基于CATIA的堤防三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

朱飛 肖華 高力 徐俊

摘要：堤防工程具有線路長、地形地質(zhì)條件變化大、工程措施多變等特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)二維方法來完成設(shè)計(jì)會(huì)十分繁雜，難以提高工作效率。三維設(shè)計(jì)是水利工程勘測設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢，基于CATIA軟件進(jìn)行了堤防工程三維設(shè)計(jì)的探索研究。首先介紹了利用CATIA軟件進(jìn)行堤防工程三維設(shè)計(jì)的基本思路與技巧，并以洪湖東分塊蓄滯洪區(qū)蓄洪工程的腰口隔堤為例進(jìn)行了地質(zhì)三維建模、堤防參數(shù)化模板構(gòu)建、堤防三維設(shè)計(jì)建模;隨后基于三維勘測設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了方案比選、工程量計(jì)算、二維出圖等初步工程應(yīng)用。結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)，基于CATIA的三維設(shè)計(jì)可以顯著提高工作效率，便于直觀表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，在堤防工程等長線路工程中的優(yōu)勢十分明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān) 鍵 詞：堤防工程; 三維設(shè)計(jì); CATIA; 參數(shù)化模板

我國的水利工程建設(shè)已處于世界領(lǐng)先地位。但是，目前水利行業(yè)勘察設(shè)計(jì)仍然采用傳統(tǒng)的平面二維方法，地質(zhì)、水工、施工、機(jī)電等專業(yè)均采用二維出圖的方式來表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，這不僅導(dǎo)致各個(gè)專業(yè)繪圖工作繁重，而且難以直觀表達(dá)工程，極大地限制了設(shè)計(jì)效率。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計(jì)、提供空間三維模型來展示設(shè)計(jì)產(chǎn)品越來越受到水利工程設(shè)計(jì)、施工和管理各方的關(guān)注[1-2]。三維協(xié)同技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：① 可以一目了然地呈現(xiàn)工程區(qū)域真實(shí)地貌以及工程面貌;② 采用參數(shù)化建模，可以方便修改模型;③ 基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的多專業(yè)協(xié)同工作，可提高設(shè)計(jì)成果質(zhì)量和工作效率，縮短設(shè)計(jì)周期;④ 將三維勘測設(shè)計(jì)成果向水利工程后續(xù)的施工管理和運(yùn)維管理延伸，可以提升水利工程管理的信息化水平[3-5]。

本文充分發(fā)揮三維協(xié)同技術(shù)的優(yōu)勢，基于CATIA三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了堤防參數(shù)化模板構(gòu)建、三維建模，并介紹了初步工程應(yīng)用。

1 CATIA及在水利工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外流行的三維設(shè)計(jì)軟件很多，其中CATIA是法國Dassault公司開發(fā)的一套完整的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造和工程應(yīng)用一體化軟件[2]。它的功能涵蓋了設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)整個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)流程。由于強(qiáng)大的實(shí)體建模功能和參數(shù)化建模思路，使得該軟件在航空、汽車、機(jī)械制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

在水利行業(yè)，CATIA也正在快速運(yùn)用于水電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工與管理。鐘登華等搭建了基于CATIA的堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)[6]。王天興等基于VB對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于CATIA的土石壩的邊坡穩(wěn)定計(jì)算[7]。李小帥等以CATIA與3DS MAX為平臺(tái)，結(jié)合CG知識(shí)庫，構(gòu)建了水電工程三維可視化仿真場景[8]。黃志澍等提出了基于CATIA創(chuàng)建三維水電標(biāo)準(zhǔn)件模板庫的一般步驟，通過靈活應(yīng)用模板庫構(gòu)件模型，可以大大提高設(shè)計(jì)效率和精度[9]。王曉龍等提出了基于CATIA的水電站引水系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合CFD有限元計(jì)算，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化[10]。此外，諸多學(xué)者還進(jìn)行了基于CATIA的水電站樞紐工程三維設(shè)計(jì)與應(yīng)用的相關(guān)研究 [11-13]。

