1 - 2007

Новейшая технология создания трехмерной модели для решения задач проектирования

Дмитрий Малиновский

Трубопроводы

Металлоконструкции

Объекты неправильной геометрической формы

Доработка модели

Структура модели

Сегодня на многих предприятиях различных отраслей промышленности возникает необходимость в реконструкции и модернизации производства. Зачастую строения или конструкции еще не выработали свой ресурс, а оборудование или его часть уже подлежит замене. Тогда перед проектировщиком встает сложная задача: в пространство, которое занимает старое оборудование, вписать современное. Выполнение этой задачи осложняется либо полным отсутствием документации, либо наличием устаревшей проектной и исполнительной документации об объекте.
Традиционные методы съемки не позволяют достичь необходимой точности и оперативности и являются малоэффективными, поскольку сейчас большинство проектов выполняется уже в трехмерной среде. Появление на российском рынке технологии наземного лазерного сканирования (НЛС) существенно повлияло на производительность процесса съемки и проектирования. С помощью лазерного сканирования в кратчайшие сроки создаются максимально точные и подробные цифровые модели всего окружающего пространства.
Технология основана на использовании геодезических приборов — лазерных сканеров, определяющих координаты точек поверхности объекта с огромной скоростью (несколько тысяч измерений в секунду). Полученный набор сотен тысяч и миллионов точек называется облаком точек и впоследствии может быть преобразован в твердотельную трехмерную модель объекта, плоский чертеж, набор сечений, поверхность и т.д. При этом впервые трехмерная модель создается не по дискретным измерениям, а по огромному массиву точек, что значительно повышает ее точность и достоверность.
В этом материале мы рассмотрим технологию наземного лазерного сканирования на примере проекта по созданию трехмерной цифровой модели промышленного цеха металлургического предприятия, реализованного отделом производства работ компании «Навгеоком». Проект был отмечен специальным призом за простое решение сложной задачи в конкурсе Autodesk «Реализуй и выиграй!»

Общая площадь производства (цеха) составила 5600 кв. м, высота потолков — 20- 30 м (на разных участках разные высоты). Особенностью проекта стала сильная изношенность промышленного оборудования. В связи с этим основными требованиями к модели были высокая подробность (моделировались все объекты крупнее 50 мм) и максимальная точность (5- 10 мм). Фактически требовалось создать модель производства, отражающую реальные размеры и положение всех объектов.

Сначала специалисты «Навгеоком» провели сканирование цеха, заполненного оборудованием, с помощью двух различных сканирующих систем — Trimble GS200 и Callidus. В результате был получен массив из 436 млн точек, который в полной мере отразил все объекты производства.

Технология обработки данных лазерного сканирования еще очень молода и продолжает развиваться. В настоящий момент не существует единого программного комплекса, в котором можно сделать все от начала до конца. Для получения конечного продукта необходимо задействовать целый комплекс программ, в том числе:

• Real Works Survey (RWS) и 3Dipsos — специализированные программы, предназначенные для обработки данных лазерного сканирования;

• Autodesk Inventor и Autodesk Сivil 3D — программные продукты для трехмерного проектирования.

Для первичной обработки данных наземного лазерного сканирования используется программа RWS. В ней производится сшивка (геопривязка) всех облаков точек — уравнивание данных сканирования с разных станций в единую систему координат. После того как все облака точек (сканы) сшиты между собой, проводится оценка качества геопривязки. Для этого в программе RWS создаются группы сечений в трех перпендикулярных плоскостях. По сечениям оцениваются расхождения между сканами, которые не должны превышать допустимой по проекту погрешности в 10 мм. Помимо этого визуально проверяется полнота (достаточность) данных сканирования для последующего моделирования объектов.

Когда единая точечная модель готова, она экспортируется в программу 3Dipsos, в которой происходит деление всего облака точек на группы. Для минимизации времени выполнения работ моделирование групп объектов производится параллельно.

Функциональные возможности программы позволяют выполнять моделирование несколькими способами, что очень важно для промышленных площадок, где плотность объектов крайне высока и многие из них труднодоступны.

