基于CATIA軟件的道路三維建模方法

張　波

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng)　550081)

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基于CATIA軟件的道路三維建模方法

張波

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng)550081)

CATIA作為一款功能強(qiáng)大的三維協(xié)同設(shè)計(jì)軟件在水利水電工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)場(chǎng)道路、場(chǎng)內(nèi)施工道路的設(shè)計(jì)是水利水電工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)的重要組成部分，本文根據(jù)某水電站工程進(jìn)場(chǎng)道路的建模，介紹了一種以二維平面設(shè)計(jì)成果為基礎(chǔ)，應(yīng)用CATIA軟件建立道路三維模型的方法。

CATIA； 道路； 三維模型； 水利水電工程； 參數(shù)化

1　引言

水利水電工程具有投資規(guī)模大、設(shè)計(jì)建設(shè)周期長(zhǎng)、參與設(shè)計(jì)專業(yè)眾多、系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)。為提高設(shè)計(jì)效率和水平、增加企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，水利水電設(shè)計(jì)行業(yè)正逐步完成從傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)到多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。水利水電工程建設(shè)中，進(jìn)場(chǎng)公路、施工道路、營(yíng)地公路串聯(lián)整個(gè)工程建設(shè)區(qū)，對(duì)于一個(gè)完整的水利水電項(xiàng)目三維設(shè)計(jì)，道路的三維建模必不可少。相比傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)僅依靠平、縱、橫二維數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)道路的三維空間結(jié)構(gòu)和位置，道路三維設(shè)計(jì)精度更高，設(shè)計(jì)成果更加直觀可視。

目前，國(guó)內(nèi)外已有多款軟件具備道路三維建模功能，如德國(guó)IB&T軟件公司的CARD/1、美國(guó)Autodesk公司的AutoCAD Civil 3D、法國(guó)達(dá)索公司的CATIA、西安經(jīng)天交通工程技術(shù)研究所的緯地道路設(shè)計(jì)軟件、南京狄諾尼科技有限責(zé)任公司的EICAD、鴻業(yè)科技的鴻業(yè)Roadleader軟件等。CARD/1、緯地、EICAD、鴻業(yè)設(shè)計(jì)軟件可實(shí)現(xiàn)道路三維模型的建立及圖紙、表格資料的輸出，其利用道路幾何設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，可快速準(zhǔn)確的構(gòu)建地面、道路、橋隧等構(gòu)造物的三維實(shí)體模型。這幾種專業(yè)的道路設(shè)計(jì)軟件結(jié)合規(guī)范緊密，具有參數(shù)化、模板功能，在單一的道路三維建模方面具有優(yōu)勢(shì)，但這些軟件的參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)及地形曲面處理功能有限[1]，也無(wú)法滿足水利水電等大型復(fù)雜工程的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的要求。AutoCAD Civil 3D是一款專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件，可完成道路工程、排水管網(wǎng)系統(tǒng)以及場(chǎng)地規(guī)劃等設(shè)計(jì)，它的道路建模功能可以將水平和垂直幾何圖形與定制的橫截面組件相結(jié)合，為公路和其它交通運(yùn)輸系統(tǒng)創(chuàng)建參數(shù)化定義的動(dòng)態(tài)三維模型。但其在建筑模型、機(jī)電裝配等設(shè)計(jì)中需結(jié)合其他軟件，在水利水電工程施工總布置三維設(shè)計(jì)中存在不足[2]。

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的大型高端CAD/CAE/CAM一體化設(shè)計(jì)軟件，其能將地質(zhì)、工程樞紐、施工布置、場(chǎng)內(nèi)交通、金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電裝配等專業(yè)結(jié)合在一起進(jìn)行水利水電工程三維設(shè)計(jì)，利用其協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)VPM可將零散的各自設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成集中在線設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型、結(jié)構(gòu)、骨架、參數(shù)、關(guān)聯(lián)信息的有效管理[3]。CATIA具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能及完備的知識(shí)工程功能，可建立道路橫斷面、附屬結(jié)構(gòu)的通用模板庫(kù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)重用及模型的關(guān)聯(lián)更新。由于CATIA軟件在水利水電工程多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)及道路三維建模方面有諸多優(yōu)勢(shì)，其已廣泛應(yīng)用于水利水電工程項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)中。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)某水電項(xiàng)目三維協(xié)同設(shè)計(jì)中進(jìn)場(chǎng)道路的建模，介紹了一種以二維道路專業(yè)軟件設(shè)計(jì)成果為基礎(chǔ)，應(yīng)用CATIA軟件建立道路三維模型的方法和流程。

