基于CATIA軟件在重力壩設(shè)計中的應(yīng)用

趙杰 黃勃

【摘要】針對傳統(tǒng)水工設(shè)計工作中輔助設(shè)計軟件少，主要依靠ZDM等基于CAD平臺開發(fā)的二維輔助設(shè)計軟件制圖，工作效率低且容易出錯。在水利工程前期方案比選過程中存在精度不夠，無法做到多方案同深度比較，工程量計算與實際誤差大，設(shè)計周期中大量的時間用于二維制圖，方案研究時間倉促，設(shè)計成果無法形象展示等不足，進行了基于CATIA平臺重力壩方案三維可視化設(shè)計研究，實現(xiàn)重力壩設(shè)計三維可視化、參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化，高效完成可行性研究階段重力壩方案設(shè)計成果。

【關(guān)鍵詞】CATIA 重力壩 三維設(shè)計 參數(shù)化

長期以來傳統(tǒng)水利設(shè)計工作中存在輔助設(shè)計軟件少，信息化程度低，重復(fù)工作量大;工期長，設(shè)計變更頻繁，設(shè)計周期中大量的時間用于二維制圖，方案研究時間倉促，工程量計算偏差大，二維圖紙難以表達設(shè)計意圖等問題。由于水利工程具有地形條件復(fù)雜、設(shè)計選型獨特、涉及專業(yè)廣等特點，存在圖紙信息繁冗、工程樞紐布置復(fù)雜、土石方量計算不精確等問題，通過測繪水利工程的地形及水利工程建筑物三維設(shè)計，可高質(zhì)量完成水利工程設(shè)計。目前BIM技術(shù)主要基于ABC平臺（Autodesk、Bentley、Catia），CATIA適合復(fù)雜建模，能很好應(yīng)用于水利工程大壩樞紐設(shè)計，尤其是面板壩趾板和拱壩等異性建筑精準(zhǔn)建模。目前很多國內(nèi)大水利設(shè)計院選擇了CATIA平臺進行開發(fā)并在大型項目應(yīng)用，但資金投入大，小型設(shè)計院無法普及應(yīng)用。本文擬回歸到軟件三維設(shè)計本質(zhì)，提供原始建模思路，普及應(yīng)用到中小型項目。

1、工程概況

畢家溝水庫壩址位于貴州省盤州市淤泥鄉(xiāng)巖博村。工程區(qū)地理位置為東經(jīng)104°45°28"、北緯25°59'30"，距盤州市市區(qū)63.6km，有鄉(xiāng)村公路通至壩肩，交通較方便。所在河流為大箐溝屬于珠江流域西江水系北盤江的三級支流，一級支流為烏都河，二級支流為淤泥河。大箐溝全流域集水面積為4.47km2，主河道長6.32km，河道平均比降為87.4‰。壩址地形巖性為玄武巖，畢家溝水庫可研階段推薦方案為埋石混凝土重力壩，最大壩高47.0m，總庫容105萬m3。

2、CATIA應(yīng)用流程

CATIA軟件是法國Dassault Systems公司的產(chǎn)品，具備強大的參數(shù)化設(shè)計功能，能實現(xiàn)重力壩結(jié)構(gòu)設(shè)計的全參數(shù)化控制。在可行性研究階段，可快速通過設(shè)計參數(shù)表參數(shù)調(diào)整快速實現(xiàn)三維設(shè)計模型更新和工程量計算，便于高效精確提供不同方案下工程量計算。另外CATIA具有強大的知識工程模塊和二次開發(fā)接口，便于用戶根據(jù)實際工程需要開發(fā)插件?，F(xiàn)基于CATIA V5軟件，闡述在貴州省盤州市畢家溝水庫工程可行性研究階段方案重力壩方案中的應(yīng)用邏輯關(guān)系。在測量、勘察等外業(yè)工作完成后，結(jié)合地形地質(zhì)條件擬定合適大壩軸線，采用“自上而下”的設(shè)計理念，完成地質(zhì)模型建立、壩軸線布置、重力壩建基面設(shè)計、壩段參數(shù)化設(shè)計。

3、實現(xiàn)過程

3.1 地形地質(zhì)模型建立

地形地質(zhì)模型的建立依據(jù)實測1：500精度的實測地形，通過Dota軟件把實測高程和坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有xyz坐標(biāo)數(shù)據(jù)屬性的點云數(shù)據(jù)，采用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）和面的生成點云面，建立高精度地形面。

壩軸線是最基本的控制元素，在初步選線前根據(jù)壩址地形、地質(zhì)條件、樞紐建筑及施工條件等，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟綜合比較后選定。在CATIA軟件中通常先利用坐標(biāo)值確定壩軸線左右端點，然后連接生成壩軸線，利用參數(shù)控制表可快速修改壩軸線坐標(biāo)進行調(diào)整，擬定最優(yōu)壩軸線方案。

3.3壩體設(shè)計

3.3.1壩型及建基面

重力壩設(shè)計控制壩體斷面的為抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力控制。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319-2018），河床段建基面選擇在弱風(fēng)化上部，壩趾處巖性為玄武巖，建基面地基承載力為1.5Mpa，擬定壩頂寬5.0m，最大壩高47.0m，下游坡比1：0.75，上游折坡坡比1：0.2，壩趾最大壓應(yīng)力0.3Mpa，壩踵無拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

