水電工程的CATIA概化建模研究

2014-03-20 00:48:14田景元盧羽平

水電站設計 2014年2期

田景元，劉志，盧羽平

1 CATIA的三維制圖優勢

水電工程設計包含大量圖件的繪制，結構物的繪制是設計的主要內容。CAD代替圖板繪圖是制圖工作的一大進步，使得圖形精度大大提高，修改變得更容易，使用復制等命令使制圖更快捷，從而設計周期大大縮短。然而，CAD主要用于平面制圖，隨著人們對設計質量和效率要求的不斷提高，這種二維設計平臺的缺點日益呈現。二維圖形不直觀，很難被非本專業人員讀懂，本專業人員讀圖時也得花較多時間在頭腦里把二維圖形轉換成三維圖形。繪圖者也不得不絞盡腦汁把三維圖進行一定程度的抽象轉化為二維圖，并在空間概念上不斷在二維和三維圖形間進行互相轉化，難免造成遺漏和謬誤，有時還得花大量時間進行空間幾何上的計算。為克服這些缺點，三維制圖(建模)勢在必行。

目前三維設計軟件數量在20個以上，各有特點和主要應用領域。如3DMAX強于三維渲染，主要用于民用和商業建筑設計；MAYA用于動畫設計；Solid Works重于三維建模，并提供相應加工功能，主要應用于機械領域；AutoCAD Civil 3D顧名思義主要用于土木工程，涉及到大尺寸結構和巖土體的挖填設計時，該軟件優勢明顯；CATIA、Pro/E則是大型集成化系統軟件，除具有建模、渲染功能外，還有分析、管理產品資料功能等，主要應用于機械、廠房、電子領域。

三維制圖時，大型工程在圖幅空間中的實體很多，有效地顯示和“選中”操作十分必要。CATIA通過屏幕實體句柄、樹狀幾何圖形集、圖層和實體元素分類(點線面體等)、查找命令，達到選擇性顯示和選中目標的目的。而AutoCAD的三維實體顯示基本上只通過句柄和圖層控制，CATIA在這方面優勢明顯。

CATIA居世界CAD/CAE/CAM領域的領導地位。從1982年發布第一版本以來，其廣泛應用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子、電器、消費品行業。從大型波音747飛機、火箭發動機到化妝品的包裝盒，幾乎涵蓋了所有的制造業產品。CATIA作為三維制圖軟件引用到水電工程的設計中已近8年，取得了一定進展[1]。

2 CATIA在水電工程三維制圖中面臨的問題

就軟件的適用范圍來看，水電工程大致可分為兩部分，一是機械和混凝土結構，如廠房機電、閘門金屬結構、重力壩、拱壩等，二是巖土體為主的結構，如道路、基坑和邊坡。機械和混凝土結構的特點是：

(1)形狀較為規則，甚至存在標準件，形狀的控制參數較為明了；

(2)各部位的空間關聯性強，如螺栓和螺母的關系；

(3)所建模型精度要求高，如機電結構建模精度一般到1mm。

CATIA軟件恰好能適應這些特點，使工程制圖能達到參數化和高精度控制。巖土體為主的結構的特點則相反：

(1)形狀不規則，受地形和地質情況制約程度大，像土石壩這樣的巖土堆積體內部材料分區形狀也繁雜，難以作到參數化設計；

(2)各部位的關聯性差，施工階段因地質和地形條件的變化常常會對早期設計的結構圖進行修改，CATIA的圖形要素強關聯特性使修改“牽一發動全身”，修改難度大、效率低；

(3)所建模型精度要求低，為計算挖填方量而建立的模型精度僅到1dm一般就能達到要求，因為地形地質資料的精度常常達不到1dm；高精度的要求使得成圖效率低下。而Civil 3D的低精度包容性則使成圖效率很高，如公路布線時，輸入平面上公路的走線和截面參數，則快速形成公路、開挖邊坡和地塹回填體。

水電工程所在的圖幅空間范圍廣，若長度計10km，寬平均約為2km，平面面積以20km2計，地形圖的點云數據在20M左右(精度若取為2m)。CATIA為了得到地形面，需將點云轉化為Mesh三角面網，數據占用儲存空間得擴大到3倍，即到60M，若要將其轉化為Surface面(該類型面能更方便與其它幾何要素進行布爾運算)，數據得再擴大3倍以上，即到200M。這樣大的數據占用計算機大量內存，使運算和顯示速度減慢，加上同倍的地質數據(地質結構面也采用Mesh三角面網表示[2])，計算機幾乎變得寸步難行。