2　CATIA道路三維模型設(shè)計(jì)流程

(1)收集道路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料，如地形、地質(zhì)資料。收集道路二維平面設(shè)計(jì)成果，如道路平面線、縱斷面線、逐樁坐標(biāo)表、路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面等；

(2)根據(jù)地形資料建立地形三維實(shí)體模型；

(3)在CATIA地形三維模型中根據(jù)二維平面設(shè)計(jì)成果建立道路中心線，該中心線為一空間曲線；

(4)建立路基橫斷面三維參數(shù)化模板，模板中路基寬度、邊坡坡度、坡高、馬道等均采用參數(shù)化設(shè)置，以方便調(diào)用和修改；

(5)在CATIA創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)界面下利用路基橫斷面模板沿道路中心線建立整條路線的路基輪廓曲面模型；

(6)將道路的路基輪廓曲面模型與地形三維實(shí)體模型進(jìn)行相交運(yùn)算，生成道路的填方體與開(kāi)挖體，以及經(jīng)過(guò)道路開(kāi)挖與回填后的地形三維實(shí)體模型；

(7)在道路開(kāi)挖、回填后的地形三維實(shí)體模型上，建立邊溝、護(hù)欄等道路附屬結(jié)構(gòu)的三維模型，得到完整的道路三維模型；

(8)利用CATIA軟件工程量計(jì)算功能統(tǒng)計(jì)路基填方量、挖方量及各附屬結(jié)構(gòu)工程量，據(jù)此與二維設(shè)計(jì)軟件計(jì)算所得道路工程量進(jìn)行相互校核。

3　道路三維模型的建立

3.1基本原則

建模時(shí)世界坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，XY平面為水平面，Z向?yàn)楦叱谭较?。建模單位統(tǒng)一為米。

3.2地形三維模型的建立

在CATIA中建立地形模型可以利用自身的網(wǎng)格模型建立、編輯的功能實(shí)現(xiàn)，也可導(dǎo)入其他軟件建立的地形模型文件[4]，下面介紹幾種常用的CATIA地形模型的建立方法。

(1)根據(jù)測(cè)繪部門提供的工程區(qū)地形圖，將地形等高線生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA中，創(chuàng)建地形三維網(wǎng)格模型。

(2)利用地質(zhì)軟件GOCAD建立三維地質(zhì)模型，將GOCAD軟件生成的TS格式、STL格式和3DMAX格式文件導(dǎo)入CATIA軟件中生成地形模型。

(3)利用GIS軟件如ArcGIS建立地形數(shù)字模型，將ArcGIS的三角網(wǎng)模型tin文件轉(zhuǎn)換為STL文件并導(dǎo)入到CATIA中生成地形模型。

將CATIA生成的地形三維曲面模型與同范圍大小的長(zhǎng)方體三維實(shí)體模型做布爾運(yùn)算，即可得到地形三維實(shí)體模型。地形體三維模型的建立將整個(gè)水利水電工程樞紐的三維模型精確定位，并為工程區(qū)的道路、壩體等建筑物的基礎(chǔ)填筑及開(kāi)挖做好準(zhǔn)備，地形體將與各工程結(jié)構(gòu)物一起構(gòu)成完整的水利水電樞紐三維模型[5]。

3.3路線的建立

道路是一條三維空間的帶狀實(shí)體，該實(shí)體表面的中心線為中線，道路中線的空間位置為路線。路線是一條空間曲線，CATIA軟件中路線的建立的方法主要有以下兩種：

(1)空間點(diǎn)直接生成

根據(jù)二維道路設(shè)計(jì)軟件成果即道路逐樁坐標(biāo)表及路基設(shè)計(jì)表，得到從路線起點(diǎn)沿路線走向至路線終點(diǎn)的若干個(gè)三維點(diǎn)坐標(biāo)(X、Y、Z)，在CATIA軟件中利用三維點(diǎn)坐標(biāo)依次建立空間坐標(biāo)點(diǎn)，或采用Excel表格文件從外部文件導(dǎo)入道路路線上各點(diǎn)的坐標(biāo)序列得到空間坐標(biāo)點(diǎn)，將空間坐標(biāo)點(diǎn)用樣條曲線從路線起點(diǎn)到終點(diǎn)順次相連接即得到路線。這種方法建立路線操作簡(jiǎn)單，但路線較長(zhǎng)時(shí)需要輸入多個(gè)空間點(diǎn)，且利用樣條曲線連接空間點(diǎn)模擬的路線精度不高。

