CATIA在渠道施工详图三维设计中的应用

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(长江水利委员会 长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 渠道施工设计及CATIA软件简介

在进行长距离输水渠道布置时，存在大量的线路比选工作，对于每一个方案都要进行纵、横断面设计，计算相应的工程量、开挖与填方量。设计阶段，需要绘制大量图纸，施工过程中还需要根据现场情况进行大量的变更设计，一个方案的确定往往需要多次的设计—反馈—重新设计过程，如果渠道设计参数中有任何一点数据变动，就必须对一系列的图纸进行修改和校核。

传统二维平面设计方法存在工作效率低、精度差等问题，三维可视化设计作为水利设计行业的发展方向，正逐步应用在渠道的规划与设计中，如桑国庆等[1]2009年采用AutoCAD Civil 3D软件进行大型渠道动态三维可视化设计，并应用于山东济平干渠的设计中。虞松宾[2]2009年采用Bentley公司的MicroStation V8软件平台和GeoPak Site软件包进行某大型灌溉渠道工程量计算，均取得了比较好的效果。AutoCAD Civil 3D软件和MicroStation GeoPak Site软件包都是基于土木工程对象的设计软件，有很强的大范围三维地形处理与分析功能，在渠道前期的规划设计阶段，对工程选线及工程量、土方挖填量的计算等具有较强的优势，但这2款软件的曲面处理及三维参数化设计功能较弱，对于渠道的施工详图设计阶段的应用具有局限性。

2 渠道分段设计与模型管理

由于受数据处理能力及容量的限制，以及方便设计分工与数据管理，一般将渠道进行分段设计，建筑物处、渠道断面变化处等都应分段，分段同时应考虑地形变化的影响，地形变化大的地方分段密，反之则可以稀疏一些，但段距也不宜过大[6]。从CATIA对地形数据的处理能力来说，分段渠道的长度一般应在15 km以内。

基于CATIA的协同设计功能或采用数据目录索引的方式[7]，可以对渠道分段三维设计的成果进行管理。在CATIA中建立渠道分段设计模型的管理目录树，目录树与渠道分段的三维设计模型进行链接，可以任意调用相应渠段的三维设计模型成果。

3 建立模型及布置渠道中轴线

从出施工设计详图的要求，地形比例尺应达到1∶1 000及以上精度，一般一段渠道的设计，地形数据的范围为渠道两旁各延伸1 km左右,长度在15 km以内。在CATIA中，三维地形可以采用不规则三角网(TIN)描述，也可以采用曲面方式描述。地形的输入格式，可以是基于AutoDesk *.dwg方式的三维等高线，也可以是点云方式，也可以是基于ArcGIS TIN文件格式的地形数据，导入CATIA软件中，可以生成采用TIN描述的地形三维模型[8]。在CATIA中，将地形TIN模型转换为地形曲面模型，再将地形曲面模型与同范围大小的长方体三维实体模型进行相交，生成地形三维实体模型。

布置渠道中轴线，可以将渠道中轴线的三维点(包括x，y，z坐标)逐个添加布置，也可以采用EXCEL表格文件，从外部文件导入渠道中轴线各点的坐标序列，然后将渠道中轴线各点进行连接。一般的，可以先在xy平面上确定各端点的平面坐标，然后自动生成切点和圆心的xy平面坐标，依据渠道规划设计阶段的成果数据给定的“渠底高程”，给渠道中轴线赋予z值，得到渠道中轴线在三维空间上的布置，如下图1所示。

图1 渠道中轴线在三维空间上及在xy平面上的布置

将渠段中轴线与地形TIN三维模型在CATIA中同时调出，如下图2所示渠段中轴线在三维地形上的布置图。

图2 在三维地形上布置渠道中轴线

4 实例应用

4.1 渠道三维实体模型基本设计

采用统一的方式来描述各种类型的渠道横断面，包括全挖渠段、全填渠段、半挖半填渠段，如图3所示，在渠道横断面统一的描述方式中，挖方和填方共用一级马道以下的部分，如果一级马道以上部分向上延伸，则为挖方渠道横断面，如果一级马道以上部分向下延伸，则为填方渠道横断面。描述渠道横断面的基本设计参数有：桩号、渠道底宽、各级马道坡高、坡比及马道宽、填方堤顶道路宽、填方各级护坡坡高、坡宽及马道宽等。

图3 渠道横断面统—的描述方式

在CATIA中，制作渠道横断面基本参数化设计模型，并保存为三维参数化模板形式，以供调用。然后，调用渠道横断面基本三维参数化模板，依次在渠道中轴线上布置渠道横断面，见图4所示，根据实际渠段横断面的设计方案，可修改和调整设计参数。