2 基于CATIA的堤防工程設(shè)計(jì)建模

2.1 堤防工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

堤防工程作為防洪工程體系的重要組成部分，是防御洪水的最后一道屏障。堤防工程一般具有線路長、沿線地形地貌變化大、堤身填筑斷面標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)。正是如此，不同堤段的工程措施可能多變，需根據(jù)不同的地形地質(zhì)條件采取相應(yīng)的治理措施，比如反壓平臺(tái)、堤外硬護(hù)坡和堤身堤基防滲等。

目前堤防工程設(shè)計(jì)仍然以傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)為主，尚未見到三維設(shè)計(jì)的相關(guān)研究。由于堤防工程線路長、工程措施多變的特點(diǎn)，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)工作十分繁雜，特別是在施工圖階段，一般需要每隔50 m繪制橫斷面來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和工程量統(tǒng)計(jì)，一旦設(shè)計(jì)方案調(diào)整或優(yōu)化，圖紙修改工作量巨大，嚴(yán)重影響工作效率，成為困擾設(shè)計(jì)人員的一大難題。

第7期? ?朱 飛 ，等：基于CATIA的堤防三維參數(shù)化設(shè)計(jì)? ? 人 民 長 江2019年 2.2 建模思路

為了提高效率以及產(chǎn)品精度，開展三維堤防建模的研究與應(yīng)用勢在必行。三維堤防建模的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于：① 構(gòu)建滿足施工圖精度要求的三維地質(zhì)模型;② 建立參數(shù)化堤防實(shí)體模型，便于批量化建模及修改。因此，堤防工程三維建模需要各個(gè)專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)完成，其一般思路可以概括如下（見圖1）。

（1） 三維地質(zhì)模型。三維地質(zhì)模型一般由地質(zhì)專業(yè)和測量專業(yè)負(fù)責(zé)，需要精確地反映工程區(qū)域的地形和地質(zhì)情況。堤防工程的堤基地質(zhì)條件是設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)，要求模型中能夠?qū)⒏鞯貙有畔?、透鏡體等特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出來。為了便于水工專業(yè)提出合理的基礎(chǔ)處理措施，還需要模型能夠簡單快速地給出各地層的地質(zhì)屬性和參數(shù)。

（2） 骨架模型。水工專業(yè)人員通過分析工程特點(diǎn)，建立骨架模型，骨架模型一般為模型的關(guān)鍵控制點(diǎn)、線和面，自頂而下控制三維設(shè)計(jì)模型。骨架為布置設(shè)計(jì)的結(jié)果，一般會(huì)隨著布置方案的調(diào)整而改變。在堤防工程中，一般可以將堤頂軸線上的控制節(jié)點(diǎn)作為骨架模型，一旦軸線需要調(diào)整，則只需更改骨架模型中的設(shè)計(jì)信息，就會(huì)改變整個(gè)模型，便于控制和軸線變化相關(guān)的設(shè)計(jì)變更。

（3） 堤防三維實(shí)體模型。水工人員基于骨架模型，通過導(dǎo)入堤防控制節(jié)點(diǎn)信息，生成堤防軸線，然后基于堤防斷面的參數(shù)化模板，可快速生成初步的堤防實(shí)體。為了完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以通過建立護(hù)坡、墊層、堤頂?shù)缆返燃?xì)部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模板，來快速生成細(xì)部結(jié)構(gòu)實(shí)體。將三維地質(zhì)模型和堤防實(shí)體結(jié)合，通過布爾運(yùn)算等操作，可建立堤防三維實(shí)體模型。

（4） 工程運(yùn)用?；谝呀⒌牡谭廊S實(shí)體模型，可實(shí)現(xiàn)工程量統(tǒng)計(jì)、堤防剖面二維出圖以及通過生成輕量化模型導(dǎo)入到便攜設(shè)備，現(xiàn)場指導(dǎo)施工。

2.3 模型實(shí)現(xiàn)

2.3.1 工程概況

洪湖東分塊蓄滯洪區(qū)位于長江中游北岸，湖北省洪湖市境內(nèi)，是洪湖分蓄洪區(qū)的重要組成部分，是處理城陵磯地區(qū)超額洪水，保障荊江大堤、武漢市防洪安全的重要組成部分[14]。

