一种电力铁塔三维实体模型生成方法
【专利摘要】本发明涉及一种电力铁塔三维实体模型生成方法，其包括以下步骤：1)根据铁塔设计成果的有关数据构建三维铁塔单线模型；2)读取建立的三维铁塔单线模型并对其进行修正；3)根据塔身主材的串心数据进行塔身主材串心计算，得到各段塔身主材的上口宽、下口宽和坡度；4)判断哪根单线是塔身主材；5)根据塔身所有杆件的点、线关系及主材参数生成连接面，并以连接面为单位确定铁塔杆件之间的搭接关系；6)对每一杆件的两肢方向进行分析，并确定所有杆件的肢方向；7)生成初步的三维角钢模型；8)对所有角钢的节点进行设计，得到与节点相关的参数数据；9)根据杆件参数、杆件之间的搭接关系以及与节点相关的参数生成铁塔三维实体模型。
【专利说明】 一种电力铁塔三维实体模型生成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实体模型生成方法，特别是关于一种电力铁塔三维实体模型生成方法。
【背景技术】
[0002]架空输电线路工程尤其是高压线路中通常使用电力铁塔作为主要的杆塔种类，铁塔实体模型包含了角钢、节点板、螺栓等各个铁塔组件的精细化模型。如果实体模型的精细程度较高则可以直接用于电力铁塔加工、优化下料。
[0003]现阶段由于铁塔实体模型构建难度大、工具少，这部分工作主要由铁塔加工厂商完成。铁塔加工厂商的结构设计人员主要对杆塔进行受力分析、杆件优化，得到的是杆塔大体结构的司令图，这类图纸无法考虑铁塔组件空间碰撞等问题，同时由于缺乏三维实体模型自动生成的方法，导致三维设计的实际应用价值大打折扣。目前对于输电线路铁塔实体模型只能采用人工建模手段构建三维模型，需要由专业的三维绘图人员根据铁塔设计图纸并利用3DMax等三维建模软件手工绘制模型，不仅耗时长，成本高，而且输电线路工程中相同型号的铁塔在不同杆塔位置都需要对杆件进行调整，导致了相同型号铁塔无法实现一次生成多次复用，因此采用人工建模方式实现对全线路铁塔的三维实体建模既浪费也不现实。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种采用人工智能进行空间结构运算产生符合设计要求并满足实际铁塔加工需要仿真模型的电力铁塔三维实体模型生成方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种电力铁塔三维实体模型生成方法，其包括以下步骤:1)读取所需建立的铁塔设计成果，根据铁塔设计成果的有关数据构建三维铁塔单线模型，其中，铁塔设计成果包括构成铁塔所有杆件的空间位置、杆件规格、杆件数量、杆件串心数据以及杆件受力情况；2)读取建立的三维铁塔单线模型并对其进行修正，具体修正过程是:将统材号相同或相类似多段杆件的单线合并为一根，并使多段单线的中间点在同一直线上；3)根据塔身主材的串心数据进行塔身主材串心计算，得到各段塔身主材的上口宽、下口宽和坡度；4)根据塔身主材串心计算结果计算塔身主材两端的端点坐标，并将主材的端点坐标与杆件单线信息进行匹配，判断哪根单线是塔身主材；5)根据塔身所有杆件的点、线关系及主材参数生成连接面，并以连接面为单位确定铁塔杆件之间的搭接关系；6)对每一杆件的两肢方向进行分析，并确定所有杆件的肢方向；7)生成初步的三维角钢模型，即根据角钢之间的搭接关系，初步计算出三维空间中角钢的空间形态和位置关系；8)对所有角钢的节点进行设计，得到与节点相关的参数数据；9)根据杆件参数、杆件之间的搭接关系以及与节点相关的参数生成铁塔三维实体模型。
[0006]所述步骤8)对所有角钢的节点进行设计，得到与节点相关的参数数据，包括以下步骤:①收集节点单元；②分析节点单元生成初始节点设计单元对初始节点设计单元进行整理；④对一个节点单元中的节点设计单元排序；⑤根据节点设计单元排序结果对节点设计单元进行设计，即:计算角钢正负头和节点偏移，确定角钢上的螺栓大小，布置好角钢上的孔，并设计节点板。