目前CATIA VPM數據管理方案[3]，由設計總工程師給水工結構的控制節點，再由各專業的設計人員建立如大壩、廠房單項的水工模型(存于一個Part文件)。需要了解整體水工結構物的整體布局情況時，通過調用(加載)各單項模型到一個Product文件里。當全部模型數據進入計算機內存時，加上各單項模型有重疊的地質數據這一因素，對圖形介面的簡單操作如“移動”“旋轉”都變得十分遲緩。即使有數據量不大、計算機能正常運行的情況，但由于細部結構較多，各細部結構五顏六色，重疊的地形地質及開挖面若隱若現，介面顯示晦澀難讀。

如上所述，若在一個圖幅空間里用CATIA對某個水電工程整體進行高精度建模，主要由于地形地質數據規模巨大，目前計算機硬件難以勝任，再加上建模對于巖土體為主的結構效率低下，CATIA難以滿足要求。

3 CATIA概化建模的意義和實現方法

在一個圖幅空間里把水電工程涉及到的主要結構物和工程場地(如料場)表現出來非常有必要。對總設計師來說，他應十分了解水工建筑的總體布置，在不同專業人員設計的結構物有交匯的部位，如大壩和岸坡溢洪道的開挖常有交匯情形，他應作好統領和協調工作。對施工現場的四方(業主、監理、施工、設計)，他們應及時了解施工的進展，特別是由于場地的施工道路變化頻率大，施工組織應及時調整跟進；四方的技術討論會若以空間模型圖作為演示平臺，可提高討論會的實效。

為充分利用CATIA的優勢，于是提出采用個體結構高精度建模、整體低精度概化建模的方法來滿足CATIA的適用條件和設計及工程管理的需要。可從高精度的個體模型提取主要要素用于整體建模，反過來用整體模型又可指導高精度個體模型的修改和完善。設計水平就這樣在反復中螺旋式上升。

概化的實現方法，地形數據可采用低精度如10m的精度，地質數據采用同樣的精度，甚至模型里不附地質的內容。公路和交通隧道采用統一的簡單截面型式。精細的結構主要表達輪廓，復雜的泄洪洞走向曲線等用折線來代替，料場用多邊形符號來表示等。這樣的模型占用計算機的儲存不會太大，且建模速度快。

順便一提，概化的、低精度的水工結構模型還對地質勘測專業能起到足夠幫助，地質人員只需了解水工結構的大致輪廓，調查分析影響結構穩定、功能和施工安全的地質因素，他們沒有多大必要了解水工結構內部的精細構造。

4 卡基娃工程首部樞紐區應用實例

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內的木里河干流上，采用混合式開發，上、下游分別與上通壩和沙灣水電站銜接。總庫容3.745億m3，具有年調節能力。攔河大壩為面板堆石壩，最大壩高171m，壩頂高程2 856m，引水隧洞長約6.36km，電站裝機容量440MW，年發電量15.61億kW·h。

首部樞紐布置格局為混凝土面板堆石壩+左岸導流洞改建豎井旋流泄洪洞(1號泄洪洞)+左岸導流洞改建放空洞+右岸有壓接無壓泄洪洞(2號泄洪洞)。電站進水口與2號泄洪洞進口在右岸則窩溝口并排布置，采用岸塔式。引水隧洞采用圓形有壓洞，調壓井采用露天阻抗式，廠房為地面廠房。

卡基娃業主營地是業主、監理和設計三方辦公和住宿所在地，位于木里河右岸河沿人工挖填形成的一平臺上，施工期間四方聯絡會大都在這里舉行。營地沿河下游距離廠房約2.3km，沿河上游距離壩址約7.2km。施工區域主要為廠區和首部樞紐區兩大塊，首部樞紐區施工規模更大。為方便各方了解水工結構物布局和施工現狀，根據已出版各水工結構的二維設計藍圖和現場調查到的交通狀況，建立一個首部樞紐區的CATIA概化模型，如圖1、2。整體模型存于1個Part文件中，個體模型(如面板、下游圍堰)建成為Part節點下的一個體(Body)。整個Part文件的大小為32MPa。本整體模型沒附地質數據。