洪湖東分塊蓄滯洪區(qū)由腰口隔堤、洪湖監(jiān)利長江干堤、東荊河堤和洪湖主隔堤組成（見圖2），其中腰口隔堤工程全長25.949 km，為新建堤防，設(shè)計(jì)蓄洪水位30.48 m，堤頂超高2.0 m，設(shè)計(jì)堤頂寬度8.0 m，內(nèi)外邊坡均為1∶3，在隔堤背水坡高程28.48 m處設(shè)置寬度為3 m的戧臺(tái)。由于蓄洪區(qū)水面廣、吹程長，因此隔堤堤外坡采用植生塊護(hù)坡，護(hù)坡長度為25.469 km。根據(jù)運(yùn)行特點(diǎn)，植生塊護(hù)坡范圍為堤頂以下高度4.0 m范圍內(nèi)，護(hù)坡厚度為15 cm，堤外坡28.48 m高程設(shè)置M10漿砌石腳槽（0.6 m×0.9 m），坡頂設(shè)置C20混凝土封頂（0.2 m×0.5 m）。腰口隔堤典型斷面如圖3所示。

腰口隔堤堤基上部黏土厚度不大，下部為淤泥質(zhì)土，存在沉降變形問題。針對(duì)這類軟基，擬在堤內(nèi)外設(shè)置反壓平臺(tái)，堤內(nèi)外坡反壓平臺(tái)高2～3 m，寬15～20 m。該工程還采用塑料排水板作為豎向排水體，砂墊層作為水平排水體來保障排水固結(jié)效果。

2.3.2 地質(zhì)建模

根據(jù)堤防三維勘測設(shè)計(jì)建模的一般思路，地質(zhì)建模由地質(zhì)專業(yè)和測量專業(yè)協(xié)同完成。在建立CATIA水利水電三維地質(zhì)建模平臺(tái)基礎(chǔ)上[15]，對(duì)于堤防工程，基于曲面建模的思路，根據(jù)實(shí)測鉆孔資料生成三維地質(zhì)體，如圖4所示。另外，通過開發(fā)地質(zhì)體屬性插件，可快速標(biāo)注地質(zhì)體地層巖性、物理力學(xué)性質(zhì)等屬性特征及地質(zhì)體典型照片，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)及工程信息的集成，設(shè)計(jì)人員可以快速、方便地查詢地質(zhì)模型的屬性，有利于提高三維協(xié)同設(shè)計(jì)效率。

地質(zhì)建模過程中發(fā)現(xiàn)地形面模擬的精度直接影響到模型的精度，進(jìn)而影響到工程量的計(jì)算精度。以腰口隔堤為例，假如地形面高程方向測量誤差在5 cm左右，單個(gè)堤防橫斷面占地寬度假定為80 m，則整個(gè)腰口隔堤（25.574 km）由于地形面誤差造成的土方量誤差將在10萬m3左右。因此在地形測量時(shí)，應(yīng)加密工程占地范圍內(nèi)的測量點(diǎn)，提高測量精度。

2.3.3 堤防建模

（1） 骨架及堤頂軸線。選擇腰口隔堤堤頂軸線上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)作為骨架元素，基于骨架，擬定堤防的堤頂軸線。首先利用草圖工具進(jìn)行二維堤防斷面繪制，由于堤防的各個(gè)斷面均以堤頂軸線為控制線，因此可采用基于定位草圖的方式，先繪制任意一條直線和直線上任意一點(diǎn)，再根據(jù)平面定義命令，繪制經(jīng)過該點(diǎn)的直線的法向平面，即可得到堤頂軸線上各控制點(diǎn)的法向平面，如圖5所示。

