基于三維設(shè)計(jì)軟件Inventor的趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)

謝 剛，李云龍，敖雪菲

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

混凝土面板堆石壩因其具有造價(jià)低、工期短等特點(diǎn)，得到蓬勃的發(fā)展，逐漸成為當(dāng)今水利水電工程建設(shè)的主流壩型之一。在混凝土面板堆石壩建設(shè)的過程中，壩體變形控制、滲流穩(wěn)定控制、面板防裂技術(shù)等工作直接影響著工程建設(shè)的質(zhì)量和安全，防滲設(shè)計(jì)作為其中不可或缺的重要內(nèi)容，一直是混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和關(guān)鍵。

趾板結(jié)構(gòu)作為面板壩防滲系統(tǒng)重要組成部分，與面板結(jié)構(gòu)通過周邊縫連接共同形成壩基以上的防滲體，同時(shí)與帷幕灌漿處理后的基巖連成整體，封閉地面以下的滲漏通道，起著承上啟下的作用，為混凝土面板堆石壩防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。趾板結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中需結(jié)合大壩上游壩坡、地形地質(zhì)條件、作用水頭等對(duì)趾板軸線和體型進(jìn)行不斷調(diào)整優(yōu)化，過程繁瑣且易出錯(cuò)，給工程設(shè)計(jì)者帶來一定的困擾。

目前，趾板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)手段，利用AUTOCAD軟件進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，對(duì)于趾板空間定位、趾板轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)等問題處理難度大。一些工程師提出一種基于CATIA的趾板三維的設(shè)計(jì)方法，用于提高面板壩設(shè)計(jì)效率。

Autodesk lnventor是美國Autodesk公司推出的一款可悅化三維實(shí)體建模軟件，它是一款全面的設(shè)計(jì)工具，它的功能涵蓋了產(chǎn)品的革圖設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、零件裝配、分析計(jì)算、視圖表達(dá)、模具設(shè)訓(xùn)、工程圖設(shè)計(jì)等全過程。利用三維設(shè)計(jì)軟件lnventor的參數(shù)化功能可實(shí)現(xiàn)三維建模，參數(shù)化建模技術(shù)用"順序方法"對(duì)約束求解，達(dá)到全數(shù)據(jù)相關(guān)、全尺寸約束、用尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果的修改的目的。

綜上分析，本文在總結(jié)混凝土面板堆石壩趾板結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件lnventor參數(shù)化功能，研究將趾板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)化，建立趾板結(jié)構(gòu)三維模型，解決了趾板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中參數(shù)過多、不便于準(zhǔn)確定位及轉(zhuǎn)角過渡不平順等技術(shù)難點(diǎn)，提高了趾板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率，對(duì)混凝土面板壩趾板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很大的工程運(yùn)用意義。

1 趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與假定

1.1 趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)

(1)工程適用性。地形地質(zhì)條件決定了趾板結(jié)構(gòu)體型的空間布置，趾板三維結(jié)構(gòu)模型應(yīng)適應(yīng)各種工程需要，真正實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的三維設(shè)計(jì)。

(2)參數(shù)化的簡易性。準(zhǔn)確地選取較少的參數(shù)控制趾板結(jié)構(gòu)體型，快速實(shí)現(xiàn)三維建模。

(3)趾板轉(zhuǎn)角處理。相鄰兩段趾板的轉(zhuǎn)角段會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)形式，如錯(cuò)臺(tái)、扭面等情況，設(shè)計(jì)過程中各工程的處理方式往往不統(tǒng)一，而趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化須采取統(tǒng)一的處理方式處理趾板轉(zhuǎn)角部位。

1.2 趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化的相關(guān)假定

1.2.1平趾板假定

一般岸坡趾板結(jié)構(gòu)有4種結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)趾板與面板結(jié)構(gòu)、開挖面的空間關(guān)系不同而有所區(qū)別，為方便鉆孔、灌漿及機(jī)械化施工，面板壩趾板結(jié)構(gòu)多采用平趾板型式，即趾板結(jié)構(gòu)橫截面底面線為水平線，本文進(jìn)行趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)采用平趾板的假定，如圖1所示。工程設(shè)計(jì)師可結(jié)合地質(zhì)條件、作用水頭、自身穩(wěn)定、灌漿要求等方面要求，確定趾板結(jié)構(gòu)的斷面尺寸及上下游面坡度，參考工程經(jīng)驗(yàn)，初步確定趾板結(jié)構(gòu)斷面尺寸。

