基于CATIA三維設(shè)計(jì)軟件的料場(chǎng)開采設(shè)計(jì)方法

王勇勝，張偉鋒(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

料場(chǎng)開采規(guī)劃是施工組織設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，如何快速、精確地獲得料場(chǎng)開采參數(shù)一直困擾著工程設(shè)計(jì)人員。在料場(chǎng)開采的設(shè)計(jì)過程中，需要多次進(jìn)行料場(chǎng)比選和調(diào)整工作，而對(duì)于每一種方案都需計(jì)算其料場(chǎng)開采量，獲得一系列的料場(chǎng)開采參數(shù)[1]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要是“剖面法”，通過在二維的地形圖中切多個(gè)剖面估算料場(chǎng)開采量，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)調(diào)整。該方法計(jì)算工作量較大，設(shè)計(jì)效率和精度偏低，后期調(diào)整需重新切剖面，方法耗時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重制約設(shè)計(jì)工作效率。而采用基于CATIA軟件的料場(chǎng)開采設(shè)計(jì)方法可以克服上述缺點(diǎn)，不但能直觀形象地展示出料場(chǎng)開挖的最終面貌，而且可以快捷地得到料場(chǎng)開采量、料場(chǎng)開口線位置、邊坡高度、占地范圍及面積等一系列設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)其設(shè)計(jì)的計(jì)算精度也大大提高。

CATIA軟件是法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM商業(yè)軟件系統(tǒng)，因其具備強(qiáng)大的地形曲面處理和三維參數(shù)化造型功能，已廣泛應(yīng)用于航空、航天和汽車制造等行業(yè)，但在水電工程中的應(yīng)用尚處于起步階段[2]。本文結(jié)合某水利水電工程料場(chǎng)開采設(shè)計(jì)，基于CATIA 軟件建立起三維地形面，通過放坡面與終采面控制點(diǎn)坐標(biāo)建立智能關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)開采區(qū)域的三維動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)。即當(dāng)料場(chǎng)開采量發(fā)生變化時(shí)，可通過調(diào)整終采面的控制點(diǎn)坐標(biāo)快速實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)開挖三維設(shè)計(jì)實(shí)體的動(dòng)態(tài)修改，直到方案滿足工程設(shè)計(jì)要求為止。

1 方法設(shè)計(jì)流程

(1)首先收集料場(chǎng)開采設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料以及前期規(guī)劃設(shè)計(jì)成果。如料場(chǎng)開采的位置、范圍、規(guī)模、開采邊坡坡比及料場(chǎng)的規(guī)劃開采量等資料。

(2)基于Catia設(shè)計(jì)軟件建立三維地形面。根據(jù)收集的工程地形資料，運(yùn)用“DtoA.exe”程序?qū)⒌匦胃叱厅c(diǎn)及等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成*.asc格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[3]。利用CATIA軟件中DSE模塊下的“IMPORT”生成點(diǎn)云，再運(yùn)用“mesh creation”生成mesh面，最終建立起可進(jìn)行布爾運(yùn)算的三維地形面。

(3)建立料場(chǎng)開挖放坡面。初步擬定料場(chǎng)開采邊坡坡比、終采平臺(tái)面高程及控制點(diǎn)坐標(biāo)等設(shè)計(jì)參數(shù)；在Catia的“零件設(shè)計(jì)”模塊中，通過終采平臺(tái)的控制點(diǎn)坐標(biāo)建立終采平面輪廓，運(yùn)用成都院開發(fā)的“Slopesmart邊坡設(shè)計(jì)”插件進(jìn)行放坡，將放坡線與擬定的終采平臺(tái)控制點(diǎn)進(jìn)行智能關(guān)聯(lián)，生成料場(chǎng)開挖放坡面。

(4)進(jìn)行布爾運(yùn)算，建立料場(chǎng)開挖三維實(shí)體。在“創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)”模塊中，運(yùn)用分割和修剪命令對(duì)三維地形面和料場(chǎng)放坡面進(jìn)行運(yùn)算，得到料場(chǎng)開挖面；再利用封閉曲面命令，將料場(chǎng)開挖面生成三維實(shí)體。

(5)料場(chǎng)開采動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)。運(yùn)用Catia中的“測(cè)量”工具，獲得料場(chǎng)開采量、占地面積、最大開挖邊坡高度等設(shè)計(jì)參數(shù)。若獲得的設(shè)計(jì)參數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求，調(diào)整終采平臺(tái)的控制點(diǎn)坐標(biāo)或終采平臺(tái)高程，料場(chǎng)開采三維實(shí)體隨之動(dòng)態(tài)更新，再次運(yùn)用“測(cè)量”工具查看料場(chǎng)開采的設(shè)計(jì)參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2 工程應(yīng)用

某水利水電工程料場(chǎng)位于壩址上游左岸北溝溝口，分布高程約3 000～3 580 m，屬高中山地貌，平面面積約90 萬m2，地表自然坡度一般40°～50°。該料場(chǎng)巖性主要為片麻巖，僅在低高程有少量角閃巖，風(fēng)化不強(qiáng)烈，巖質(zhì)堅(jiān)硬，試驗(yàn)指標(biāo)片麻巖和角閃巖均滿足堆石料原巖質(zhì)量要求。弱風(fēng)化-微新巖體可作為有用層，厚度一般400～800 m，初估有用層儲(chǔ)量約15 400 萬m3，該料場(chǎng)的規(guī)劃開采量約10 100 萬m3。

