基于Catia三維開挖設(shè)計(jì)凹面處理技術(shù)研究

張積強(qiáng)，武佩佩，戴　琳

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安　710065)

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基于Catia三維開挖設(shè)計(jì)凹面處理技術(shù)研究

張積強(qiáng)，武佩佩，戴琳

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安710065)

摘要：在Catia軟件中進(jìn)行水工建筑物邊坡開挖設(shè)計(jì)，步驟繁瑣、容易出錯(cuò)且工作量大，后續(xù)修改麻煩，凹點(diǎn)處開挖面處理更是開挖設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。文章對(duì)凹點(diǎn)部位的開挖面處理的一般思路進(jìn)行了總結(jié)，并進(jìn)行了拓展性研究，提出了復(fù)雜情況下凹點(diǎn)處開挖面設(shè)計(jì)及曲面倒角的基本思路和方法，為模板化、程序化解決開挖問題提供了基本思路。

關(guān)鍵詞：CATIA;水電工程;三維開挖;凹面;曲面倒角

1問題提出

在工程邊坡開挖設(shè)計(jì)中，往往碰到邊坡開挖放坡所依據(jù)的建基線在平面上的投影不在同一直線上，凹點(diǎn)處的邊坡一般都會(huì)出現(xiàn)棱角，尤其是凹點(diǎn)兩側(cè)的坡面夾角比較小的時(shí)候，這種棱角顯得邊坡尤為不安全，如圖 1所示。工程實(shí)際設(shè)計(jì)中往往將凹點(diǎn)部位進(jìn)行圓角處理，形成如圖 2所示圓弧曲線。

但在CATIA中，要基于圖 2所示看似簡(jiǎn)單的建基線設(shè)計(jì)出合理的開挖面并不容易。針對(duì)圖1，2所示的建基線，采用整體掃略方法，無論怎樣調(diào)整選項(xiàng)，都可能由于自相交或者曲面復(fù)雜等原因無法得到結(jié)果；采用多截面方法，同時(shí)考慮耦合、引導(dǎo)線等控制方式，可以得到一個(gè)結(jié)果，如圖3，4所示。如圖中看到的，開挖坡面上出現(xiàn)了不規(guī)則的曲面，工程施工中很難控制，并不是理想的結(jié)果。

圖1　凹點(diǎn)處折線形建基線圖

2處理方法研究

筆者對(duì)產(chǎn)生上述不規(guī)則曲面原因進(jìn)行分析，認(rèn)為產(chǎn)生上述問題的原因有2點(diǎn)：第1是兩側(cè)的剖面線和底部的建基線過于復(fù)雜；第2是CATIA的多截面曲面的耦合功能綜合考慮了兩側(cè)剖面線受底部建基線的趨勢(shì)影響，但并沒有嚴(yán)格控制邊坡馬道的走向。針對(duì)上述存在的問題，筆者按照化繁為簡(jiǎn)、細(xì)節(jié)控制的思路做了大量試驗(yàn)，找到了幾種切實(shí)可行的處理方法，供大家參考。

圖2　凹點(diǎn)處圓弧形建基線圖

圖3　折線型建基線邊坡設(shè)計(jì)圖

圖4　圓弧型建基線邊坡設(shè)計(jì)圖

2.1一般設(shè)計(jì)思路

針對(duì)上述情景，一般利用掃略、剪切、可變圓角等工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于圖1所示帶凹點(diǎn)的建基線，通過“使用參考曲面”方法對(duì)凹點(diǎn)兩側(cè)的直線部分分別掃略(拉伸命令也可以)，然后進(jìn)行相互剪切，并采用“可變圓角”方式對(duì)棱線進(jìn)行倒角，即可形成倒圓角后的開挖坡面，如圖5所示，其前提是凹點(diǎn)兩側(cè)的馬道高程一樣，即馬道是一個(gè)水平面。

如果兩側(cè)的馬道高程不一樣，其效果如圖6所示，這種處理方式在工程上很少見。在工程上，每一層馬道基本都是連通的，以滿足小工具車通行，在這種情況下，馬道高程需要從一個(gè)剖面位置傾斜過渡到另一個(gè)剖面位置。

圖5　一般開挖設(shè)計(jì)圖

圖6　不同馬道高程的開挖設(shè)計(jì)圖

2.2凹點(diǎn)處剖面線設(shè)計(jì)

為了解決圖6所顯示的問題，可考慮在凹點(diǎn)處增加一個(gè)剖面線，從而將一個(gè)復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為凹點(diǎn)處剖面線設(shè)計(jì)問題。