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图4 在渠道中轴线上布置渠道横断面

将整个渠段的渠道基本横断面，在CATIA中采用“多截面曲面”命令，进行连接，生成渠段的整体基本参数化设计曲面模型。将渠段的整体基本参数化设计曲面模型与地形三维实体模型进行相交，根据相交关系，可以确定该渠段是全挖方渠段、全填方渠段还是半挖半填渠段。对于全挖方渠段，将渠段的整体基本三维参数化设计曲面作为切割面对地形三维实体模型进行切割，切割面以上的地形三维体即为渠段开挖体，依据渠段开挖体可统计开挖量，切割面以下的地形三维体即为被渠道开挖后的地形三维体；对于全填方渠段，根据渠段的整体基本三维参数化设计曲面模型可生成渠段三维实体模型，将地形三维曲面作为切割面对渠段三维实体模型进行切割，切割面以上的渠段三维体即为渠段填方体，依据渠段填方体可统计填方量；对于半挖半填渠段，要将半挖半填渠段分别当作全挖方和全填方渠段，按照上述的方法制作渠段的开挖体和填方体，统计开挖量和填方量。图5为经过渠道挖填后的地形三维实体模型。

图5 经过渠道挖填后的地形三维实体模型

4.2 渠道结构三维设计

在经过渠道挖填后的地形三维实体模型基础上，进行排水沟、衬砌、堤顶公路、垫层、换土层、齿墙、截流沟等渠道的结构三维设计。下面以排水沟为例介绍，其它结构的三维设计与此类似。

(1) 首先制作排水沟三维设计模型，并发布为通用的排水沟三维设计模板。排水沟三维设计参数包括：排水沟所在的马道曲面、排水沟内侧曲线、排水沟深、排水沟宽、排水沟混凝土厚，见图6所示。

图6 渠道排水沟三维设计模板

(2)在挖填后的地形三维实体模型上，选择排水沟三维设计参数：排水沟所在的马道曲面、排水沟内侧曲线，并初步设定参数：排水沟深、排水沟宽、排水沟混凝土厚的值，排水沟三维设计模型即沿着马道内侧曲线布置。

(3) 将排水沟三维设计模型与挖填后的地形三维实体模型进行布尔运算，排水沟所占体积从挖填后的地形三维实体模型中移除。根据排水沟的设计方案，可以对排水沟三维设计模型的参数进行修改和调整，见图7 CATIA目录树中的“排水沟.1”下的一系列设计参数。

图7 布置与修改排水沟三维设计模型

5 统计工程量并生成工程图

5.1 工程量统计

在进行渠道三维设计过程中，已将上述的三维地形开挖体、渠道填方体、排水沟、渠道衬砌层、垫层、换土层、堤顶公路、齿墙、截流沟等的三维设计实体模型分别放入相应的几何体中，这样，可以采用CATIA中的体积测量工具，很方便地基于各个几何体中的三维设计模型进行统计计算工程量、开挖量与填方量等。

5.2 工程图生成

5.2.1 平面布置图

基于上述的渠道三维设计模型，切换到CATIA“工程制图”工作台，很方便地生成工程布置图及各类结构图。在CATIA中，进入“Shape sculptor”工作台，可从地形三维实体模型生成地形等高线。在如下对话框中，选择地表曲面、输入主等高线和次等高线等相关参数，确定后，结果见图8所示。

图8 从三维地形模型生成xy平面的地形等高线

进入“工程制图”工作台，点击正视图，选择xy面，生成渠道设计平面布置图，见图9所示。

图9 渠道平面布置图

5.2.2 渠道结构图

在建立的渠道三维设计模型基础上，设置任意方向和位置的剖切面，对渠道三维设计模型进行剖切，即可生成渠道二维结构图，图10为生成的填方渠段二维结构图。

图10 填方渠段二维结构图

进入CATIA“工程制图”工作台，点击正视图，选择xz平面，可生成渠道横断面结构施工详图。需要说明的是，从CATIA三维模型切割生成的二维工程图，尺寸标注不能智能布置，有重叠和压盖的现象，需要在CATIA“工程制图”工作台或者二维AutoCAD软件中重新绘制或者调整标注，见图11。

图11 生成渠道横断面结构施工详图

最后在二维工程图上，布置图框、图签、比例尺、指北针等，即可完成渠道工程的施工详图。

6 结 论

综上所述，CATIA在渠道三维设计中，具有如下优势功能：

(1) 可完成从地形测量成果，到生成渠道二维设计图的所有设计过程。

(2) 采用三维参数化设计技术，可建立渠道工程三维设计动态模型，保持设计对象(如地形、渠道中轴线、渠道横断面等)之间的智能关联关系，如果此三维模型的任何部分发生变更，所有关联的部分亦会随之即时动态更新。例如，改变渠道线路，渠道纵断面、横断面、平面布置图、工程量、开挖与填方量等都会自动更新。

(3) 根据渠道工程三维设计动态模型，可以自动生成渠道平面布置图、纵断面图、横断面图，并易于保持制图标准的统一性。

(4) 可以方便计算各种分类工程量。

本文结合南水北调中线工程，采用CATIA三维设计软件在渠道设计中进行了初步尝试。实践证明，采用CATIA三维设计软件能高效快速地建立渠道动态三维设计模型，根据设计方案方便快速地修改三维设计模型，快速生成相应的二维设计图并计算工程量、开挖与填方量，大大减轻了设计人员的负担，提高了设计效率与成果质量。

参考文献：

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