[0007]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明根据现有的铁塔设计成果构建三维铁塔单线模型，并通过单线模型的相关数据完成塔身主材的匹配以及铁塔杆件之间的搭接关系，进一步确定所有杆件的肢方向，生成初步的三维角钢模型；然后对所有角钢的节点进行设计，得到与节点相关的参数据，根据杆件参数、杆件之间的搭接关系以及与节点相关的参数生成铁塔三维实体模型，因此本发明采用人工智能方法生成三维铁塔模型，不仅节约了时间和成本，直接通过铁塔结构司令图等传统铁塔设计成果直接生成，采用本发明替代人工建模的工作方式，可以大幅度提高铁塔建模的效率，使得铁塔实体化模型不再依赖于手工建模人员，大大降低了生成铁塔实体模型工作的强度。2、由于输电线路铁塔使用情况的特殊性，铁塔三维模型复用性很差，采用人工建模无法保证所建铁塔模型与实际情况的吻合度，本发明在生成铁塔三维模型时考虑铁塔组件空间碰撞等问题，因此本发明生成的铁塔三维实体模型大大提高了设计精度，在工程设计阶段就可以对铁塔组装等复杂问题加以考虑。3、本发明生成的三维实体模型是带有矢量参数化信息，该模型除了用于效果展示还能够进行力学分析计算等工作，使得三维模型更具实用性，现场施工人员可以直接按照所生成的铁塔三维模型进行现场施工，大大提高了施工的效率。本发明可以广泛应用在电力铁塔的施工、运维等工作过程中。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
[0009]图1是本发明的角钢结构示意图；
[0010]图2是本发明流程不意图；
[0011]图3是是本发明的连接面示意图，其中，图3(a)是塔身面连接示意图，图3(b)是横隔面连接示意图；
[0012]图4是本发明杆件搭接关系示意图；
[0013]图5是本发明塔身主材肢方向示意图；
[0014]图6是本发明塔身斜材肢方向示意图；
[0015]图7是本发明横担主材肢方向示意图；
[0016]图8是本发明横担斜材肢方向示意图；
[0017]图9是本发明K型节点示意图，其中，图9(a)是K型节点实物连接示意图，图9 (b)是K型节点简化示意图；
[0018]图10是本发明T型节点示意图，其中，图10(a)是T型节点实物连接示意图，图10(b)是T型节点简化示意图；
[0019]图11是本发明E型节点示意图，其中，图11(a)是E型节点实物连接示意图，图11(b)是E型节点简化示意图。
【具体实施方式】[0020]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0021]电力铁塔通常是采用角钢、钢板部件制作，并采用螺栓连接组合而成，局部也可以采用少量的焊接。电力铁塔分为塔脚、塔身、塔头、横担、横隔等部分，根据连接关系可以将上述这几个部分中的每部分中的杆件细分为主材、斜材和辅助材。
[0022]如图1所示，三维空间中的一个角钢模型通过角钢的棱线端点、两肢的方向和角钢规格(肢宽、肢厚)确定。角钢的肢方向为角钢棱线端点到肢边线端点的方向，肢方向与棱线垂直。当一个角钢M搭接到另一角钢N上时，通常是角钢M的一个肢搭接到角钢N的一个肢上，这时称角钢M搭接肢的方向为肢侧向，角钢M的非搭接肢为肢朝向。
[0023]如图2所示，本发明的电力铁塔三维实体模型生成方法，包括以下步骤:
[0024]1、读取所需建立的铁塔设计成果(铁塔设计成果可以是铁塔结构司令图等现有的设计成果)，根据铁塔设计成果的有关数据构建三维铁塔单线模型，其中，铁塔设计成果应包括构成铁塔所有杆件的空间位置、杆件规格、杆件数量、杆件串心数据以及杆件受力情况。三维铁塔单线模型是在进行铁塔受力分析时使用的模型，是将铁塔中的杆件抽象为一根根的直线，没有节点板等具体的连接信息。
[0025]2、读取建立的铁塔三维铁塔单线模型并对其进行修正，具体修正过程是:将统材号相同或相类似多段杆件的单线合并为一根，并使多段单线的中间点在同一直线上。
