基于CATIA的拱坝泄洪建筑物三维设计

程汉鼎 毛拥政

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 引言

三维设计的出现是工程设计的必然趋势，三维设计能更准确地表达技术人员的设计意图，更符合人们的思维方式和设计习惯。CATIA平台是一款功能强大的CAD/CAE/CAM一体化终端，其设计技术和解决方案在世界上处于领先地位，目前已广泛应用于航空航天、机械制造、电器电子、土木工程等领域，并逐渐向水利水电工程、岩土工程、地理信息、资源环境等领域发展。

本文以三维设计软件CATIA为平台，利用其强大的三维设计功能，实现了三河口水利枢纽拱坝坝身泄洪建筑物设计，解决了泄流表孔、底孔曲面结构及同拱坝曲面复杂的相交问题，实现了泄洪建筑物快速、精确的设计。

2 CATIA软件的特点

CAT IA是基于特征的参数化实体建模软件，它的草图设计与传统的CAD二维绘图技术区别关键在于采用了参数化造型系统，可使产品的设计图随着某些结构尺寸的修改而自动修改图形。CATIA的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到人机交换等实用模块。其特点表现在：

（1）三维参数化设计功能。拱坝泄洪建筑物形状复杂、参数严密，可以完全抛开传统的曲面建模方式，直接输入参数公式，利用法则曲线生成泄流表孔的堰面曲线，通过变量和参数化混合建模方法建立精确的三维模型，达到与实物完全一致的效果，并能够用于各种后期的受力分析研究。采用的参数化造型系统，可使产品的设计图随着某些结构尺寸的修改而自动修改图形。

（2）装配设计功能。CATIA中的装配模块是基于各个零部件之间的约束关系将各个零部件组装起来。装配过程完全体现了设计者对零部件之间的约束关系的理解，能方便的定义装配件之间的约束关系，实现零件的自动定位，并检查装配件之间的一致性。水电工程中绝大多数的模型都包含多个零件或组件，需要通过装配达到设计的最终目的。

（3）知识工程模板功能。可以将隐形的设计实践转化为嵌入整个设计过程的知识存储起来，在参数和特征之间建立各种简单或复杂的规则。用户通过公式、规则、分析和检查，将其知识嵌入到设计中，实现设计的知识化，并建立可交互式的用户特征，可在设计的任何文件中调用。

（4）三维辅助设计功能。在整个产品周期内CATIA具有方便的后期修改能力，无论是实体建模或曲面造型，根据CATIA提供的智能化树结构，用户可方便快捷地对产品进行重复修改及各种比较方案的设计。

3 泄洪建筑物三维设计方法

本次采用了自上向下的设计过程，即遵循概念设计、结构设计、详细设计的设计顺序，即在零件设计的初期就考虑零件与零件之间的约束和定位关系，在完成产品的整体设计之后，再实现单个零件的详细设计。

根据泄洪建筑物的功能，先设计出初步方案及结构草图，并建立由约束驱动的产品主模型，主模型是一些简单的点、线、面组成的一个模型的骨架或躯干，在各零部件的建模过程中，仅是引用了主模型中的某些点、线、面作为各零部件建模时的参考元素；通过设计计算，确定设计参数，然后进行零件的详细设计，并建立用户特征，通过几何约束求解及调用用户特征将零件装配成产品；对设计方案进行分析，并与相关专业协调修改后，完善产品设计。

图1 泄洪建筑物三维设计流程图

图2 三河口水利枢纽总布置图

图3 泄洪建筑物骨架图

图4 泄洪建筑物零部件图

图5 拱坝及泄洪建筑物模型图

4 工程应用

4.1 泄洪建筑物布置

三河口水利枢纽大坝泄洪建筑物采用了“坝身分层出流、消力塘消能”的布置型式，由坝身泄洪表孔、放空泄洪底孔及下游消能防冲建筑物等组成。泄洪表孔及泄洪底孔均布置在拱坝坝身，泄洪表孔采用浅孔布置形式，泄洪底孔相间布置在三个表孔之间，形成三表孔、两底孔的布置格局。泄洪表孔由堰顶上游段堰面曲线、堰顶下游段堰面曲线、反弧段、出口挑坎组成。底孔由进口段、中部有压流段和出口消能段三部分组成。三河口水利枢纽总体布置如图2所示。

