三維協同設計在設計院的應用

周 杰

（吉林省水利水電勘測設計研究院 吉林長春 130021）

1 概述

隨著現代產品開發技術向數字化、智能化、集成化和知識化的方向發展，水電工程現有的二維CAD技術、產品管理技術、設計資源管理技術、知識管理方法等正面臨著巨大挑戰，造成現有工具級的CAD技術存在如下問題：

（1）智能化程度低，只是發揮著電子圖板的作用；

（2）信息分散，不能實現信息的集成和有效共享；

（3）知識管理和表達適應能力差；

（4）不具備關聯和協同能力；

（5）缺乏基于知識的產品設計環境。

三維設計是工程設計的必然趨勢，三維技術在機械、電子、航空、航天以及建筑等部門得到廣泛的應用。把三維設計應用到水利工程上,可以實現真正意義上的工程方案優化及多方案的比較,對于提高工程的技術指標和品質、降低工程造價、縮短設計周期、提高設計質量均可以起到重要作用。

三維設計比二維設計有許多優勢，除了三維表達直觀，所見即所得。三維協同設計具有骨架設計、參數化建模、關聯設計、標準化模板技術等關鍵性技術，極大的提高了設計效率。有效的發現和解決水電設計的錯、漏、碰等問題。統一的數據源為多專業協同設計及設計成果管理提供了便利。合理的人員及權限定制，為設校審提供了保障。三維設計的這些優點，更適合于水利水電多專業間的多方案設計。

在國內，以中國水電顧問集團成都勘測設計研究院為代表的大型設計院率先引進了CATIA+VPM 三維協同設計系統。我院開啟了省級水利設計院的三維設計先河，于2009年引進CATIA+VPM 三維協同設計平臺，結合我院的特色，成立了三維協同設計小組。三維協同設計小組不脫離生產，而是結合生產使用并研究、開發完善CATIA+VPM三維協同設計平臺，目前已經取得了一定的成績，在省級設計院中處于領先地位。

2 基于CATIA+VPM三維協同設計平臺簡介

CATIA是法國于1975年起開始發展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一體化軟件，它的內容涵蓋了產品從概念設計、工業設計、三維建模、分析計算、動態模擬與仿真、工程圖的生成到生產加工成產品的全過程，其中還包括了大量的電纜和管道布線、各種模具設計與分析和人機交換等實用模塊。

CATIA不但能夠保證企業內部設計部門之間的協同設計功能，而且還可以提供企業整個集成的設計流程和端對端的解決方案。CATIA支持復雜曲面造型和復雜裝配。CATIA與ANSYS之間有非常好的接口，為復雜有限元分析提供了較好的平臺。

達索系統的 PLM解決方案目前已經成功應用于全球水利水電行業。加拿大魁北克水電公司、全球知名水電設備制造商 VOITH SIEMENS公司等都選擇了達索系統的 PLM解決方案實現水電站以及相關設備的三維設計、數字化建設施工及維護的全生命周期管理。

圖1 六里崴水電站廠房專業骨架圖

3 CATIA在水利水電設計中的關鍵技術

骨架設計、參數化建模、關聯設計及知識模板技術是三維協同設計的技術基礎和精髓。

3.1 骨架設計方法

傳統計算機輔助設計大多采用自下而上的設計思路，其設計過程是建立在幾何建模的基礎上，依靠零件實體造型先期設計出產品裝配體中的各零部件，再進行各零部件的裝配組裝成產品。在產品裝配完成后零部件的結構尺寸及與產品的配置關系和約束關系不便于修改和更新，使自動裝配難以進行。

CATIA三維設計采用自頂向下的設計思路，為使產品具有聯動修改效應，在修改、變更中自動維護產品數據的一致性。將知識工程、參數化特征造型融入到自頂向下的設計中，因此建立基于知識驅動的在骨架模型基礎上來實現產品的設計與自動裝配。

以水電站設計為例，首先按照工程部位建立總骨架，各個專業進行設計的時候。引用總骨架元素定義專業骨架。具體專業細部結構設計時，引用專業骨架發布元素進行定位。如圖1為六里崴水電站廠房專業骨架，定義了樁號、高程、機組中心線等骨架元素。廠房細部結構設計時，引用骨架元素。整個廠房結構都隨著骨架的更新而自動更新。

3.2 參數化建模

參數化設計的基本思想是以約束來表達產品模型的形狀特征，通過從模型中一些主要的定形、定位或裝配尺寸作為自定義變量，修改這些變量的同時由一些公式計算出并變動其他相關尺寸，從而方便地創建一系列形狀相似的零件。這種用尺寸驅動、修改圖形的功能為初始產品設計、產品建模、修改系列產品設計提供了有效的手段，能夠滿足設計具有相同或相近幾何拓撲結構的工程系列產品及相關工藝設備的需要。

參數化建模的優點是對設計人員的初始設計要求低，無需精確繪圖，只需勾繪草圖，然后可通過適當的約束得到所需精確圖形；便于編輯、修改，能滿足反復設計的需要。

圖2為我院水機專業設計的閘閥。通過約束使模型與參數關聯。參數與電子表格關聯，修改電子表格使參數變化，模型自動更新。通過定義相關的參數，能夠方便的通過修改參數快速設計相似閘閥。