2.1 生成三維地形面

根據(jù)收集的工程地形資料，運(yùn)用“DtoA.exe”程序?qū)ad的地形高程點(diǎn)及等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成*.asc格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換時(shí)注意坐標(biāo)的初始值。利用CATIA軟件中DSE模塊下的“IMPORT”生成點(diǎn)云，再運(yùn)用“mesh creation”生成mesh面，生成的料場(chǎng)開采區(qū)域三維地形面如圖1所示。

2.2 建立料場(chǎng)開挖放坡面

初步擬定料場(chǎng)開采邊坡坡比、終采平臺(tái)面高程及控制點(diǎn)坐標(biāo)等設(shè)計(jì)參數(shù)，并在Catia“零件設(shè)計(jì)”模塊中，以擬定的終采平臺(tái)控制點(diǎn)坐標(biāo)建立料場(chǎng)終采平臺(tái)的輪廓線[見圖2(a)]，利用Slopesmart邊坡設(shè)計(jì)插件進(jìn)行放坡線設(shè)計(jì)[見圖2(b)]，為了便于后期進(jìn)行邊坡的調(diào)整，將放坡線與料場(chǎng)的終采平面控制點(diǎn)進(jìn)行智能關(guān)聯(lián)，再將放坡面與終采面接合[見圖2(c)]，生成料場(chǎng)開挖放坡面。

圖2 生成料場(chǎng)開挖放坡面

2.3 生成料場(chǎng)開挖三維實(shí)體

在Catia“創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)” 模塊中，運(yùn)用分割和修剪命令對(duì)三維地形面和料場(chǎng)開挖面進(jìn)行運(yùn)算，得到料場(chǎng)開挖面；再利用封閉曲面命令，將料場(chǎng)開挖面生成料場(chǎng)開挖三維實(shí)體(見圖3)。

圖3 料場(chǎng)開挖三維實(shí)體

2.4 料場(chǎng)開挖設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)調(diào)整

運(yùn)用Catia中的“測(cè)量”工具，獲得料場(chǎng)開采量、占地面積及最大開挖邊坡高度等設(shè)計(jì)參數(shù)。若獲得的設(shè)計(jì)參數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求，需調(diào)整終采平臺(tái)的控制點(diǎn)坐標(biāo)或平臺(tái)高程。由于將料場(chǎng)的終采平面控制點(diǎn)與放坡線進(jìn)行智能關(guān)聯(lián)，故料場(chǎng)開采三維實(shí)體隨之動(dòng)態(tài)更新，設(shè)計(jì)人員無需從頭開始重復(fù)以前的工作，這樣能夠節(jié)省大量的時(shí)間、減少設(shè)計(jì)工作量[4,5]，大大提高了設(shè)計(jì)工作效率。通過數(shù)次終采平臺(tái)的控制點(diǎn)坐標(biāo)和平臺(tái)高程的調(diào)整，得到滿足工程設(shè)計(jì)要求的料場(chǎng)規(guī)劃。料場(chǎng)開采成果全貌如圖4所示，相應(yīng)的料場(chǎng)開采參數(shù)輸出如圖5所示。

圖4 料場(chǎng)開采成果全貌

3 結(jié) 語

本文依托某水電工程料場(chǎng)開采設(shè)計(jì)，基于CATIA三維設(shè)計(jì)軟件生成三維地形面，利用Slopesmart邊坡設(shè)計(jì)插件快速生成料場(chǎng)的開挖放坡面，通過將放坡面與終采面的控制點(diǎn)坐標(biāo)建立智能關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)開采區(qū)域的三維動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)。該方法不但克服了傳統(tǒng)切剖面法工作效率低、精度差的不足，而且實(shí)現(xiàn)了料場(chǎng)開采的參數(shù)可視化設(shè)計(jì)，并快速獲得料場(chǎng)規(guī)劃開采量、征地面積及最大邊坡高度等設(shè)計(jì)參數(shù)，明顯提高了其計(jì)算精度和設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，該方法也成功運(yùn)用于施工組織設(shè)計(jì)中的場(chǎng)地規(guī)劃和渣場(chǎng)調(diào)整設(shè)計(jì)中。

圖5 料場(chǎng)開采參數(shù)輸出

□

[1] 黃少華，萬 軍，王進(jìn)豐.CATIA軟件在道路三維動(dòng)態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江,2014,45(14):61-63.

[2] 張治軍，陳敦科，蘇利軍，等.基于CATIA平臺(tái)的水電工程料場(chǎng)開采三維設(shè)計(jì)[J]．人民長(zhǎng)江，2012，43(19):20-22.

[3] 藺志剛, 王大川, 王 陸,等. CATIA在水工隧洞三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．人民黃河，2011，33(5):143-144.

[4] 王秋明，胡瑞華．基于CATIA的三維地質(zhì)建模關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．人民長(zhǎng)江，2011，42(22):76-78.

[5] 王進(jìn)豐，李小帥，傅尤杰．CATIA軟件在水電工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．人民長(zhǎng)江，2009，40(4):68-70.