(2)二維曲線導(dǎo)入合成

該方法將二維道路設(shè)計(jì)軟件生成的道路平曲線及道路縱斷面線導(dǎo)入CATIA中通過(guò)拉伸、展開(kāi)、展開(kāi)轉(zhuǎn)移等命令生成路線。首先建立路線起點(diǎn)，并導(dǎo)入dwg或dxf格式的道路平曲線，沿坐標(biāo)軸Z方向(道路高程方向)拉伸平曲線得到拉伸曲面并展開(kāi)拉伸面。然后在展開(kāi)的拉伸面上導(dǎo)入道路縱斷面線，利用展開(kāi)轉(zhuǎn)移命令在拉伸曲面上得到一空間曲線，該曲線即為設(shè)計(jì)路線。這種方法建立路線操作過(guò)程較空間點(diǎn)直接生成法復(fù)雜，但路線由兩條二維曲線即道路平曲線和縱斷面線合成，路線走向與高程均與實(shí)際設(shè)計(jì)線路完全吻合，精度高。CATIA中路線模型如圖1所示。

3.4標(biāo)準(zhǔn)橫斷面參數(shù)化模型

道路橫斷面是指道路中線上任意一點(diǎn)的法向切面，它由橫斷面設(shè)計(jì)線和地面線組成。路基橫斷面的典型形式可歸納為路堤、路塹和半填半挖三種類型[6]，路基橫斷面形狀主要有梯形(直線型)、折線型及帶馬道的臺(tái)階型三種。本次設(shè)計(jì)的道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為臺(tái)階型，包括路基開(kāi)挖及填筑橫斷面。道路中線上的任一點(diǎn)的路基橫斷面，路面以上部分為挖方斷面，路面以下部分為填方斷面。為方便路基橫斷面設(shè)計(jì)方案的檢查與修改，將路基橫斷面輪廓進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，包括路面寬度、路基填方坡度、路基開(kāi)挖坡度、坡高、馬道寬度等。道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面輪廓模型如圖2所示。

圖1　道路路線模型

圖2　道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面輪廓模型

3.5路基、路面三維模型的建立

CATIA中建立路基三維實(shí)體模型主要通過(guò)布爾相交運(yùn)算。即建立路基三維網(wǎng)格模式路基標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲面(或路基標(biāo)準(zhǔn)三維實(shí)體)，并與已建好的地形面(或地形體)模型做布爾相交運(yùn)算，得到路基結(jié)構(gòu)CATIA三維模型。下面簡(jiǎn)要闡述CATIA路基三維模型建立的步驟：

(1)在道路起點(diǎn)建立道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面輪廓模型并進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。

(2)通過(guò)掃掠命令將路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面輪廓擴(kuò)展到整個(gè)路線，得到全線路基標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲面(不包含起終點(diǎn)端面輪廓面)。

(3)建立起、終點(diǎn)路基標(biāo)準(zhǔn)斷面，并將其與不含起、終點(diǎn)端面的全線路基標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲面接合得到一完整的、閉合的全路段路基標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲面模型。

(4)通過(guò)鑲嵌命令將填方路基標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲面模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型。將該實(shí)體模型與地形面做布爾運(yùn)算，地形面以上的路基三維體即為路基填方三維實(shí)體模型，如圖3所示。將路基挖方標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲面作為切割面對(duì)地形體進(jìn)行切割，切割面以上的地形三維體即為道路開(kāi)挖體，切割面以下的地形體即為道路開(kāi)挖后的地形三維體，經(jīng)開(kāi)挖回填后的路基三維模型如圖4所示。

圖3　路基填方三維實(shí)體模型

圖4　經(jīng)開(kāi)挖回填后的路基三維實(shí)體模型

利用多重提取命令提取路基標(biāo)準(zhǔn)輪廓面頂面并形成厚度與路面設(shè)計(jì)厚度一致的厚曲面，該厚曲面即為路面結(jié)構(gòu)模型。

3.6工程量統(tǒng)計(jì)

