而且以骨架為首的尺寸和約束的改變將能快速驅動相關三維模型及二維工程圖的關聯性變更，因此與二維CAD技術下相對松散的圖面信息組合方式相比，設計的嚴密性、精度及變更響應能力明顯增強。

    (3) 可視化效果和過程控制力度的增強。三維設計將設計人員專業的三維空間想象變為直觀的三維數字模型，使設計更貼近產品實物；而三維建模本身是對產品制造和裝配過程的數字化模擬，可使產品建造環節中的潛在工藝和技術問題在設計環節得到提前發現和解決。

    三、自頂向下的大型鋼結構參數化三維設計流程

    在PRO/E軟件自頂向下的參數化設計指導思想下，大型鋼結構三維設計在流程上大體可分圖1所示的設計準備、模型構造和圖表生成三大節拍。

圖1 大型鋼結構三維參數化設計主流程

    3.1 大型鋼結構的三維設計準備

    在以PRO/E軟件為技術平臺的大型鋼結構三維設計過程中，設計準備節可按設計策劃、方案設計和框架設計三個子環節依次進行。

    3.1.1 大型鋼結構的三維設計策劃

    在正式接到產品設計任務后，為保證后續設計環節正確有序的進行，需要進行包括以下四項主要內容的設計策劃：

    (1) 審圖，首先應明確并及時消除設計院藍圖中潛在疏漏之處和不定因素，再針對鋼結構橫縱剖面的定位基準及板厚分布規律進行重點分析，然后簽署審圖意見，使設計藍圖具備三維設計條件。

    (2) 工藝拆分，即產品主管應結合廠內的工藝生產條件，進一步明確鋼結構分/節段類型，并對各分/節段的橫向和縱向進行板單元拆分及優化。

    (3) 制訂出圖計劃，計劃中應包含詳細圖紙目錄、相關責任人及交圖期。

    (4) 通用件規劃，主要對在各分/節段間通用的零部件進行分類統計。

    3.1.2 鋼結構產品三維框架模型的方案設計

    在PRO/E軟件平臺下，由于鋼結構產品的三維框架模型實質上是一個自頂向下由裝配件和骨架兩類文件通過一定層次和一系列虛擬裝配關系組裝起來的模型樹，因此相應框架設計方案應主要包括裝配樹結構設計、骨架設計和裝配關系設計三部分。

    第一：產品框架模型樹結構設計。

    在大型鋼結構產品的裝配樹結構設計環節，主裝配結構通常為產品→分/節段→單元件三個裝配級，骨架應分別布局于這三級裝配組件下；同時結合產品的具體工藝及生產組織等特點，主裝配結構可作適當調整。

    第二：產品框架模型骨架設計。

    在裝配樹結構設計完成后，首先應根據骨架的布局及聯系和自頂向下的思路明確各裝配級骨架之間的繼承方案，保證骨架對整個產品模型具有足夠的控制能力，然后針對典型骨架進行建模方案的總體規劃，最后分別對各具體骨架的建模方案進行詳細設計。

    第三：產品框架模型樹裝配關系設計。

    為確保產品框架模型結構緊湊，應按照以下規則進行裝配關系設計：

    (1) 按缺省裝配、坐標系對齊裝配、正裝配(指三對裝配面均對齊)和反裝配(指兩對裝配面匹配、一對裝配面對齊)順序依次選用裝配類型；

    (2) 裝配特征優先參考骨架；

    (3) 根據零部件(在斜軸側視角下)獨立顯示時結構側可見的原則確定與上級裝配體的正反裝配關系。

    3.1.3 鋼結構產品三維框架模型設計

    產品框架模型的方案設計完成后，可進行框架模型的三維設計，通常相對完整的框架設計依次可分為以下兩個主要流程：

    (1) 架構產品頂級裝配，依次包括創建產品總裝配體、創建并編輯產品的縱、橫向總骨架、創建并裝配產品的各分/節段裝配件；

    (2) 對各分/節段進行框架設計，依次包括在分/節段下創建并編輯分/節段骨架、創建并裝配各橫縱向單元件以及在各單元件下創建并編輯相應骨架。

    對于復雜產品，在保證對產品有效控制力度的前提下，可對分/節段以下框架設計任務進行并行設計分工，以縮短設計周期并有助于設計人員平穩進入設計角色。

    3.2 大型鋼結構產品三維實體模型構造

    根據大型鋼結構產品零件特征簡單而裝配結構關系復雜的特點，分/節段三維實體建模應遵循以下規則：

    (1) 缺省裝配和骨架參照優先：即對新創建的零部件盡可能采用缺省裝配，以降低裝配難度；零件的實體特征設計及裝配盡可能參照骨架，以保證骨架對模型自頂向下的有效控制。

某橋的三維模型

    (2) 零件實體特征的生成以拉伸為主、挖補為輔：即對于矩形板或型材，通常根據橫截面特征拉伸生成實體；而對于異形板，通常先按基本外形輪廓沿板厚方向拉伸成實體，再通過局部挖補得到異形實體特征。