圖1 卡基娃水電工程首部樞紐概化整體模型(朝向上游)

為了形成開挖后地形，需一步一步作出導流洞進出口、趾板基坑、左右岸壩肩開挖、放空洞進口、1號泄洪洞進口、2號泄洪洞進口并電站進水口、2號泄洪洞出口開挖等。以導流洞出口開挖為例，用于形成開挖后地形的導流洞出口開挖面(擴展)，可簡化為7個斜面和底板一水平面接合而成的折面(見圖3)，形成開挖地形后導流洞出口的混凝土結構便可伸露顯示出來。

由于河谷狹窄、岸坡陡峻，施工交通道路蜿蜒盤旋，縱橫交錯到達各施工作業面。圖3為地形無透明效果時的施工場地交通狀況，隧洞在圖中不能顯示。

圖2 首部樞紐及施工場地交通(面向下游)

圖3 用于形成開挖后地形擴展的導流洞出口開挖面

當取地形有透明效果時，施工場地交通狀況見圖4，路網的連通狀況較為顯見。當隱去地形、顯示道路標注名稱后，路網的連通狀況及各條道路與施工作業面的連接狀況更一目了然(見圖5)。

圖4 首部樞紐及施工場地交通(地形透視)

右岸通鄉公路為卡基娃勘測設計階段修建的、在壩址區的首條道路，在壩頂高程2 856m左右，下游接業主營地，上游接則窩堆石料場。

通鄉公路在上游下坡通過5號和3號公路到達河沿，通過臨時支線到達上游圍堰施工場地。3號公路在上游通過跨河施工橋到達左岸，再通過左岸河谷道路(2號路)到達導流洞進口。通鄉公路在下游下坡通過9號公路到達右岸河沿1號公路，再向上游通過下游圍堰路面(低圍堰)到達左岸導流洞出口。

圖5 首部樞紐及施工場地交通(地形未顯示，面向上游)

左岸4號公路到達放空洞進口，8號公路到達1號泄洪洞進口和左岸壩頂，8-2號公路到達更高高程的左壩肩邊坡開挖支護場地和變形體處理現場。

2號泄洪洞進口、電站進水口在低高程由5號公路支線到達，在高高程從右壩肩隧道(與通鄉公路相連的11號公路隧道)出口有施工道路拐向上游到達。

右岸9號路通過引水線1號施工支洞到達引水隧洞。9號路通過9-2號隧道內部支線到達2號泄洪洞工作閘室。2號泄洪洞出口位于1號公路旁。

由于面板壩的填筑堆石的運輸不宜從上游壩面進入，若全由下游壩面進入，與2號泄洪洞出口的施工干擾大，且道路太多迂回，故選擇主要通過右岸隧道進入填筑場地。2 734m以下高程由1號路到達，2 734-2 764m由7號公路遂道到達，2 764-2 805m由7-1號公路遂道到達，2 805-2 856m由9-2號隧道到達，壩項由11號公路隧道到達。

由圖4可見，堆石壩的面板位于1號泄洪洞進口的坡下，1號泄洪洞進口的爆破開挖宜在面板澆筑之前完成，以免爆破產生的落石砸碎面板。

上述施工路網是截止到2012年底的現狀，大壩填筑到約2 350m高程時。到達上游圍堰的施工支線公路因洪水沖刷和亂石覆蓋已接近消失。該概化整體模型對施工組織計劃的幫助明顯。也便于每個新到的人員熟悉現場情況。

5 結語

為了發揮CATIA在三維顯示、機械和混凝土結構建模方面的優勢，又為了克服其在大量地形、地質數據背景下對巖土體為主的結構建模不適應的劣勢，以及滿足行業人員對工程區所有主要結構物及路網整體三維模型的需求，采用整體低精度概化

建模的思路是正確的，需求目的是能達到的。

[1] 張社榮,顧巖,張宗亮.水利水電行業中應用三維設計的探討[J].水力發電學報,2008,27(3)65-69.

[2] 張兵,李斌,吳偉功. CATIA在水利工程地質建模中的應用[J].水利水電技術,2010,41(1)26-28.