在圖5制作過程中，如果將兩側(cè)的直面進(jìn)行相交計(jì)算，可以得到1條空間折線，這條折線繼承了兩側(cè)剖面線的基本特點(diǎn)。按照這個(gè)思路，可以利用兩側(cè)邊坡的馬道高程、坡比、馬道寬度、建基線的信息，通過計(jì)算、放樣獲得剖面線。根據(jù)凹點(diǎn)兩側(cè)馬道面水平還是傾斜，凹點(diǎn)處剖面線設(shè)計(jì)可有2種思路：一種思路是一側(cè)馬道面水平，另一側(cè)為帶有縱坡的斜坡面；另一種思路是兩側(cè)馬道統(tǒng)一坡比，均按帶有縱坡的斜面設(shè)計(jì)，如圖7所示，其設(shè)計(jì)思路和流程如圖8所示。利用這種方法生成的凹點(diǎn)處剖面線，可以生成基本滿足工程設(shè)計(jì)需要的邊坡開挖面，如圖9所示。為了生成這個(gè)凹點(diǎn)處的剖面線，兩側(cè)馬道內(nèi)側(cè)邊線的交點(diǎn)做了近似處理，一般情況下其誤差均小于1 mm，滿足工程要求。這種方法簡(jiǎn)稱為單剖面線過渡法，常用于洞口的洞臉與兩側(cè)邊坡的開挖設(shè)計(jì)。

2.3曲面倒角設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)安全，工程上一般對(duì)比較尖銳的棱線進(jìn)行倒角處理，可利用CATIA的可變圓角曲面工具處理，圖9所示棱線進(jìn)行圓角處理后如圖10所示。如果建基線是圖2所示的曲線，則可修改底部的半徑參數(shù)，處理為圖11所示效果。

圖7　凹點(diǎn)處剖面線設(shè)計(jì)圖

圖8　凹點(diǎn)剖面線設(shè)計(jì)流程圖

圖9　棱線型邊坡開挖面圖

圖10　圓角處理后的邊坡開挖面圖(1)

圖11　圓角處理后的邊坡開挖面圖(2)

實(shí)際上，工程上除了上面2種圓角處理方法，可能還有倒直角的處理要求，其效果如圖12所示。其制作方法可參考圓角處理思路，先利用曲線的3D圓角功能，對(duì)棱線兩側(cè)的馬道邊線分別圓角,獲得2條新的剖面線，如圖13所示。然后利用橋接工具，將這2條剖面線作為第1、第2曲線，并將同一馬道的對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行耦合，則可分步生成圖12所示的直面邊坡開挖設(shè)計(jì)圖；如果利用多截面曲面工具，并以建基線的圓弧線為引導(dǎo)線，結(jié)合耦合則可以生成圖10所示的邊坡開挖設(shè)計(jì)圖。

圖12　倒角處理后的邊坡開挖面圖

圖13　倒角處理過程圖

2.4直接設(shè)計(jì)

以上方法是針對(duì)已生成的圖9所示的直線型開挖面所做的倒角設(shè)計(jì)，適用于人工設(shè)計(jì)；如果用于程序開發(fā)，還可以利用凹點(diǎn)處剖面線設(shè)計(jì)成果，采用圖 7所展示的思路，直接對(duì)馬道邊線進(jìn)行倒角，如圖14所示，據(jù)此生成的開挖面如圖15所示。這種方法簡(jiǎn)稱為雙剖面線過渡法，常用于處理相鄰建筑物之間有預(yù)留巖體的情況。

圖14　預(yù)先倒角設(shè)計(jì)過程圖

圖15　預(yù)先倒角設(shè)計(jì)后生成的開挖面圖

雙剖面線過渡法的精度比單剖面線過渡法高，這是因?yàn)殡p剖面線過渡法在預(yù)先倒角處理時(shí)利用的馬道邊線沒有近似處理，完全符合CATIA中曲面設(shè)計(jì)的幾何原理，與(1)中所述的“一般設(shè)計(jì)”思路所制作的開挖面非常吻合。

3結(jié)語

凹面開挖設(shè)計(jì)是工程邊坡開挖設(shè)計(jì)中普遍碰到的一個(gè)難點(diǎn)問題，也是邊坡開挖類軟件開發(fā)中碰到的一個(gè)主要技術(shù)問題。本文提到了凹面邊坡開挖設(shè)計(jì)的多種思路，相比來說，采用掃略、剪切、可變圓角的一般設(shè)計(jì)方法可能更簡(jiǎn)單、應(yīng)用更多；但如果要解決復(fù)雜問題，基于凹點(diǎn)處剖面線設(shè)計(jì)的思路更能滿足設(shè)計(jì)需要。筆者在這里提到的幾種方法用于三維邊坡開挖設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)中，其編程思路相對(duì)清晰，效率較高，設(shè)計(jì)成果更能滿足工程設(shè)計(jì)、施工要求。

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Study on Treatment Technology of Concave Surface Based on CATIA 3D Excavation Design

ZHANG Jiqiang, WU Peipei, DAI Lin

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

Abstract:In design of the slope excavation of the hydraulic structures by CATIA, steps are a lot, mistakes easily occur, work quantity is high and it is difficult to modify later. The treatment of the excavation surface at the concave point is more difficult. In the paper, approaches on the treatment are summarized and developed. The basic approach and method for the excavation surface design and surface fillet at the concave point are raised accordingly. Those provide the template and program solution for excavation design with the basic approaches.

Key words:CATIA; hydropower engineering; 3D excavation; concave face; surface fillet

中圖分類號(hào)：TV223;TP399

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.023

作者簡(jiǎn)介：張積強(qiáng)(1973- )，男，陜西省千陽縣人，高級(jí)工程師，從事水電工程三維設(shè)計(jì)研究工作.

收稿日期：2015-09-25

文章編號(hào)：1006—2610(2016)01—0088—04