Трубопроводы

Для моделирования трубопроводов предусмотрены два способа. Метод полуавтоматического вписывания цилиндров используется тогда, когда трубопроводы отсканированы достаточно полно. Для этого выделяется массив точек определенного трубопровода и указывается начальная точка, программа автоматически вписывает в это облако точек цилиндры. Главное преимущество такого метода — высокая скорость моделирования.

Если же трубопровод отсканирован с пробелами, то его построение происходит вручную. Облако точек делится на участки, каждый из которых описывается одним примитивом (это может быть прямолинейный участок, сужение, расширение, поворот или фланец). После этого соответствующие примитивы стыкуются друг с другом.

К сожалению, в программе 3Dipsos функция соединения объектов между собой работает только в случае соосности соседних элементов, поэтому не все компоненты удается состыковать между собой. Для решения этой проблемы используется программа Autodesk Inventor.

Моделирование трубопровода в программе 3Dipsos Моделирование трубопровода в программе 3Dipsos Моделирование трубопровода в программе 3Dipsos

Моделирование трубопровода в программе 3Dipsos

В начало В начало

Металлоконструкции

Для моделирования металлоконструкций в программном комплексе 3Dipsos также предусмотрено несколько решений. Первое позволяет конструировать любой объект по задаваемым параметрам. Перед построением по облаку точек точно определяются все габариты, создаются направляющие плоскости и плоскости, ограничивающие длину объекта. Этот метод применяется для создания нестандартных, отличающихся от ГОСТа элементов, а также для тех объектов, точность моделирования которых максимальна. В модели одной из секций цеха это были крупные двутавры и швеллеры.

Второй, более быстрый способ моделирования основан на вписывании в облака точек существующего в каталоге элемента. В программе имеются свои каталоги размеров металлоконструкций, представляющие собой текстовые файлы с названиями элементов и их габаритами.

Модель одной из секций цеха, выполненная в программе 3Dipsos

Модель одной из секций цеха, выполненная в программе 3Dipsos

В начало В начало

Объекты неправильной геометрической формы

Наиболее сложными для твердотельного моделирования являются те объекты, поверхности которых нельзя описать с нужной точностью одним или несколькими примитивами, например поверхности полов, стен, потолков. Моделирование таких объектов основано на создании ряда плоскостей, которые аппроксимируют данные поверхности. Чем сложнее поверхность, тем больше плоскостей необходимо использовать. В программе 3Dipsos общая схема построения подобных объектов выглядит так, как показано на приведенном ниже рисунке.

Общая схема построения сложных объектов

Общая схема построения сложных объектов

Эта технология очень трудоемка и не всегда оправдывает себя, тем более что существуют другие программные средства, позволяющие более быстро и качественно справиться с такими задачами. Одной из них является программа Autodesk Civil 3D.

Данные лазерного сканирования имеют дискретность в несколько миллиметров и точно отражают все элементы поверхности. Программа Autodesk Civil 3D позволяет на основе всего массива точек построить точную поверхность полов цеха. При моделировании полов особенно точно и подробно отображаются все конструктивные элементы — бетонные фундаменты, желоба стока, также важно правильно отобразить общие уклоны пола. Для этого облака точек прореживаются в программе 3Dipsos так, чтобы минимальное количество точек отображало все элементы пола. После этого текстовый файл с их координатами импортируется в программу Autodesk Civil 3D, и уже по нему выполняется построение поверхности.

Для представления полученной поверхности в твердотельном формате все объекты 3D Face трансформируются в объекты Solids.

Программа Autodesk Civil 3D: построенная поверхность пола и импортированные трубопроводы Программа Autodesk Civil 3D: построенная поверхность пола и импортированные трубопроводы

Программа Autodesk Civil 3D: построенная поверхность пола и импортированные трубопроводы

В начало В начало

Доработка модели

Моделирование всех объектов производится по их фактическим размерам и положению. Для того чтобы точно показать деформацию, отдельные объекты моделировались не в соответствии с российскими ГОСТами. В программе 3Dipsos выполнение таких операций очень трудоемко, а в некоторых случаях и вовсе невыполнимо. Тогда на помощь приходит решение от компании Autodesk — Inventor 10. Программа Autodesk Inventor 10 позволяет создавать соединения между совершенно разными объектами. Прежде всего это касается деформированных металлоконструкций и несоосных переходов трубопроводов. Моделируя подкрановую балку с максимальной точностью, необходимо точно показать все ее деформации. Для этого облако точек подкрановой балки делится на несколько десятков элементарных участков, в которые вписываются примитивы (двутавры). Эти объекты импортируются из программы 3Dipsos в формате SAT в Autodesk Inventor, в которой и создаются эскизы сечений, направляющие для соединения частей, а по ним — соединения между частями подкрановой балки.