圖1 平趾板典型剖面圖

1.2.2趾板轉(zhuǎn)角處理

通過工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，趾板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角一般可分為內(nèi)凹型轉(zhuǎn)角和外凸形轉(zhuǎn)角。

(1)內(nèi)凹型轉(zhuǎn)角

內(nèi)凹型轉(zhuǎn)角在Inventor里放樣后會(huì)產(chǎn)生相交的情況，如圖2所示，對(duì)此類轉(zhuǎn)角工程上一般有如下處理方式：

1)處理方式1：先讓兩段趾板自然相交，再將多余外沿剪除，形成三角過渡區(qū)，其底部開挖成平面(斜面)，頂面為扭面。由于相臨趾板剖面尺寸、空間走向的不同，Inventor軟件很難通過一系列的“修剪”操作使兩段趾板無縫銜接。

2)處理方式2：控制點(diǎn)一側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)體型，另一側(cè)為異形體。這種處理方式Inventor軟件較好實(shí)現(xiàn)，施工也較為方便。

3)處理方式3：轉(zhuǎn)角處用一塊異形體實(shí)現(xiàn)過渡。但這種方法會(huì)導(dǎo)致控制點(diǎn)落到結(jié)構(gòu)體外的情況，不利于施工測點(diǎn)立模。

4)處理方式4：不單獨(dú)設(shè)置轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角處由施工單位按控制點(diǎn)坐標(biāo)將兩段趾板平順過渡即可。這種處理方式雖能滿足現(xiàn)場施工，但轉(zhuǎn)角處結(jié)構(gòu)體型不明確，不利于參數(shù)化建模。

圖2 內(nèi)凹型轉(zhuǎn)角

(2)外突型轉(zhuǎn)角

如圖3所示，外突型轉(zhuǎn)角在Inventor里放樣后會(huì)形成三角空缺區(qū)域，工程上該部位處理方式有：

1)處理方式1：三角區(qū)域過渡。大多工程將三角區(qū)域單獨(dú)設(shè)計(jì)成異形結(jié)構(gòu)，三角區(qū)域兩側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。但在Inventor用這種方式處理轉(zhuǎn)角仍會(huì)在軸線轉(zhuǎn)折點(diǎn)處產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，無法實(shí)現(xiàn)趾板結(jié)構(gòu)體型的參數(shù)化。

2)處理方式2：轉(zhuǎn)角兩側(cè)設(shè)置扭面過渡，會(huì)導(dǎo)致控制點(diǎn)落到結(jié)構(gòu)體外的情況，不利于施工測點(diǎn)立模。

圖3 外突型轉(zhuǎn)角

綜合分析，控制點(diǎn)一側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)體型，另一側(cè)為異形體的方法能較好地處理兩種類型的轉(zhuǎn)角，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①在Inventor軟件里容易操作；②工程施工較為方便；③結(jié)構(gòu)配筋相對(duì)簡單。

用此方式對(duì)趾板轉(zhuǎn)角處做統(tǒng)一處理，具體如下：在轉(zhuǎn)角段控制點(diǎn)兩端各用“從平面偏移”方式創(chuàng)建截?cái)嗥矫妫缓笥谩皩?shí)體分割”命令將兩段趾板各截去一部分，然后在趾板截?cái)嗟奈恢糜谩巴队皫缀螆D元”方式創(chuàng)建草圖，最后將兩端投影草圖和控制點(diǎn)處趾板橫截面分別放樣生成過渡段。

2 趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化的關(guān)鍵

實(shí)現(xiàn)趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)，需要選擇合適的趾板定線方式、合理的局部坐標(biāo)系，選取較少的參數(shù)控制趾板結(jié)構(gòu)體型，將趾板結(jié)構(gòu)斷面尺寸參數(shù)化。

2.1 選擇趾板定線方式

早期面板壩工程實(shí)踐中一般以面板底面與趾板基礎(chǔ)交線，即“X”線(如圖1所示)作為趾板體型設(shè)計(jì)和開挖的控制線。但當(dāng)趾板走向與壩軸線大角度相交或者垂直，“X”線會(huì)偏離到趾板斷面以外或根本不存在，不利于實(shí)際施工放線以及趾板結(jié)構(gòu)體型的參數(shù)化控制。

由于壩軸線和趾板線確定后，“Y”線(即面板底面與趾板下游側(cè)斜面交點(diǎn)，如圖1所示)就是唯一的，且與基礎(chǔ)開挖無關(guān)。趾板立模澆注采用“Y”線作為控制線，施工方便、精度高。因此，本文以“Y”點(diǎn)連線作為趾板體型參數(shù)化設(shè)計(jì)的控制線。