在道路三維設(shè)計(jì)過(guò)程中，將地形開(kāi)挖體、道路填方體、邊溝、護(hù)欄等三維實(shí)體設(shè)計(jì)模型分別放入相應(yīng)的幾何體中，再利用CATIA的體積測(cè)量工具可統(tǒng)計(jì)路基開(kāi)挖量、填方量及各附屬結(jié)構(gòu)工程量。據(jù)此可與二維道路設(shè)計(jì)軟件(如緯地、海地等)所計(jì)算的工程量進(jìn)行相互校核。

4　結(jié)語(yǔ)

CATIA軟件具有強(qiáng)大的知識(shí)工程和參數(shù)化建模功能。水利水電工程領(lǐng)域中利用CATIA建立道路三維模型不僅可以完善整個(gè)工程樞紐的三維設(shè)計(jì)，而且可以更直觀地了解進(jìn)場(chǎng)公路、施工道路、營(yíng)地公路等道路的走向以及沿線的路基狀況。實(shí)踐表明，通過(guò)本文所述方法可以在CATIA中快捷、精確的建立以二維平面設(shè)計(jì)成果為基礎(chǔ)的道路三維仿真模型，該方法適用于水利水電、風(fēng)電等所有基于CATIA軟件的三維協(xié)同設(shè)計(jì)項(xiàng)目中道路模型的建立。在大型復(fù)雜工程項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)中利用CATIA建立道路模型具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)可實(shí)現(xiàn)從建立地形模型、道路三維模型到生成二維設(shè)計(jì)圖、工程量的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程；

(2)在同一平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多專業(yè)的在線協(xié)同設(shè)計(jì)，其模型實(shí)時(shí)更新，多專業(yè)數(shù)據(jù)共享，既可協(xié)同工作，又不互相牽連，可顯著提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期；

(3)在工程樞紐區(qū)布置道路時(shí)，可方便的檢查路線與其他專業(yè)之間是否干涉、碰撞，顯著降低出錯(cuò)率；

(4)得益于優(yōu)秀的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能及知識(shí)工程功能，在CATIA中可建立道路橫斷面、附屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模板，可方便設(shè)計(jì)人員修改及其他工程調(diào)用；

(5)地形、道路平、縱、橫與三維模型之間具有互相聯(lián)結(jié)性，任意參數(shù)的修改均可實(shí)現(xiàn)模型的同步更新，可大大減少設(shè)計(jì)變更時(shí)模型的修改量；

(6)借助VPM平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、校核與審查同平臺(tái)完成。校核、審查人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的道路模型進(jìn)行實(shí)時(shí)瀏覽可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少設(shè)計(jì)人員修改工作量；

(7)強(qiáng)大的地形曲面處理功能，可建立精準(zhǔn)的地形模型，使道路的開(kāi)挖及回填工程量更精確。

同時(shí)，CATIA軟件在道路設(shè)計(jì)中也存在著一些不足，如該軟件目前尚未開(kāi)發(fā)道路工程設(shè)計(jì)模塊，不能套用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，若直接在CATIA中進(jìn)行道路三維建模，設(shè)計(jì)校核工作量較大，故需結(jié)合道路專業(yè)軟件設(shè)計(jì)成果以快速建立符合規(guī)范要求的道路三維模型。當(dāng)路線設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)量的增加也會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行緩慢。我們期待CATIA的后續(xù)版本能夠進(jìn)一步拓展空間應(yīng)用，為工程建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。

[1]黃少華， 萬(wàn)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]繆正建， 王曙東.基于Civil 3D 的水利水電工程施工總布置三維設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江， 2015， 46(增刊I)： 137-138.

[3]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.

[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]劉超， 楊金強(qiáng)，李建榮.CATIA在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)， 2012，(3)： 40-41.

[6]鄧學(xué)鈞. 路基路面工程(第二版)[M].北京：人民交通出版社， 2005.

Methods for Road 3D Modeling based on CATIA

Zhang Bo

(POWERCHINAGuiyangEngineeringCorporationLimited，Guiyang550081，China)

As a powerful 3D collaborative design software，CATIA has been widely used in the field of water conservancy and hydropower engineering.The design of access road and construction road is an important part of the 3D collaborative design of water conservancy and hydropower engineering.According to the access road modeling of a Hydropower Station，this paper introduces a method of building 3D road model by using CATIA software，which is based on the results of two-dimensional design.

CATIA； Road； 3D Model； Water Conservancy and Hydropower Engineering； Parameterize

張波(1985-)，男，工程師，碩士。主要研究方向：公路、橋梁設(shè)計(jì)。

U41

A

1674-7461(2016)01-0071-04

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.12