[0026]3、根据塔身主材的串心数据进行塔身主材串心计算，得到各段塔身主材的上口宽、下口宽和坡度。
[0027]如果根据三维单线模型直接计算各段塔身主材的棱线，同一坡度的各段塔身主材的棱线是不共线的；串心计算的目的是将同一坡度各段塔身主材的棱线调整为共线的计算过程。如果计算过程中存在变坡，则需要保证变坡处上下两段主材的棱线交于一点。串心计算通过改变上口宽、下口宽、坡度三个参数中的某个参数来实现上述要求，但是具体改变哪一个参数，在铁塔设计阶段进行确定，在此不再赘述。
[0028]4、根据塔身主材串心计算结果计算塔身主材两端的端点坐标,并将主材的端点坐标与杆件单线信息进行匹配，判断哪根单线是塔身主材。
[0029]5、根据塔身所有杆件的点、线关系及主材参数生成连接面，并以连接面为单位确定铁塔杆件之间的搭接关系。
[0030]连接面是两根主材及连接这两根主材的斜材、辅助材构成的一个面，其中，如图3所示为电力铁塔中两种常见的连接面。
[0031]如图4所示，杆件搭接关系采用下面的方法确定:a、b、C、d表示4根杆件，P是a的中间点以及b和c的端点，M是b的中间点及d的端点，N是c的中间点及d的端点；b、c的端点P是a的中间点，那么认为b、c搭接到a上，d的端点M是b的中间简单，d的端点N是c的中间点，那么认为d搭接到b、c上。
[0032]6、对杆件的两肢方向进行分析，并确定所有杆件的肢方向。
[0033]计算杆件的肢方向的基本原则是角钢之间尽量少碰撞，且让角钢尽可能少积水，下面对电力铁塔的塔身主材、塔身斜材、塔身辅助材、横担主材、横担斜材、横担辅助材、横隔主材和横隔斜材的两肢方向的确定分别进行说明:
[0034]I)塔身主材的两肢方向根据相邻象限的两主材的端点确定。如图5所示，角钢A的两肢方向分别通过主材B、C的端点进行确定。[0035]2)塔身斜材通常肢侧向下，肢朝向按照撇捺的方式布置(“撇”朝外，“捺”朝里)。
[0036]3)塔身辅助材的肢朝向、肢侧向确定通常肢侧向下(为了防止积水)，如果竖直的情况，则肢侧尽量远离内贴父角钢的肢。
[0037]斜材和辅助材的肢朝向可以按照以下优先级逐个判断:a)如果两端父角钢肢朝向一致，则斜材或辅助材的肢朝向与父角钢肢朝向相反；b)如果两端父角钢肢朝向不一致，斜材或辅助材肢朝向与棱线在其两端点内的父角钢肢朝向相反；c)如果两端父角钢肢朝向不一致且父角钢棱线均不在斜材或辅助材两端点内，则肢朝向与肢宽更大的父角钢肢朝向相同；如果两父角钢肢宽相同，肢朝向与上方父角钢相同。
[0038]4)横担主材肢朝向、肢侧向。
[0039]如图7所示，横担主材的一肢根据塔身主材的线方向和上下横担主材进行确定，其中，下横担主材侧向下，上横担主材侧向下，上、下横担主材均朝里。
[0040]5)横担上、下面斜材肢朝向、肢侧向与横担主材在一个面上，为其到塔心的反方向；肢朝向遵循“撇”朝外，“捺”朝里的原则(从横担悬空端到塔心为从上到下的方向)。
[0041]横担正面斜材的肢朝向全部朝外；横担正面斜材肢侧向一般向上，如果斜材是竖向的，则侧向近塔心的方向。
[0042]6)塔身横隔的肢朝向、肢侧向。
[0043]横隔主材的肢侧向与两端的塔身主材在一个面上，向上或向下根据下面的流程确定，肢朝向的方向为横隔到塔心的方向。
[0044]横隔斜材的肢侧向、肢朝向，由于横隔布置的样式比较多，不容易总结固有的规律，因此本发明采用了穷举法进行处理，会将横隔面上所有角钢的每种肢朝向、肢侧向进行组合，在所有的组合中选取一个合适的布置方式。
[0045]7、生成初步的三维角钢模型，即根据角钢之间的搭接关系，初步计算出三维空间中角钢的空间形态和位置关系，此时的角钢还没有做正负头和孔。
[0046]8、对所有角钢的节点进行设计，得到与节点相关的参数数据，包括以下步骤:
[0047]I)收集节点单元。
[0048]节点指的是几根杆件互相连接的位置，几个节点(通常是I或2个)及连接这几个节点的所有杆件构成一个节点单元。遍历所有节点，查找连接到这个节点上的所有杆件，生成初始的节点单元数据；然后根据实际情况合并节点单元生成最终的节点单元数据。