（2） 堤防實(shí)體。腰口隔堤的堤防結(jié)構(gòu)主要包括堤身、護(hù)坡、堤頂?shù)缆贰⑴潘搴蜕皦|層等結(jié)構(gòu)。作為堤防工程三維建模的初步探索，本文主要介紹堤身和護(hù)坡的建模過程，具體如下。首先繪制堤防斷面模板。通過分析堤防斷面型式及工程措施，提煉出需要參數(shù)化的結(jié)構(gòu)尺寸，在草圖中繪制標(biāo)準(zhǔn)斷面。繪制過程中通過約束命令對(duì)各線段進(jìn)行約束，通過公式或者函數(shù)對(duì)各線段的尺寸進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)[16]。制作知識(shí)工程模板，該模板的輸入條件為堤頂軸線及控制節(jié)點(diǎn)，輸出為參數(shù)化斷面模型。對(duì)于堤防橫斷面，本文將堤頂寬度、堤內(nèi)外坡坡比、堤內(nèi)外平臺(tái)寬度等參數(shù)化;對(duì)于護(hù)坡結(jié)構(gòu)，將護(hù)坡厚度、長度、坡比、封頂和腳槽尺寸等參數(shù)化;分別構(gòu)建了堤防橫斷面和護(hù)坡結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模板（見圖5）。此外，為了完善細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目還制作完成了堤頂混凝土路面、砂墊層等參數(shù)化模板。

基于知識(shí)工程模板中的用戶特征，可將堤防橫斷面和護(hù)坡結(jié)構(gòu)實(shí)例化到堤防軸線的各個(gè)法向控制斷面上，然后基于多截面命令，即可生成三維堤防實(shí)體，如圖6所示。從圖中可以看出，結(jié)合三維地質(zhì)模型之后，堤防三維勘測設(shè)計(jì)模型可以直觀地反映堤防型式與平面布置。

2.3.4 專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)

堤防工程設(shè)計(jì)主要涉及水工和地質(zhì)兩個(gè)專業(yè)，協(xié)同工作主要為堤基基礎(chǔ)處理。由于地質(zhì)專業(yè)已經(jīng)將地層信息、鉆孔信息等存入到三維地質(zhì)模型中，水工人員可通過三維模型整體把握工程地質(zhì)情況，通過二維切圖了解各個(gè)斷面具體地質(zhì)信息，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行堤基處理措施設(shè)計(jì)。在施工圖階段，地質(zhì)專業(yè)可以根據(jù)新的勘探資料修正更新地質(zhì)模型;水工人員可根據(jù)地質(zhì)信息變化情況，對(duì)堤基處理措施進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

2.4 模型應(yīng)用

2.4.1 工程量計(jì)算

工程量是工程方案比選和施工組織設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，也是計(jì)算工程投資的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的堤防工程量計(jì)算是分段計(jì)算求和，施工詳圖階段一般每隔50 m統(tǒng)計(jì)一個(gè)設(shè)計(jì)斷面的堤身清基量、開挖量、填筑量、護(hù)坡工程量等，工作量巨大且存在一定誤差。該示例采用CATIA測量工具直接量算工程量，計(jì)算簡便且精度相對(duì)較高。

腰口隔堤工程在可研階段時(shí)擬定了兩個(gè)堤線方案進(jìn)行比選，為了體現(xiàn)參數(shù)化建模的靈活性，對(duì)堤頂軸線參數(shù)進(jìn)行簡單修改后，便可快速得到比選堤線和推薦堤線的三維模型。通過提取清基面可以繪制清基范圍線（即堤防占地線）和計(jì)算清基工程量，通過測量堤防填筑實(shí)體、護(hù)坡、腳槽封頂?shù)鹊捏w積等可得到相應(yīng)工程量。表1給出了采用CATIA測量工具計(jì)算的結(jié)果和傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)計(jì)算的工程量比較。

表2給出了推薦堤線和比選堤線的工程量比較?？梢钥闯?，基于CATIA三維設(shè)計(jì)與二維設(shè)計(jì)的工程量基本一致，僅土方量存在一定的誤差，但已在可接受范圍內(nèi)，表明CATIA模型的精度較高;另外，根據(jù)推薦堤線和比選堤線的工程量比較，可以快速地估算工程投資的差別。由于比選堤線的堤防模型可在推薦堤線的基礎(chǔ)上對(duì)堤軸線進(jìn)行修改快速得到，從中也體現(xiàn)了CATIA在模型修改以及工程量統(tǒng)計(jì)上的效率，這是傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)無法企及的。