Аналогично конструируются и несоосные переходы трубопроводов.

В результате совместной работы в программах 3Dipsos и Autodesk Inventor модель всего объекта, разделенная по технологическим группам, экспортируется в программу AutoCAD в формате SAT. А затем все объекты модели преобразуются в объекты Solids.

Части деформированного двутавра, соединенные в единый объект в программе Autodesk Inventor Части деформированного двутавра, соединенные в единый объект в программе Autodesk Inventor Части деформированного двутавра, соединенные в единый объект в программе Autodesk Inventor

Части деформированного двутавра, соединенные в единый объект в программе Autodesk Inventor

 

Создание соединений между несоосными трубопроводами в программе Autodesk Inventor Создание соединений между несоосными трубопроводами в программе Autodesk Inventor Создание соединений между несоосными трубопроводами в программе Autodesk Inventor

Создание соединений между несоосными трубопроводами в программе Autodesk Inventor

В начало В начало

Структура модели

На заключительном этапе работ по созданию трехмерной модели в программе AutoCAD все объекты разносятся по слоям согласно техническому заданию. Каждому слою присваивается определенный цвет.

Различные элементы конструкций и оборудования размещаются в отдельных файлах в соответствии с требованиями заказчика. Разбиение трехмерной модели необходимо для эффективной работы системы, а также для того, чтобы проектировщики могли использовать не всю модель, а только необходимую в момент проектирования часть, которая подгружается как ссылка.

Фотографии объектов, их отображение в точечном виде и в виде трехмерной модели Фотографии объектов, их отображение в точечном виде и в виде трехмерной модели Фотографии объектов, их отображение в точечном виде и в виде трехмерной модели

 

Фотографии объектов, их отображение в точечном виде и в виде трехмерной модели Фотографии объектов, их отображение в точечном виде и в виде трехмерной модели Фотографии объектов, их отображение в точечном виде и в виде трехмерной модели

Фотографии объектов, их отображение в точечном виде и в виде трехмерной модели

Когда трехмерная модель готова, не составляет никакого труда программными средствами преобразовать ее в необходимый набор чертежей, разрезов, сечений, которые являются составной частью стандартной проектной документации. Таким образом, эту модель можно использовать как для организаций, применяющих трехмерное проектирование, так и для тех, кто проектирует на плоскости.

В настоящее время технология наземного лазерного сканирования достаточно нова, поэтому попытки оптимизации процесса обработки данных и трехмерного моделирования приводят к необходимости использовать целый комплекс программных средств. В рассмотренном примере решения от компании Autodesk — Autodesk Civil 3D и Autodesk Inventor — стали тем самым незаменимым звеном в сложной цепочке технологического процесса по созданию трехмерной модели промышленного производства.

Полученная 3D-модель может применяться для задач обратного проектирования, инспектирования, уточнения конструкторской документации. Она будет полезна и для эксплуатации объекта. Не стоит забывать, что 3D-графика, по сравнению с двумерными чертежами, обладает гораздо большей наглядностью и информативностью, что позволяет использовать ее для обучения персонала, прогнозирования внештатных ситуаций и для мониторинга.

 

Демо-версии программных продуктов можно заказать в «Русской Промышленной Компании». Информация о программах, ценах, семинарах и курсах обучения, а также о специальных акциях — на сайте www.cad.ru.


Дмитрий Малиновский

Инженер-технолог отдела производства работ компании «Навгеоком», призер конкурса проектов Autodesk «Реализуй и выиграй!».

В начало В начало

САПР и графика 1`2007