[0049]2)分析节点单元生成初始节点设计单元。
[0050]根据杆件所属的连接面(在加载数据时，生成了连接面数据，一根杆件可属于多个连接面)数据生成这个节点单元的初始节点设计单元。
[0051]3)对初始节点设计单元进行整理。
[0052]去掉一些不需要的节点设计单元，例如:在V面上的节点，如果节点设计单元中仅有L型横隔面的一根杆件时，需要去掉。合并需要一起处理的节点设计单元，例如:横担与塔身连接处，需要将塔身面正面与横担正面的节点设计单元合并。补充一些缺少的节点设计单元:例如，塔身主材对接处，需要再生成两主材对接的节点设计单元，上述节点设计单元的去掉、合并和补充可以根据实际应用情况进行处理，在此对具体过程不再赘述。
[0053]4)对一个节点单元中的节点设计单元排序。
[0054]根据节点的位置、节点单元的包含的面(正面、侧面、斜面、水平面等)、节点单元中的杆件数量进行排序，目的是确定一个节点单元中的多个节点设计单元的顺序。
[0055]5)根据节点设计单元排序结果对节点设计单元进行设计，即:计算角钢正负头、节点偏移，确定角钢上的螺栓大小，布置好角钢上的孔，并设计节点板。
[0056]如图9?11所示，本发明定义了 K型节点、T型节点、E型节点、星型节点等多种节点样式，针对不同的节点样式分别进行处理。在进行节点设计单元设计时，先判断该节点设计单元的样式，然后采用对应的处理方法进行设计，节点样式以及相应的处理方法为现有技术，在此不再赘述。
[0057]9、根据杆件参数、杆件之间的搭接关系以及与节点相关的参数生成铁塔三维实体模型，根据铁塔三维实体模型可以进行现场施工用于对实际电力铁塔的搭建进行指导。
[0058]上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种电力铁塔三维实体模型生成方法，其包括以下步骤: 1)读取所需建立的铁塔设计成果，根据铁塔设计成果的有关数据构建三维铁塔单线模型，其中，铁塔设计成果包括构成铁塔所有杆件的空间位置、杆件规格、杆件数量、杆件串心数据以及杆件受力情况； 2)读取建立的三维铁塔单线模型并对其进行修正，具体修正过程是:将统材号相同或相类似多段杆件的单线合并为一根，并使多段单线的中间点在同一直线上； 3)根据塔身主材的串心数据进行塔身主材串心计算，得到各段塔身主材的上口宽、下口宽和坡度； 4)根据塔身主材串心计算结果计算塔身主材两端的端点坐标，并将主材的端点坐标与杆件单线信息进行匹配，判断哪根单线是塔身主材； 5)根据塔身所有杆件的点、线关系及主材参数生成连接面，并以连接面为单位确定铁塔杆件之间的搭接关系； 6)对每一杆件的两肢方向进行分析，并确定所有杆件的肢方向； 7)生成初步的三维角钢模型，即根据角钢之间的搭接关系，初步计算出三维空间中角钢的空间形态和位置关系； 8)对所有角钢的节点进行设计，得到与节点相关的参数数据； 9)根据杆件参数、杆件之间的搭接关系以及与节点相关的参数生成铁塔三维实体模型。
2.如权利要求1所述的一种电力铁塔三维实体模型生成方法，其特征在于:所述步骤8)对所有角钢的节点进行设计，得到与节点相关的参数数据，包括以下步骤: ①收集节点单元； ②分析节点单元生成初始节点设计单元； ③对初始节点设计单元进行整理； ④对一个节点单元中的节点设计单元排序； ⑤根据节点设计单元排序结果对节点设计单元进行设计，即:计算角钢正负头和节点偏移，确定角钢上的螺栓大小，布置好角钢上的孔，并设计节点板。
【文档编号】G06T17/00GK103914590SQ201410088611
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】盛大凯, 隗刚, 齐立忠, 胡劲松, 胡君慧, 郄鑫, 李晋 申请人:国家电网公司, 国网北京经济技术研究院, 北京道亨时代科技有限公司