CATIA在水电站施工导流三维模型设计中的应用

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水利水电工程设计方案的优劣、设计水平的高低及设计周期的长短都直接影响工程建设的质量和投资。本文所述的CATIA平台是一款功能强大的CAD/CAE/CAM一体化终端，作为协同解决方案的一个重要组成部分，可以帮助制造厂商设计未来的产品，并支持从项目设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。目前已广泛应用于航空航天、机械制造和电器电子，并逐渐向水利水电、岩土工程及地理信息等领域发展。本文利用CATIA设计某水电站施工导流模型，并对工程三维设计的应用成效进行分析。

1 三维设计概念及思路

CATIA软件通过建立真实、可视的三维模型，形象理解建筑物直接的空间关系，极大降低了通过二维剖面图理解三维模型空间关系的难度。基于CATIA软件建立的三维模型，可修改模型截面三维尺寸，与之对应的三维模型也随之相应调整，通过参数化的模板文件可以方便地进行变更。通过提取结构中的主要定位、定形和装配尺寸参数，在参数化设计时将其作为自定义变量，利用规则、公式及检查等方式将模型关联化，以创建一系列形状相似的建筑物。构建施工导流建筑物模型时，首先建立主要建筑物的骨架，控制其点、线、面，如导流洞轴线、围堰中心线等信息；然后汇总这些关键参数，制作独立模块，以方便将来修改；最后将独立建立的各个模块基于骨架进行装配。

2 水电站施工导流三维模型设计

导流模型的构建主要包括进出水口、导流洞、围堰建模和地质开挖面的建立。构建导流三维模型的工作流程见图1。

图1 导流专业三维设计工作流程

2.1 开挖边坡建模

目前大部分水工建筑物模型可以使用通用的参数化三维模块建模，但对于一些范围过大或不规则曲线类型的模块，可采用知识工程模块建模。在定义规则曲线形状的基础上建模；用参数组来控制曲线类型以快速改变模型。比如开挖边坡就是采用定义规则曲线的方式来建模。其设计步骤为：

(1) 创建所需参数f(x)。

(2) 创建一个以原点为参考点的起点，用草图定位的方法定义到该点和XY平面做一条直角连接的参考坡脚线，并对其全约束。

(3) 用草图定位的方法定义到参考起点以及XY轴上做一条圆弧连接的参考坡脚线，并对其全约束，再定义工作台到该草图上做参考坡脚线(直角连接)的投影，投影的线条以黄色显示。

(4) 以XY轴为参考平面做一个偏移“坡脚线支撑面”，用参数定义的方法更改约束值。用草图定位的方法定义到该平面和参考起点上，给参考坡脚线(圆弧连接)做投影和偏移命令，并对其约束后用参数定义的方法更改约束值，用参数定义好的值后面会自动添加一个f(x)的图标。

(5) 把某高程上界坡脚线和下界坡脚线做一个桥接命令(桥接命令在创成式外形设计里)。

(6) 插入设计表和创建规则。①选择设计表命令，选择“使用当前的参数值创建设计表”，将所需要参数导入即可。②在知识工程平台里选择Rule，在出现的空白框中用if语句书写规则。

(7) 定义用户特征(本地马道轮廓)。菜单工具栏-插入-知识工程模板-用户特征。

(8) 用户特征的应用。在文档中或者目录文件中插入模板，输入对应参数确定即可。

(9) 依次把不同控制层数的“本地马道轮廓”做好，依次给不同控制层数的“本地马道轮廓”做桥接命令。

2.2 导流洞建模

导流洞建模是在完成导流洞骨架的基础上，进行洞身、堵头等建筑物模块的装配。

2.3 围堰建模

基于围堰骨架和地形地面来完成围堰模块的装配。

将各个部分建筑物模型装配后的施工导流整体模型见图2。

图2 导流三维装配模型

3 应用成效分析

(1) 快速响应设计方案的变更。当设计方案发生变化时，基于骨架结构的参数化设计，关联设计的三维模型可以及时修改有关参数，更新与之相关联的参数化体系与骨架结构，从而大大提高工作效率，不再需要逐一修改所有模块。

(2) 设计自动化程度的提高。经过UDF(用户特征)、知识工程模块应用、二次开发等手段，将模型数据提升为交互式专业设计模板(提取关键参数与必要选取条件用户输入)，从而实现设计经验和知识的积累重用，使以往项目的设计经验在新产品中能得以沿用，提高设计应用自动化程度。

(3) 三维设计与二维出图。在CATIA软件中，可以通过对三维模型的切剖生成二维剖面图。当三维参数化模型发生改变时，对应的二维剖面图也会自动更改，其过程是全关联的。但由于水电工程设计的行业特殊性及复杂性，“三维设计，二维出图”中的二维出图环节还需要一定的定制开发工作，需要开发具有行业特色的二维标注，如控制点二维自动标注及坐标自动统计功能，高程、桩号及支护锚杆等一系列二维制图功能，同时能让二维出图环节与水工制图的行业标准相符。

通过上述分析可见，采用CATIA三维设计手段设计的某水电站施工导流方案是成功的，该方法实现了数据共享，避免了重复工作，从而提高了水电工程设计质量和效率。