基于CATIA用戶特征(UDF)的水工建筑物參數化設計

張 君，劉 躍

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 CATIA三維設計軟件及其特點

CATIA是法國Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一體化軟件。CATIA除了具備完善、穩定的造型能力外，在參數化設計方面也具備強大的后參數化能力，也即是在設計時不考慮參數驅動，完成設計后將設計時的各項輸入參數化并實現參數驅動模型的功能。這項能力可以大大降低三維設計過程中設計封裝的時間成本。

與當前水電設計行業中應用最廣的計算機輔助設計軟件AUTOCAD相比，CATIA的軟件使用入門難度較大，體現在：

(1)需要學習的操作命令多，對各種操作命令的操作目的和實現功能理解難度大，對各種建模命令產生的實際模型效果需要較長的熟悉時間。如何通過操作命令實現建模效果也需要對CATIA各項命令有較為深刻的理解。

(2)三維設計過程可以即時觀察到模型，直觀的展示結構的空間關系，但這并不意味著可以替代設計人員對建筑物空間關系的理解，只有設計人員對建筑物本身的空間關系理解得較為深入，才能在設計過程中及時發現設計中存在的問題并做出相應的修正，實現真正的三維輔助設計的目的。

CATIA的用戶特征(UDF)是對已經完成的設計進行設計封裝，可以將建模過程隱藏，對調用某一UDF的使用者而言，從需要具備CATIA軟件的建模操作技能轉變為對UDF的各種輸入元素和參數的熟悉和理解上，而UDF的各種輸入元素及參數是模型對應的結構本身的特性，與設計軟件本身無關，一定程度上降低了對軟件操作方面的要求，將設計者大量的時間和精力從建模轉移到了設計本身，另一方面則對UDF在穩定性、易用性、通用性等方面提出了較高的要求。

2 進水塔及調壓室等水工建筑物特點分析

水工建筑物中進水塔和調壓室的結構多為溝、槽、洞等形式，自由曲面較少，其中，電站進水口和調壓室在結構形式確定時，基本可以實現完全參數驅動三維模型，達到設計精度。另外，水工建筑物的各種溝、槽、洞以及局部細節特征不但多，在空間上的分布也很難規律化，導致基于CATIA的三維設計存在大量的定位操作，參數化時就會存在參數多的問題，進行UDF設計時如果將不同構件之間相對定位關系等也考慮在內，為保證UDF的穩定性，會加大UDF設計時對結構抽象的難度。

另外，不同的項目基于不同的地質條件以及功能需求等外部條件，對建筑物的結構形式會有不同的解決方案，有的建筑結構形式較為穩定，有的則經常視條件裱畫，則可以對建筑物按功能進行抽象歸納為很多具有特定功能的構件，比如，調壓室水工結構從功能上可以細分為室下流道，邊墻、穹頂、閘門閘墩、交通洞，其中室下流道就可以有城門洞型、圓形、矩形等多種結構形式，甚至會存在不需要閘門因而不需要閘墩的調壓室結構，基于這種特點，采用將調壓室UDF用一種調壓室形式進行封裝的方式很難靈活適應設計的需要，采用將各功能結構按不同的功能進行分解，各自建立獨立的UDF，視不同的工程需要進行組裝的方式適應性更強。

3 整體封裝與按功能分解封裝UDF設計實例

采用整體封裝方法設計的岸塔式電站進水口見圖1～3，其中圖1為UDF最終整體效果，圖2為UDF使用時需要的輸入元素(整體定位)，圖3為需要的輸入參數。整體封裝方法各種構件的相對關系的整理比較復雜，需要考慮更多的相對關系以及異常情況的處理公式有約190條。

圖1 電站進水口UDF整體效果

圖2 電站進水口UDF輸入元素

采用按功能分解為構件封裝的調壓室UDF分解為骨架、穹頂、中部邊墻及底板襯砌、閘墩、流道結構，共5個子模板部分，每個子模板分別由不同的人完成。其中骨架子模板提供各子模板的定位元素，各個子模板生成相應部位的功能構件，每個子模板各自定義UDF，公布參數，生成子模板。模板組合之后的總體效果見圖4(圖示側邊墻未激活，可參數控制激活形成更完整的調壓室模型)，模板組合的模型樹結構見圖5。

圖3 電站進水口UDF輸入參數

圖4 調壓室模板拼裝后效果

圖5 調壓室UDF模型樹結構

4 整體封裝與按功能分解封裝UDF的使用體驗對比

進水口UDF生成后包含的主要細部結構有攔污柵墩(攔污柵個數可以通過參數調整，模型自動變更)、兩道攔污柵槽、一個主流道、縱撐、橫撐、主流道、1道檢修門槽、1道快速門槽。實際的CATIA操作為：準備4個定位元素(見圖2)，分別為兩個點，一條線，一個面，之后的大部分工作則是通過參數調整來實現結構，大部分工作在結構設計、在模板

適應性好的前提下，對使用者的CATIA操作技能要求很低。另外，細部結構全部封裝，參數就比較多，已完成的岸塔式進水口UDF內包含歸集為總定位參數、總尺寸、攔污柵、橫撐、橫撐上方胸墻、縱撐、快速門槽等7組共計64個參數，結構之間的相對關系以參數的形式展示，在結構形式確定的情況下，甚至可以不需要使用者在CATIA里面進行操作，僅通過修改關聯設計表的excel文件，就可以修改結構。但是，如果結構形式發生變化，則模板僅能部分甚至完全不能使用，因此，采用整體封裝需要針對每種結構形式建立對應的模板，形成完整的的UDF庫。

調壓室模版在使用時準備類似進水口模板的輸入元素，根據輸入元素，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礎上定位，生成結構。當某個功能部位的形式有調整時，可以刪除此子模板，用需要的其他模板代替，適應調壓室結構形式在設計過程中調整的需要。采用按功能構件封裝的方式，僅僅需要構建不同形式的功能模板，由使用者按需要組裝形成不同的結構，使用者需要進行相對較多的CATIA操作。

5 結 論

從推廣三維建模的角度，采用UDF封裝法的參數化設計可以降低對CATIA的操作技能要求，一定程度上能降低CATIA三維設計門檻。其中整體式封裝適合結構形式較為穩定的建筑，而按功能分解為功能構件的封裝方式適合結構形式較多變化的建筑，兩者對結構的抽象程度不同，對UDF的設計者和使用者的要求也有一定的差異。采用UDF封裝設計時，應針對對結構進行不同層次的抽象，以適應不同的設計階段以及使用者情況，實現模板的針對化設計。