三維C A D技術(shù)在水利水電工程設(shè)計中的應(yīng)用

韋光林

（安順市水利水電勘測設(shè)計院，貴州安順561000）

三維C A D技術(shù)在水利水電工程設(shè)計中的應(yīng)用

韋光林

（安順市水利水電勘測設(shè)計院，貴州安順561000）

目前，三維C A D技術(shù)在航天、電子設(shè)計、機(jī)械等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，水利水電工程的設(shè)計理念也產(chǎn)生了巨大的變化，三維C A D技術(shù)在水利水電工程設(shè)計中也得到了廣泛的應(yīng)用。本文詳細(xì)論述了三維C A D技術(shù)在水利水電工程設(shè)計中的優(yōu)點，并結(jié)合實際應(yīng)用案例進(jìn)一步將三維C A D技術(shù)和傳統(tǒng)的手工方式繪圖進(jìn)行了比較，闡明了三維C A D技術(shù)的優(yōu)越性。

三維C A D技術(shù)；水利水電工程設(shè)計；應(yīng)用

在工程設(shè)計中，工程圖是一種用來進(jìn)行交流的語言。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維技術(shù)已經(jīng)成為未來工程設(shè)計發(fā)展的主要方向，在電子設(shè)計、航天、機(jī)械、建筑部門等行業(yè)得到了廣泛的運用。在水利水電工程中使用三維技術(shù)，可以更加精確的對方案進(jìn)行對比，在提高工程品質(zhì)、減少工程設(shè)計周期、降低工程造價，提升設(shè)計質(zhì)量等方面具有重要意義。

1 三維設(shè)計的意義

1.1 三維設(shè)計是發(fā)展趨勢

三維設(shè)計之所以可以成為目前主流的C A D技術(shù)，是因為它有很多二維技術(shù)不具備的優(yōu)勢。通過對三維設(shè)計和二維設(shè)計的效率和性能進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)，三維設(shè)計對結(jié)構(gòu)描述的準(zhǔn)確性和真實性更高，有效的克服了設(shè)計中可想不可見的缺點，是未來技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。

1.2 全面反映設(shè)計意圖

三維設(shè)計更加符合人們的設(shè)計習(xí)慣和思維習(xí)慣，可以對有限元分析的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行組建，對幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并達(dá)到C A D，C A E/ C A P P/C A M的集成，還可以利用渲染功能和著色功能得到設(shè)計方案的三維效果圖，使決策人員和設(shè)計人員更加全面的了解設(shè)計外觀，提高設(shè)計決策的準(zhǔn)確度，降低設(shè)計周期，加快產(chǎn)品的開發(fā)。還可以對產(chǎn)品的動態(tài)特性進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，預(yù)算工程項目的成本［1］。通過使用三維設(shè)計，使工程設(shè)計產(chǎn)生變革，將設(shè)計推到了從未有過的高度。

2 CAD技術(shù)的優(yōu)點

2.1 制圖準(zhǔn)確度高

水利水電工程對設(shè)計的精準(zhǔn)性要求比較高，而且自身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，手工制圖的難度非常大，準(zhǔn)確度很難達(dá)到要求。通過使用C A D軟件強(qiáng)大的計算功能，可以簡化計算流程，查算的數(shù)據(jù)又準(zhǔn)又快，可以精確的繪制出低水位水庫和壩面的曲線，達(dá)到設(shè)計精度的要求。

2.2 攜帶便利

在繪制的過程中，如果使用手工繪制的方法進(jìn)行繪制，設(shè)計人員需要攜帶大量的圖紙和器材，不僅不方便，而且需要耗費大量的時間和精力，工作效率低，很容易損壞設(shè)備。而使用C A D技術(shù)，只需要攜帶遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備或便攜式電腦就可以了，很方便。

2.3 制圖更快

在進(jìn)行水利水電工程設(shè)計時，圖像的計算量很大，如果使用人工的方式進(jìn)行計算，不僅要耗費大量的精力和時間，而且準(zhǔn)確度低。而使用C A D技術(shù)，通過使用自動求積模塊的功能，可以進(jìn)行自動求積等多項運算，能夠在短時間內(nèi)將復(fù)雜的計算完成，實現(xiàn)快捷化制圖。