4.2 泄洪建筑物三维设计过程

在本次设计过程中，将泄洪建筑物的整体模型分为五个零部件：左表孔、左底孔、中表孔、右底孔及右表孔。

4.2.1 模型骨架设计

骨架是三维设计的核心，能确定水工建筑物空间定位和相互关系，是设计的基础平台。泄洪建筑物骨架设计是对其进行充分认识和分解后，结合设计流程，运用控制元素对整个模型结构进行有效的总体控制，形成类似树干状的结构，并建立有效的参数信息传递线框及流程的自上而下的设计方法。本次建立的泄洪建筑物骨架如图3所示。

4.2.2 零部件设计

在草图绘制器中进行轮廓设计，利用绘制的轮廓图构造实体零件对象或曲面特征。零部件设计的主要思路是由整体设计到局部设计，由结构设计到详细设计。即通过草图中所建立的二维轮廓，利用零件设计所提供的功能，创建三维实体。根据泄洪建筑物的设计参数，对三维实体加以编辑修改及细部的外型设计，如开槽、钻孔或倒角等，从而完成泄洪建筑物的零部件设计。整个设计过程从整体到细节逐步加深，根据设计参数及设计者的意图，控制零部件的体型。

4.2.3 模板设计

应用CATIA的知识工程模块，创建泄洪建筑物五个零部件的标准件模板UDF，将零件内部的某些几何特征的创建过程记录下来，如实体特征或曲面特征等，具体分为超级副本和用户自定义特征。本次采用的用户自定义特征创建了泄流表底孔的特征模板，可作为相似工程设计时的零件直接调用。而且，调用模板的时候，只需修改模板设计参数即可实现快速建模。

4.2.4 装配设计

水工专业通过骨架及模型实现了零部件的定位，金结、机电及其他专业可通过装配关系，采用约束的方法实现专业协同。将所需要装配的零件导入装配模型中，根据各零件间的装配关系施加适当约束，通过装配空间分析发现零件的缺陷及与其它建筑物之间的装配冲突，并做进一步的修改后完成零件的设计。

4.3 泄洪建筑物成型

根据泄洪建筑物的层次化结构、整体控制骨架和主要设计参数，通过发布/引用功能管理各个结构的关联性，并在骨架控制元素（点、线、面）的基础上，将设计好的泄洪建筑物零部件模板通过调用的方式进行组装。建立的泄洪建筑物泄流表底孔零部件设计成果如图4所示。

本次设计运用了三维协同设计，采用统一数据源，实现了动态实时在线设计，并对设计成果进行集中管理，以泄流表底孔与拱坝坝体的设计为例，协同设计实现了坝体与泄洪建筑物之间相互关联及完美结合。最终，建立的三河口水利枢纽大坝坝身泄洪建筑物三维设计模型如图5所示。

5 结论

（1）应用CATIA软件的三维设计手段，对水工拱坝泄洪系统设计进行了研究，探索了建模方法、参数化技术、模型装配以及模块化设计等在复杂工程设计中的应用，完成了三河口水利枢纽坝身泄洪建筑物的三维设计。

（2）三维参数化设计，在模型建立之后，只需要对设计参数进行修改，即可自动更新整个模型，达到快速、精确、方便地修改模型的目的。

（3）在可视化设计的基础上，可以达到简化设计的目的，如工程量和设计坐标的的快速量取、坝体砼分区设计等。

（4）采用骨架和模板化设计思路，实现了设计方案的快速调整，提高了工作效率。

本文论述了CATIA软件的特点和三维参数化设计方法，并基于CATIA平台，实现了三河口水利枢纽大坝坝身泄洪建筑物三维参数化设计。实践证明，三维设计能更直观、更高效、更精细地完成项目设计，是工程设计的必然趋势，CATIA软件在水利工程设计中具有良好的应用前景。陕西水利

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