    在以上建模規則下，分/節段的三維實體建模可按以下流程進行：

    (1) 創建并用缺省裝配關系裝配首次出現的單元件；

    (2) 完成各單元件下零部件的創建裝配及特征建模；

    (3) 引入并裝配重復出現的單元件和通用件；

    (4) 完成分/節段散件的創建、裝配及特征建模；

    (5) 填寫分/節段三維模型的材質、規格及工藝路線等工藝信息；

    (6) 對三維模型進行完整性和正確性檢查及模型完善；

    3.3 大型鋼結構三維設計的圖表生成

    根據大型鋼結構由零件→單元件→分/節段的制造模式，設計人員需依次提供下料、裝配制作施工圖。

    3.3.1 完善零件圖的出圖流程

    目前下料施工圖主要由自主開發的套料軟件通過套料設計生成，PRO/E軟件主要通過零件分離向套料軟件提供帶有工藝信息和標識的零件平面圖，零件分離主要包括三個流程：

    (1) 零件后處理：按產品裝焊工藝要求，對零件邊緣加放余量、補償量等工藝信息，得到零件的下料輪廓；

    (2) 生成零件平面視圖；

    (3) 完善零件圖：在零件二維平面圖上增加坡口、關鍵尺寸等標識信息。

    3.3.2 制作施工圖的出圖流程及主要技術方案

    目前制作施工圖均采用規定形式，以下列以單元件圖冊的出圖流程：

    (1) 創建圖冊文件并添加各單元件三維模型作為對象關聯；

    (2) 生成各單元件視圖；

    (3) 完善單元件圖面信息，包括創建球標、畫輔助線、出示意圖、標注尺寸、符號和插入注釋等。

    前一頁單元件圖完成后，后續單元件出圖可按照(2)→(3)步驟依次進行。

    分/節段制作圖的出圖特點主要在于關聯對象為分/節段三維模型，有專門配套表內頁，且三維模型與圖冊頁面呈一對多關系。

    在用PRO/E出單元件和分/節段總成圖過程中，針對常見技術問題提出以下解決方案：

    (1) 復雜視角和剖面的定義：通過在三維建模環境下分別通過重定向視圖工具和視圖管理器中實現，當視角方向與剖面垂直時，可在同一視圖中配合使用；

    (2) 視圖輔助信息的生成：首先在繪圖環境下根據BOM表球標，實現了視圖中各零部件的快速自動關聯標識，其次通過線草繪或偏置視圖邊界獲得視圖的輔助線信息，解決了輔助尺寸的標注問題，再者通過建立標準符號庫解決了焊縫等符號的標識問題；

    (3) 示意圖的生成：由于示意圖通常包含工藝信息，在理論三維模型中體現代價很大甚至無法體現，為此提出兩種解決方案：第一，三維模型關聯生成法，即先根據示意圖的特征建立相應三維模型，然后將三維模型關聯到繪圖中，生成相應視圖；第二，圖元繪制法，即在繪圖環境下通過線草繪等功能獲取示意圖圖元信息。

    四、系統集成環境下的大型鋼結構三維設計

    在與傳統大型鋼結構生產設計的結合應用過程中，PRO/E作為設計軟件，主要提供更先進的設計平臺和產生更好的信息載體，而三維設計價值的充分體現還有賴于整個設計管理體系的架構。鑒于此，采取了先將PRO/E軟件與數據管理軟件集成，然后以數據管理軟件為信息管理中樞，實現三維設計信息對套料軟件等系統軟件有效控制的總體集成方案。通過系統集成，大型鋼結構三維設計尤其在組織工作模式和套料管理方面產生了積極影響。

    4.1 大型鋼結構三維設計組織工作模式的改善

    在僅有PRO/E軟件的環境下，大型鋼結構產品的三維設計主要采用文件共享的工作模式。即在共享工程項目文件夾中建立框架模型總裝配體、各分/節段和通用件子文件夾，各團隊成員然后在共享文件夾上進行相應分/節段的三維設計。

    而在系統集成的環境下，團隊三維設計主要采取本機建模與定期入庫相結合的方式。即先將產品的框架模型入庫到數據庫，再通過數據管理軟件將分/節段設計任務分給設計人員，設計人員通過身份驗證訪問數據庫，找到相應設計任務并提取相應的框架模型到本機，便可在本機進行三維建模，待建模到一定階段再將設計數據送回數據庫，實現數據更新。這種系統集成的三維設計工作模式更有助于提高團隊三維設計整體效率和數據管理控制力度。

    4.2 大型鋼結構套料管理模式的改進

    在系統集成前，PRO/E軟件主要向套料軟件提供完善零件圖，套料設計的管理主要通過經驗控制；而在實現了系統集成后，由PRO/E軟件產生的三維設計信息作為信息載體的作用在套料設計環節得到了充分的發揮。通過管理軟件的數據處理，套料任務的創建、套料零件清單的編輯以及套料零件裝焊去向的記錄均可在產品三維模型的模型樹上進行，而套料任務中零件的篩選也可嚴格按照產品三維模型中定義的材質、板厚等工藝參數進行，從而實現了三維設計信息對套料設計的準確管理控制。

    五、結語

    通過PRO/E軟件與大型鋼結構三維設計的結合應用，傳統大型鋼結構的生產設計在設計思路、技術含量以及組織工作模式等方面上都有明顯提升。隨著應用的不斷深入，PRO/E軟件的技術潛力和集成優勢將得到不斷的挖掘和顯現，三維設計流程將得到進一步優化，三維設計的技術含量將得到進一步提高，三維設計信息的使用價值將得到不斷提升，傳統大型鋼結構設計制造的精益程度、集約程度及經濟效益也將得到明顯提高。與此同時，設計管理人員應注重不斷增強軟件應用能力、自主創新能力、組織管理和協調工作能力，以充分發揮大型鋼結構三維設計的團隊并行協作優勢。