基于CATIA用户特征(UDF)的水工建筑物参数化设计

张 君，刘 跃

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 CATIA三维设计软件及其特点

CATIA是法国Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一体化软件。CATIA除了具备完善、稳定的造型能力外，在参数化设计方面也具备强大的后参数化能力，也即是在设计时不考虑参数驱动，完成设计后将设计时的各项输入参数化并实现参数驱动模型的功能。这项能力可以大大降低三维设计过程中设计封装的时间成本。

与当前水电设计行业中应用最广的计算机辅助设计软件AUTOCAD相比，CATIA的软件使用入门难度较大，体现在：

(1)需要学习的操作命令多，对各种操作命令的操作目的和实现功能理解难度大，对各种建模命令产生的实际模型效果需要较长的熟悉时间。如何通过操作命令实现建模效果也需要对CATIA各项命令有较为深刻的理解。

(2)三维设计过程可以即时观察到模型，直观的展示结构的空间关系，但这并不意味着可以替代设计人员对建筑物空间关系的理解，只有设计人员对建筑物本身的空间关系理解得较为深入，才能在设计过程中及时发现设计中存在的问题并做出相应的修正，实现真正的三维辅助设计的目的。

CATIA的用户特征(UDF)是对已经完成的设计进行设计封装，可以将建模过程隐藏，对调用某一UDF的使用者而言，从需要具备CATIA软件的建模操作技能转变为对UDF的各种输入元素和参数的熟悉和理解上，而UDF的各种输入元素及参数是模型对应的结构本身的特性，与设计软件本身无关，一定程度上降低了对软件操作方面的要求，将设计者大量的时间和精力从建模转移到了设计本身，另一方面则对UDF在稳定性、易用性、通用性等方面提出了较高的要求。

2 进水塔及调压室等水工建筑物特点分析

水工建筑物中进水塔和调压室的结构多为沟、槽、洞等形式，自由曲面较少，其中，电站进水口和调压室在结构形式确定时，基本可以实现完全参数驱动三维模型，达到设计精度。另外，水工建筑物的各种沟、槽、洞以及局部细节特征不但多，在空间上的分布也很难规律化，导致基于CATIA的三维设计存在大量的定位操作，参数化时就会存在参数多的问题，进行UDF设计时如果将不同构件之间相对定位关系等也考虑在内，为保证UDF的稳定性，会加大UDF设计时对结构抽象的难度。

另外，不同的项目基于不同的地质条件以及功能需求等外部条件，对建筑物的结构形式会有不同的解决方案，有的建筑结构形式较为稳定，有的则经常视条件裱画，则可以对建筑物按功能进行抽象归纳为很多具有特定功能的构件，比如，调压室水工结构从功能上可以细分为室下流道，边墙、穹顶、闸门闸墩、交通洞，其中室下流道就可以有城门洞型、圆形、矩形等多种结构形式，甚至会存在不需要闸门因而不需要闸墩的调压室结构，基于这种特点，采用将调压室UDF用一种调压室形式进行封装的方式很难灵活适应设计的需要，采用将各功能结构按不同的功能进行分解，各自建立独立的UDF，视不同的工程需要进行组装的方式适应性更强。

3 整体封装与按功能分解封装UDF设计实例

采用整体封装方法设计的岸塔式电站进水口见图1～3，其中图1为UDF最终整体效果，图2为UDF使用时需要的输入元素(整体定位)，图3为需要的输入参数。整体封装方法各种构件的相对关系的整理比较复杂，需要考虑更多的相对关系以及异常情况的处理公式有约190条。

图1 电站进水口UDF整体效果

图2 电站进水口UDF输入元素

采用按功能分解为构件封装的调压室UDF分解为骨架、穹顶、中部边墙及底板衬砌、闸墩、流道结构，共5个子模板部分，每个子模板分别由不同的人完成。其中骨架子模板提供各子模板的定位元素，各个子模板生成相应部位的功能构件，每个子模板各自定义UDF，公布参数，生成子模板。模板组合之后的总体效果见图4(图示侧边墙未激活，可参数控制激活形成更完整的调压室模型)，模板组合的模型树结构见图5。

图3 电站进水口UDF输入参数

图4 调压室模板拼装后效果

图5 调压室UDF模型树结构

4 整体封装与按功能分解封装UDF的使用体验对比

进水口UDF生成后包含的主要细部结构有拦污栅墩(拦污栅个数可以通过参数调整，模型自动变更)、两道拦污栅槽、一个主流道、纵撑、横撑、主流道、1道检修门槽、1道快速门槽。实际的CATIA操作为：准备4个定位元素(见图2)，分别为两个点，一条线，一个面，之后的大部分工作则是通过参数调整来实现结构，大部分工作在结构设计、在模板

适应性好的前提下，对使用者的CATIA操作技能要求很低。另外，细部结构全部封装，参数就比较多，已完成的岸塔式进水口UDF内包含归集为总定位参数、总尺寸、拦污栅、横撑、横撑上方胸墙、纵撑、快速门槽等7组共计64个参数，结构之间的相对关系以参数的形式展示，在结构形式确定的情况下，甚至可以不需要使用者在CATIA里面进行操作，仅通过修改关联设计表的excel文件，就可以修改结构。但是，如果结构形式发生变化，则模板仅能部分甚至完全不能使用，因此，采用整体封装需要针对每种结构形式建立对应的模板，形成完整的的UDF库。

调压室模版在使用时准备类似进水口模板的输入元素，根据输入元素，骨架模板生成各子模板需要的元素，各子模板在骨架模板的基础上定位，生成结构。当某个功能部位的形式有调整时，可以删除此子模板，用需要的其他模板代替，适应调压室结构形式在设计过程中调整的需要。采用按功能构件封装的方式，仅仅需要构建不同形式的功能模板，由使用者按需要组装形成不同的结构，使用者需要进行相对较多的CATIA操作。

5 结 论

从推广三维建模的角度，采用UDF封装法的参数化设计可以降低对CATIA的操作技能要求，一定程度上能降低CATIA三维设计门槛。其中整体式封装适合结构形式较为稳定的建筑，而按功能分解为功能构件的封装方式适合结构形式较多变化的建筑，两者对结构的抽象程度不同，对UDF的设计者和使用者的要求也有一定的差异。采用UDF封装设计时，应针对对结构进行不同层次的抽象，以适应不同的设计阶段以及使用者情况，实现模板的针对化设计。