2.4.2 二維出圖

根據(jù)已建好的三維勘測設(shè)計(jì)模型，利用CATIA的交互式工程制圖功能，繪制二維設(shè)計(jì)圖紙。在工程制圖界面下，利用CATIA水利水電三維地質(zhì)建模平臺(tái)上的二維出圖功能[14]，可以快速生成包含地層、鉆孔、堤防結(jié)構(gòu)等的設(shè)計(jì)橫斷面，而且設(shè)置統(tǒng)一的繪圖比例、標(biāo)尺、高程、圖簽等信息，隨后只需稍作加工整理便可出圖應(yīng)用，如圖7所示。

3 結(jié) 語

本文基于CATIA平臺(tái)提出了堤防三維勘測設(shè)計(jì)建模的一般思路和方法，實(shí)現(xiàn)了腰口隔堤的堤防三維建模，并進(jìn)行了初步的工程應(yīng)用。和傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)相比，CATIA三維建模在模型修改、工作效率和直觀表達(dá)方面都具有顯著的優(yōu)勢，在堤防工程中具有很好的應(yīng)用前景。下一步需要進(jìn)一步豐富基于CATIA三維堤防模型的工程應(yīng)用，完善二維出圖功能，指導(dǎo)施工，使之能夠成為提高設(shè)計(jì)水平、提高施工管理水平的利器。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃艷芳，李小帥.CATIA軟件在雙曲拱壩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探[J].人民長江，2009，40（21）：26-28.

[2] 張兵，李斌，吳偉功.CATIA在水利工程地質(zhì)建模中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2010，41（1）：26-28.

[3] 王小平，王陸，藺志剛.基于CATIA設(shè)計(jì)表的水工建筑物關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)[J].水利水電技術(shù)，2013，44（1）：53-55.

[4] 何婷婷，王福得，鈕導(dǎo)導(dǎo)，等.CATIA在各類水工建筑物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2017（9）：120-122.

[5] 張社榮，顧巖，張宗亮.水利水電行業(yè)中應(yīng)用三維設(shè)計(jì)的探討[J].水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2008，27（3）：65-69.

[6] 鐘登華，張琴婭，杜榮祥，等.基于CATIA的心墻堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2015，48（12）：1118-1125.

[7] 王天興，張繼勛， 任旭華.基于CATIA的斜心墻土石壩建模與分析[J].水利水電技術(shù)，2017，48（6）：23-31.

[8] 李小帥，萬軍，黃艷芳，等.CATIA V5環(huán)境下水電工程三維可視化仿真場景中的應(yīng)用研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2012，29（12）：113-118.

[9] 黃志澍，薛利軍，張燕，等.基于CATIA平臺(tái)的水電三維標(biāo)準(zhǔn)件模板庫[J].水電站設(shè)計(jì)，2009，25（4）：1-3.

[10] 王曉龍，董勤，楊耀威，等.基于CATIA的水電站引水系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)探討[J].水電能源科學(xué)，2012，30（11）：149-151.

[11] 李開明，秦子鵬，田艷，等.基于CATIA V5R20的重力壩三維參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，35（2）：254-258.

[12] 董甲甲，楊磊，杜燕林.基于CATIA的重力壩可視化設(shè)計(jì)[J].水利水電科技進(jìn)展，2010，30（5）：57-60.

[13] 伍鶴皋，付山，汪洋，等.基于CATIA的水電站月牙肋鋼岔管三維參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2014，47（6）：738-742.

[14] 陳良柱.長江中游蓄滯洪區(qū)分洪運(yùn)用方案研究[J].水利水電快報(bào)，2008，29（8）：11-14.

[15] 韓旭，馮明權(quán)，向能武，等.基于CATIA V5的三維地質(zhì)建模應(yīng)用教程[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2014.

[16] 寧貴欣.CATIA V5工業(yè)造型設(shè)計(jì)實(shí)例教程[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2004.

（編輯：胡旭東）