CATIA在水電站施工導(dǎo)流三維模型設(shè)計中的應(yīng)用

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水利水電工程設(shè)計方案的優(yōu)劣、設(shè)計水平的高低及設(shè)計周期的長短都直接影響工程建設(shè)的質(zhì)量和投資。本文所述的CATIA平臺是一款功能強大的CAD/CAE/CAM一體化終端，作為協(xié)同解決方案的一個重要組成部分，可以幫助制造廠商設(shè)計未來的產(chǎn)品，并支持從項目設(shè)計、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計流程。目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、機械制造和電器電子，并逐漸向水利水電、巖土工程及地理信息等領(lǐng)域發(fā)展。本文利用CATIA設(shè)計某水電站施工導(dǎo)流模型，并對工程三維設(shè)計的應(yīng)用成效進(jìn)行分析。

1 三維設(shè)計概念及思路

CATIA軟件通過建立真實、可視的三維模型，形象理解建筑物直接的空間關(guān)系，極大降低了通過二維剖面圖理解三維模型空間關(guān)系的難度。基于CATIA軟件建立的三維模型，可修改模型截面三維尺寸，與之對應(yīng)的三維模型也隨之相應(yīng)調(diào)整，通過參數(shù)化的模板文件可以方便地進(jìn)行變更。通過提取結(jié)構(gòu)中的主要定位、定形和裝配尺寸參數(shù)，在參數(shù)化設(shè)計時將其作為自定義變量，利用規(guī)則、公式及檢查等方式將模型關(guān)聯(lián)化，以創(chuàng)建一系列形狀相似的建筑物。構(gòu)建施工導(dǎo)流建筑物模型時，首先建立主要建筑物的骨架，控制其點、線、面，如導(dǎo)流洞軸線、圍堰中心線等信息；然后匯總這些關(guān)鍵參數(shù)，制作獨立模塊，以方便將來修改；最后將獨立建立的各個模塊基于骨架進(jìn)行裝配。

2 水電站施工導(dǎo)流三維模型設(shè)計

導(dǎo)流模型的構(gòu)建主要包括進(jìn)出水口、導(dǎo)流洞、圍堰建模和地質(zhì)開挖面的建立。構(gòu)建導(dǎo)流三維模型的工作流程見圖1。

圖1 導(dǎo)流專業(yè)三維設(shè)計工作流程

2.1 開挖邊坡建模

目前大部分水工建筑物模型可以使用通用的參數(shù)化三維模塊建模，但對于一些范圍過大或不規(guī)則曲線類型的模塊，可采用知識工程模塊建模。在定義規(guī)則曲線形狀的基礎(chǔ)上建模；用參數(shù)組來控制曲線類型以快速改變模型。比如開挖邊坡就是采用定義規(guī)則曲線的方式來建模。其設(shè)計步驟為：

(1) 創(chuàng)建所需參數(shù)f(x)。

(2) 創(chuàng)建一個以原點為參考點的起點，用草圖定位的方法定義到該點和XY平面做一條直角連接的參考坡腳線，并對其全約束。

(3) 用草圖定位的方法定義到參考起點以及XY軸上做一條圓弧連接的參考坡腳線，并對其全約束，再定義工作臺到該草圖上做參考坡腳線(直角連接)的投影，投影的線條以黃色顯示。

(4) 以XY軸為參考平面做一個偏移“坡腳線支撐面”，用參數(shù)定義的方法更改約束值。用草圖定位的方法定義到該平面和參考起點上，給參考坡腳線(圓弧連接)做投影和偏移命令，并對其約束后用參數(shù)定義的方法更改約束值，用參數(shù)定義好的值后面會自動添加一個f(x)的圖標(biāo)。

(5) 把某高程上界坡腳線和下界坡腳線做一個橋接命令(橋接命令在創(chuàng)成式外形設(shè)計里)。

(6) 插入設(shè)計表和創(chuàng)建規(guī)則。①選擇設(shè)計表命令，選擇“使用當(dāng)前的參數(shù)值創(chuàng)建設(shè)計表”，將所需要參數(shù)導(dǎo)入即可。②在知識工程平臺里選擇Rule，在出現(xiàn)的空白框中用if語句書寫規(guī)則。

(7) 定義用戶特征(本地馬道輪廓)。菜單工具欄-插入-知識工程模板-用戶特征。

(8) 用戶特征的應(yīng)用。在文檔中或者目錄文件中插入模板，輸入對應(yīng)參數(shù)確定即可。

(9) 依次把不同控制層數(shù)的“本地馬道輪廓”做好，依次給不同控制層數(shù)的“本地馬道輪廓”做橋接命令。

2.2 導(dǎo)流洞建模

導(dǎo)流洞建模是在完成導(dǎo)流洞骨架的基礎(chǔ)上，進(jìn)行洞身、堵頭等建筑物模塊的裝配。

2.3 圍堰建模

基于圍堰骨架和地形地面來完成圍堰模塊的裝配。

將各個部分建筑物模型裝配后的施工導(dǎo)流整體模型見圖2。

圖2 導(dǎo)流三維裝配模型

3 應(yīng)用成效分析

(1) 快速響應(yīng)設(shè)計方案的變更。當(dāng)設(shè)計方案發(fā)生變化時，基于骨架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計，關(guān)聯(lián)設(shè)計的三維模型可以及時修改有關(guān)參數(shù)，更新與之相關(guān)聯(lián)的參數(shù)化體系與骨架結(jié)構(gòu)，從而大大提高工作效率，不再需要逐一修改所有模塊。

(2) 設(shè)計自動化程度的提高。經(jīng)過UDF(用戶特征)、知識工程模塊應(yīng)用、二次開發(fā)等手段，將模型數(shù)據(jù)提升為交互式專業(yè)設(shè)計模板(提取關(guān)鍵參數(shù)與必要選取條件用戶輸入)，從而實現(xiàn)設(shè)計經(jīng)驗和知識的積累重用，使以往項目的設(shè)計經(jīng)驗在新產(chǎn)品中能得以沿用，提高設(shè)計應(yīng)用自動化程度。

(3) 三維設(shè)計與二維出圖。在CATIA軟件中，可以通過對三維模型的切剖生成二維剖面圖。當(dāng)三維參數(shù)化模型發(fā)生改變時，對應(yīng)的二維剖面圖也會自動更改，其過程是全關(guān)聯(lián)的。但由于水電工程設(shè)計的行業(yè)特殊性及復(fù)雜性，“三維設(shè)計，二維出圖”中的二維出圖環(huán)節(jié)還需要一定的定制開發(fā)工作，需要開發(fā)具有行業(yè)特色的二維標(biāo)注，如控制點二維自動標(biāo)注及坐標(biāo)自動統(tǒng)計功能，高程、樁號及支護(hù)錨桿等一系列二維制圖功能，同時能讓二維出圖環(huán)節(jié)與水工制圖的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相符。

通過上述分析可見，采用CATIA三維設(shè)計手段設(shè)計的某水電站施工導(dǎo)流方案是成功的，該方法實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，避免了重復(fù)工作，從而提高了水電工程設(shè)計質(zhì)量和效率。