2.4 數(shù)據(jù)的監(jiān)測和保存更加方便

使用傳統(tǒng)的方式，由于數(shù)據(jù)多且復(fù)雜，在查詢和保存時很不方便，而使用C A D技術(shù)，可以更加快捷將大量的技術(shù)保存在存儲介質(zhì)中，非常的方便。

2.5 保證工程設(shè)計質(zhì)量

通過使用C A D技術(shù)進(jìn)行直觀的的設(shè)計，可以及時暴露出可能存在的問題和錯誤，降低工程建設(shè)過程中存在的風(fēng)險。由于水庫樞紐、水電站等設(shè)計是一個復(fù)雜、繁瑣的過程，存在比較嚴(yán)重的專業(yè)協(xié)調(diào)問題。在二維設(shè)計環(huán)境下，由于需要進(jìn)行多次反復(fù)計算，不可避免會出現(xiàn)失誤的情況。而在三維可視化的環(huán)境下，通過集中管理數(shù)據(jù)，可以保證不同階段、不同專業(yè)數(shù)據(jù)的唯一性和一致性，降低設(shè)計疏漏，防止因空間關(guān)系上缺乏認(rèn)識，導(dǎo)致設(shè)計失誤的情況出現(xiàn)。

2.6 設(shè)計成果直觀

使用三維C A D技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，不僅可以進(jìn)行二維圖紙的繪制，而且可以提供出三維模型，可以從任意視角查看工程的局部情況和整體情況，還可以提供動態(tài)結(jié)構(gòu)的裝配過程，對各個建筑物空間、時間上的邏輯關(guān)系進(jìn)行描述，利用三維動畫的形式，在虛擬的環(huán)境中，對施工過程中原始的地質(zhì)地形情況進(jìn)行真實預(yù)言，分析材料、人工和施工機(jī)械的消耗情況，挖掘出降低施工成本的潛力，為企業(yè)投標(biāo)和經(jīng)營管理單位提供預(yù)測和決策依據(jù)；根據(jù)工程的實際施工特點，將工程項目管理工作做好，對工程進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃和組織，嚴(yán)格按照規(guī)定要求進(jìn)行施工，在保證施工安全和施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對施工成本進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證設(shè)計效果。

3 三維C A D技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

3.1 C A D技術(shù)的應(yīng)用范圍

3.1.1水工設(shè)計應(yīng)用

在水利水電工程設(shè)計中，由于工程比較復(fù)雜，需要多種專業(yè)互相配合、協(xié)調(diào)的情況下開展，為了提高設(shè)計靈活性，避免設(shè)計缺點，在設(shè)計時要提高骨架設(shè)計模塊的應(yīng)用，并將設(shè)計權(quán)限劃分出來，實現(xiàn)設(shè)計的并行性和協(xié)同性。此外，要在這個基礎(chǔ)上選擇確定設(shè)計模板的參數(shù)，并使用和其對應(yīng)的方式構(gòu)件三維形體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入C A D分析軟件，從而更快的設(shè)計出三維設(shè)計草圖［2］。草圖設(shè)計完成后，設(shè)計要根據(jù)C A D的剖面設(shè)計圖和平面設(shè)計圖，進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，使空間概念更加明晰，并通過實際生成的模型反復(fù)校核平面設(shè)計圖。為了提高設(shè)計的有效性，在設(shè)計的過程中，要加強(qiáng)各方的溝通和交流。

3.1.2在地形地質(zhì)應(yīng)用

通過利用等高數(shù)據(jù)，可以更加準(zhǔn)確、快速的實現(xiàn)數(shù)字化的三維地形，建立起水工建筑物大壩、原始地貌、開挖邊坡、引水洞等三維地形圖。利用計算機(jī)進(jìn)行設(shè)計，具有良好的仿真效果，可以及時適應(yīng)原有圖形，使實物和圖形更加的匹配［3］。由于三維地形的仿真性很強(qiáng)，因此，可以計算所有復(fù)雜位置的體積，可以根據(jù)實際的需求，進(jìn)行剖面的開挖和旋轉(zhuǎn)，可以使用勘測數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確的計算土石方量。

3.2 水利水電工程中三維C A D技術(shù)應(yīng)用說明

3.2.1處理E X C E L數(shù)據(jù)

在處理數(shù)據(jù)前，先要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分析核實前期收集到的數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)輸入，轉(zhuǎn)化成具體的坐標(biāo)。例如執(zhí)行s pl i ne命令，復(fù)制和粘貼E X C E L中的曲線坐標(biāo)，最后按下回車進(jìn)行執(zhí)行。