3.3.2 參數(shù)化壩體建模

畢家溝水庫重力壩壩體分區(qū)分為墊層區(qū)、上游防滲區(qū)、壩體大體積混凝土區(qū)、下游防滲區(qū)和壩頂路面，在CATIA軟件中設(shè)計方法：①作壩軸線的中垂面;②在中垂面上利用“草圖”做岀各個分區(qū)的輪廓;③采用參數(shù)化描述各個輪廓，設(shè)計參數(shù)包括壩頂寬、上游坡比、下游坡比、各種材料的高程與寬度等（圖4）;④將各個分區(qū)的輪廓沿壩軸線拉伸得到各壩體分區(qū)的三維模型。溢流壩段的建模與非溢流壩段建模類似（圖5）。重力壩建基面平面通過縱斷面沿上下游法向拉伸得建基面，與壩體進行布爾運算即可得設(shè)計壩型。

3.3.3 壩體及邊坡開挖設(shè)計

重力壩開挖設(shè)計和一般開挖設(shè)計相同：首先根據(jù)設(shè)計坡比、馬道等信息在草圖中生成開挖線或開挖截面輪廓，再由這些輪廓生成三維開挖面，利用開挖面和每個壩體分區(qū)進行布爾運算便可得到最終開挖成果。利用開挖面和實體地質(zhì)模型進行布爾運算完成三維實體的開挖工作，開挖體的體積即為實際工程開挖量。

3.3.4 三維實體模型、工程量計算及出圖

可研方案總共完成了盤州市畢家溝水庫7個非溢流壩段、1個溢流壩段、消力池、取水井筒、下游閘閥室等結(jié)構(gòu)三維設(shè)計及開挖設(shè)計。為了使創(chuàng)建的模型能在類似工程中得到重復(fù)利用，可以將本次三維設(shè)計模型創(chuàng)建為一個知識工程模板，加入到企業(yè)的水工設(shè)計知識模板庫中，快速完成類似工程三維設(shè)計。還可通過CATIA軟件知識工程模塊，在三維設(shè)計過程中，可以通過規(guī)則和檢查將設(shè)計人員的經(jīng)驗和規(guī)范，用以規(guī)范和約束設(shè)計;企業(yè)可組織有編程基礎(chǔ)水工人員對知識工程模塊開發(fā)出大量與水利工程相關(guān)的實際應(yīng)用，例如邊坡自動開挖和錨桿自動布設(shè)等，提高設(shè)計效率和質(zhì)量。

重力壩建模完成后，采用CATIA中的測量工具可精確計算各分區(qū)及開挖工程量。以上述三維設(shè)計模型為基礎(chǔ)，切換到CATIA“工程制圖”工作臺則能方便地生成工程布置圖及各類工程設(shè)計視圖和剖面圖。需要說明的是，由CATIA軟件主要應(yīng)用于工業(yè)行業(yè)，生成的圖紙并不能滿足水利工程規(guī)范要求，但目前市場上已經(jīng)有專門針對水利工程的CAD與CATIA交互出圖的二次開發(fā)插件，已經(jīng)解決了CATIA軟件在水利工程出圖上的局限，為進一步普及水利工程三維設(shè)計具有很大意義。

4、結(jié)論

CATIA應(yīng)用到實際工程設(shè)計中具有如下優(yōu)勢：

1、在可研階段可通過參數(shù)化設(shè)計，快速初步選擇出最小總填筑量的壩線，最大可能節(jié)省工程投資。

2、采用了三維參數(shù)化設(shè)計，建立不同比選方案動態(tài)模型，所有結(jié)構(gòu)特征都由參數(shù)控制，各個建筑物之間都采用智能關(guān)聯(lián)，模型的任意部分都可通過參數(shù)進行調(diào)整，與之相關(guān)的部分也會隨之動態(tài)更新。

3、CATIA能實現(xiàn)各種異形結(jié)構(gòu)工程量的精確計算，克服傳統(tǒng)水工設(shè)計工程量計算誤差大的缺點。

4、可利用知識工程模板對建模過程實例化，快速完成同類工程三維模型，提高工作效率。可以通過“規(guī)則”和“檢查”將設(shè)計人員的經(jīng)驗嵌入到三維設(shè)計中，使其自動檢測執(zhí)行，以提高設(shè)計的合理性?？苫贑++語言開發(fā)出各種實際應(yīng)用到水利工程的二次開發(fā)插件，譬如錨桿自動布設(shè)、邊坡開挖自動化、工程量表自動統(tǒng)計等。

5、可以自動生成平面布置圖、縱斷面圖、橫斷面圖等，高程標(biāo)注和尺寸標(biāo)注自動關(guān)聯(lián)，避免傳統(tǒng)制圖存在各種不一致情況。

6、三維設(shè)計模型可以與其他有限元軟件進行模擬分析，如邊坡穩(wěn)定分析、重力壩側(cè)向穩(wěn)定分析等，與3DMAX等軟件能渲染出高質(zhì)量效果圖和模擬視頻。

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作者簡介：趙杰（1991-10），男，漢族，貴州桐梓，工程師，本科，貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，研究方向：水利工程設(shè)計