2.2 建立局部坐標(biāo)系

采用工程坐標(biāo)，趾板控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值很大，輸入起來不方便，不利于參數(shù)化控制，因此本文選擇以壩軸線為基準(zhǔn)建立局部坐標(biāo)系，具體如下：以壩軸線右端點(diǎn)為原點(diǎn)，以壩軸線為“x軸，以指向左岸方向?yàn)閤軸正方向；以垂直于壩軸線方向?yàn)椤皔”軸，以指向大壩上游方向?yàn)椤皔”軸正方向；以鉛直方向?yàn)閦軸方向，以垂直向下方向?yàn)閦軸正方向，以防浪墻底部高程作為z軸的零點(diǎn)高程。

2.3 確定趾板結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

其中①～④為趾板結(jié)構(gòu)體型控制性參數(shù)，由地形地質(zhì)條件和受力條件決定；⑤～⑦由趾板所在空間位置決定，可通過計(jì)算得出。

2.3.1求解LEY

趾板橫剖面LEY可通過下式求出：

LEY=t=a+bZ

(1)

式中，t—面板厚度；a—面板起始厚度，一般在0.3～0.4；b—面板厚度系數(shù)，對(duì)于等厚面板，b=0，對(duì)于變厚度面板一般在0.002 ～ 0.0035；Z—計(jì)算斷面至面板頂部的高度，按2.2節(jié)方式建立局部坐標(biāo)系時(shí)，即為該點(diǎn)的z坐標(biāo)。

過Y2點(diǎn)作一條垂直于Y2Y3的直線Y2P2，其長度為L2，與Y軸的夾角為θ2，已知Y2坐標(biāo)為(x2，y2，z2)，Y3坐標(biāo)為(x3，y3，z3)，則：

m1′=L2/z2L2=(y2-dis)/cosθ2θ2=arctan [(y3-y2)/(x3-x2)]

(2)

dis:大壩橫剖面上面板內(nèi)側(cè)頂點(diǎn)到壩軸線的距離，如圖5所示。

(3)

式中，d0—A、B兩點(diǎn)的水平距離，如圖5所示；h0—A、B兩點(diǎn)的垂直距離，如圖5所示。

圖求解示意圖

圖5 Y點(diǎn)和Z點(diǎn)空間位置關(guān)系示意圖

2.4 趾板控制點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)之間的關(guān)系

2.4.1趾板控制點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系

由于趾板各控制點(diǎn)(Y點(diǎn)連線)位于面板下表面坡度為1∶m的平面內(nèi)，因此在局部坐標(biāo)系下各控制點(diǎn)z坐標(biāo)和y坐標(biāo)滿足下式：

z=(y-dis)/m

(3.9)

2.4.2趾板橫剖面上Y點(diǎn)和Z點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系

在趾板開挖過程中，為了方便施工放線，往往以Z點(diǎn)作為趾板開挖控制點(diǎn)，Z點(diǎn)為Y點(diǎn)在趾板建基面上的投影(如圖1所示)。對(duì)于岸坡段趾板，由于趾板橫剖面與鉛直面有一夾角γ，該橫剖面上Z點(diǎn)與Y點(diǎn)的x、y坐標(biāo)并不重合(如圖5所示)，局部坐標(biāo)系下Z點(diǎn)和Y點(diǎn)坐標(biāo)差通過下式換算：

Δz=ΔHcosγ5

ΔL=ΔHtanγ(3.11)

ΔL′=ΔLcosγ=ΔHsinγ

Δx=ΔL′cosθ(3.13)

Δy=ΔL′sinθ(3.14)

式中，ΔL′—ΔL線段在水平面上投影長度；θ—局部坐標(biāo)系下ΔL′線段與x軸夾角。

2.4.3局部坐標(biāo)和整體坐標(biāo)之間的關(guān)系

整體坐標(biāo)與局部坐標(biāo)可通過如下方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。設(shè)A點(diǎn)為局部坐標(biāo)系原點(diǎn)，其在整體坐標(biāo)為A(x0，y0，z0)，局部坐標(biāo)為A(0，0，0)。假定局部坐標(biāo)軸x′與整體坐標(biāo)軸x、y、z的空間夾角分別為α1、β1、γ1；y′與x、y、z的空間夾角分別為α2、β2、γ2；z′與x、y、z的空間夾角分別為α3、β3、γ3。任一點(diǎn)B的局部坐標(biāo)為x′、y′、z′。則B點(diǎn)整體坐標(biāo)按下式計(jì)算：