3.2.2繪制水位/庫容曲線

首先，輸入水位和對應(yīng)庫容的數(shù)據(jù)，然后，利用表格自帶的功能，準(zhǔn)確快速的計算庫容差，再根據(jù)具體的計算結(jié)果對坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，繼續(xù)進(jìn)行輸入。當(dāng)所有的輸入完成后，將美觀度和辨識度放大，重新定位坐標(biāo)點，執(zhí)行樣條曲線繪制的命令，最后按下回車完成曲線繪制［4］。

3.2.3三維立體渲染

使用C A D技術(shù)，不僅可以將立體效果圖繪制出來，而且可以利用渲染，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合多臺電腦進(jìn)行同時分析計算的數(shù)據(jù)?？梢愿蛹皶r發(fā)現(xiàn)存在的問題和不足，并對問題進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。

4 實際應(yīng)用案例

4.1 案例介紹

目前鋼岔管是水利水電工程系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的一個設(shè)備，主要由錐、柱和球面構(gòu)成，由鋼板卷焊制成，一般來說可以分為三梁岔管、牙肋岔管、貼邊岔管和球形岔管、無梁岔管等類型。由于岔管的體型比較復(fù)雜，體型展開計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計均非常困難，需要經(jīng)過復(fù)雜的平面幾何計算才可以得到正確的施工圖，因此，決定使用三維C A D技術(shù)進(jìn)行岔管施工圖的設(shè)計。

4.2 計算步驟

以非對稱的Y形三梁岔管為例，使用圓柱管作為主管，使用圓錐管作為支管，主管和支管的肋板厚度和管壁厚度均為18.3m m，內(nèi)徑分別為600m m和300m m，因此，設(shè)計公切求的半徑為300m m。按照三梁岔管構(gòu)造的相關(guān)要求，取分岔錐管腰線折角為11°，具體的設(shè)計步驟如下。

（1）使用裝配設(shè)計模塊和零件模塊，根據(jù)幾何參數(shù)建立立體模型，見圖1。

圖1 岔管立體模型圖

（2）根據(jù)C A D軟件的草圖功能，應(yīng)用提前功能對體型圖進(jìn)行確定，并測量出控制體型圖形狀的主要數(shù)據(jù)，主管和支管的體型圖見圖2。

圖2 主管和支管的體型圖

（3）利用軟件的展開功能，將內(nèi)表面圖形展開，并得到具體的主管和支管展開圖，將主管展開曲線坐標(biāo)的數(shù)據(jù)提取出來，量出大小U梁內(nèi)緣橢圓長、腰梁、短軸的具體長度，并確定具體的方程。

4.3 設(shè)計結(jié)果

使用三維C A D技術(shù)來設(shè)計岔管的三維模型，得到的坐標(biāo)值和數(shù)解法計算結(jié)果基本一致，可以滿足精度要求。在整個設(shè)計過程中，沒有運用計算公式，整個設(shè)計過程快捷、直觀，操作步驟簡單，效率高，工作量小，可以直接輸出設(shè)計結(jié)果，不用使用軟件進(jìn)行再次繪制。

5 結(jié)論

從理論到具體事例都表明三維C A D技術(shù)比傳統(tǒng)的手工方式繪圖的準(zhǔn)確性更高、攜帶更加方便，徹底改變了手工計算后繪制的歷史。不過，為了進(jìn)一步保證設(shè)計質(zhì)量，適應(yīng)新時代的發(fā)展，作為設(shè)計人員，要不斷的提升自身的專業(yè)素質(zhì)水平，設(shè)計出符合規(guī)定要求的水利水電工程施工圖。

［1］馬剛琳，馬壯.三維C A D技術(shù)在水利水電工程設(shè)計中的應(yīng)用［J］.吉林水利，2008（12）：63-65.

［2］劉日勝.水利水電工程電氣C A D技術(shù)的應(yīng)用［J］.門窗，2013（08）：243-243.

［3］黃開文，楊忠，聶宗敬.落腳河水電站岔管及支管結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2009（08）：96-97.

［4］謝冠峰，李火坤.高水頭卜型月牙肋岔管結(jié)構(gòu)三維應(yīng)力分析［J］.南昌大學(xué)學(xué)報（工科版），2009（01）：74-75.

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韋光林（1970年—）男，高級工程師。