3 工程實(shí)例運(yùn)用

以清原抽水蓄能電站上水庫混凝土面板堆石壩為例，利用Inventor三維建模軟件進(jìn)行趾板結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)。為保證平趾板結(jié)構(gòu)具有普遍適用性，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了面板厚度變化、趾板厚度變化、趾板寬度變化等情況，基本能適應(yīng)各種混凝土面板堆石壩。

3.1 創(chuàng)建趾板結(jié)構(gòu)軸線

先創(chuàng)建趾板軸線(Y點(diǎn)連線)在xy平面的投影，對(duì)每個(gè)控制點(diǎn)施加x、y向尺寸約束，然后在每個(gè)控制點(diǎn)處創(chuàng)建鉛直面，施加z向尺寸約束。將鉛直線的底端點(diǎn)順次相連，得到趾板空間軸線。

3.2 創(chuàng)建趾板結(jié)構(gòu)橫剖面

在每一段趾板軸線首尾兩端建立與該軸線垂直且經(jīng)過端點(diǎn)的工作平面，在各個(gè)工作平面上創(chuàng)建趾板典型橫剖面，對(duì)每個(gè)剖面添加約束。

3.3 生成趾板結(jié)構(gòu)模型

3.3.1趾板轉(zhuǎn)角處理

在每一段趾板軸線首尾兩端剖面通過Inventor“放樣”命令生成實(shí)體，趾板在轉(zhuǎn)角處會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)現(xiàn)象(錯(cuò)臺(tái)、交叉、空缺等)。考慮Inventor軟件的可操作性和工程的可實(shí)施性，采用增設(shè)異形趾板來解決上述問題，外突型轉(zhuǎn)角處理如圖6所示。具體實(shí)施方式：①將趾板在轉(zhuǎn)折點(diǎn)高高程一側(cè)趾板沿軸線截?cái)?～5m，該距離視趾板寬度或布置形式而定；②將轉(zhuǎn)角兩側(cè)趾板橫截面“放樣”生成異形趾板。

圖6 趾板結(jié)構(gòu)外突型轉(zhuǎn)角處理

3.3.2趾板寬度處理

為了減少控制性參數(shù)，趾板寬度可先按最大寬度設(shè)計(jì)，后續(xù)根據(jù)再地質(zhì)條件和作用水頭在特定處將趾板截?cái)?，?duì)寬度進(jìn)行調(diào)整。

3.3.3生成模型

經(jīng)過上述處理，生成趾板結(jié)構(gòu)三維模型，如圖7所示。

圖7 趾板結(jié)構(gòu)模型

3.4 創(chuàng)建參數(shù)化驅(qū)動(dòng)

通過Inventor三維結(jié)構(gòu)模型參數(shù)與Excel表格參數(shù)相鏈接的方式創(chuàng)建參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，當(dāng)Excel表格參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，Inventor三維結(jié)構(gòu)模型也隨之發(fā)生改變。Excel表格中的參數(shù)如下。

(1)控制參數(shù)。確定趾板體型結(jié)構(gòu)所需的全部參數(shù)。包括趾板控制點(diǎn)坐標(biāo)，壩頂防浪墻參數(shù)、面板參數(shù)、趾板剖面尺寸參數(shù)(LBC、HCY、LGA、LBA)，轉(zhuǎn)角處理參數(shù)(控制點(diǎn)兩端趾板截去的長度)等，如圖8所示。

圖8 控制性參數(shù)

(2)計(jì)算參數(shù)。由控制性參數(shù)通過計(jì)算得到的參數(shù)。包括各趾板控制點(diǎn)橫剖面LEY、∠BCY(反映趾板上游面坡度)、∠YEF(反映趾板下游面坡度)。

4 總結(jié)與展望

本文基于三維設(shè)計(jì)軟件Inventor，提出了混凝土面板壩平趾板結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，解決了趾板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中參數(shù)過多、不便于準(zhǔn)確定位及轉(zhuǎn)角過渡不平順等技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了趾板結(jié)構(gòu)體型的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)。此外，由于Inventor三維設(shè)計(jì)軟件與水工三維配筋軟件具有兼容性，趾板模型的建立可快速、便捷地實(shí)現(xiàn)三維配筋，使趾板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性得以保證，效率得到提高，具有很強(qiáng)的工程運(yùn)用意義。