圖2 水機專業閘閥參數化模型圖

3.3 知識模板技術

利用CATIA V5的知識工程功能。可以將我院智能資源以知識模板的方式，快速運用于新的設計，從而大幅提升設計效率，并提高設計質量。

CATIA知識工程是將一些諸如經驗公式、分析算法、優化計算、條件控制等智能知識打包到一個盒子中．只留出幾個條件輸入參數接口。設計人員在進行設計時。不需要關心盒子中到底有哪些內容．而只需要知道目標模型所屬的類型及確定目標模型具體細節的關鍵幾個輸入參數即可。調用模型時，通過輸入參數，調用打包在模型內部的一系列計算公式及判斷條件，自動進行一系列的內部運算與調整，快速生成符合設計要求的幾何模型。

運用該項技術特點，我院建立了適合各個專業的知識工程模板庫。例如水工模板庫中廠房模板、壩工模板、引水洞模板、機電模庫等，被大量運用到三維設計中。

4 我院多專業協同設計展示

4.1 地質專業

CATIA擁有實體和曲面及MESH網格面相結合的強大造型設計能力，使地質主動模型設計得以實現，減少修改帶來的重復工作量，提高設計效率和質量。

借助 CATIA地質模塊，中部供水項目全線110公里地質成果全部由CATIA軟件完成。

圖3為其中的30公里段地質成果。

圖3 地質成果圖

圖4 六里崴水電站水工模型圖

圖5 施工圍堰、導流洞模型圖

4.2 水工專業

借助 CATIA的骨架設計、參數化建模、關聯設計及知識模板等關鍵技術，水工模型建立變的更加便捷，見圖4。

4.3 施工專業

利用 CATIA參數化建模及知識工程模板，可快速完成施工圍堰、導流洞等模型建立。見圖5。

4.4 水機專業

在水機專業，由于不需要單個零件進行加工圖設計，因此將標準件的幾何細節忽略。對設備的屬性參數信息卻非常關心。所以大量應用CATIA知識工程這一優點，將眾多設備用電子表格驅動。這樣建立的水機庫，具有數據量小，方便查詢與計算，方便布置等特點。

水機庫環境系統的建立，實現了數據共享，為解決水機專業中大量標準件的建立與使用提供了一條有效的途徑，可較大地提高設計效率，見圖6。

4.5 電氣專業

與水機專業相似，電氣專業不需要對設備的細節進行設計。電氣設計比較關心設備的布放。通過CATIA建立電氣專業零件庫、橋架/支架庫，并方便的調用這些設備。通過 CATIA裝備可以方便的檢查干涉以及碰撞，從而方便地和其他專業協同，見圖7。

4.6 金結專業

我院的金屬結構專業的三維設計主要是通過不斷建立和補充金結零件庫，并在實際工程中完善和調用金結零件庫。實際應用表明，整個零件庫的創建和調用過程簡單，操作方便。通過使用零件庫，對減輕設計人員的設計工作量、縮短設計周期具有重要的作用。

圖6 廠房水機專業模型圖

圖7 廠房電站設備模型圖

圖8為我院金結專業設計的閘門。通過調用庫中各個部件，組建成完整的閘門。

5 二維工程圖設計

二維工程圖是三維協同設計的一個重要組成部分，雖然無紙設計是以后的發展方向，但在短期內還是無法普及這種生產方式，所以工程圖還是與施工單位和生產部門交流的重要工具。施工單位從二維工程圖中了解到設計者對零件的所有要求。

CATIA的工程圖模塊drafting提供了兩種生成工程圖的方式：創成式工程繪圖和交互式工程繪圖。創成式工程繪圖可以很方便地從三維零件和裝配件生成相關聯的圖紙，包括平面圖、剖視圖、剖面圖、局部放大圖、軸測圖。我院通過對二維圖標準文件的定制以及創成式視圖樣式的定制，可以快速方便的繪制水利二維圖。由于傳統二維圖很多標注習慣以及樣式在CATIA軟件中無法直接實現。我們通過二次開發實現了高程、樁號、圖框等的快速繪制。

由于二維工程圖是與三維模型相關聯的。當方案變更了以后，無需重新繪制二維圖。二維圖紙隨著三維模型的更新自動更新。從而大大的提高了設計效率。

6 VPM協同設計平臺

協同設計一般分為傳統的文件級協同以及特征級的深層協同，VPM 協同設計平臺提供了特征級的深層協同。他具有以下特點：

（1）設計環境不再孤立，設計人員基于統一的在線設計環境，可以隨時查看具有權限的任意工程數據以及在設計環境下參考引用的其他專業的數據；

（2）參考設計時，不需要將其他數據拷貝，以免造成數據冗余，而是采用發布參考的機制。當被引用的數據發生變更后，本專業數據及時自動更新，這樣，不僅保證了參考環境和關聯對象的唯一性，也保證了引用數據的有效性；

（3）通過 VPM協同設計平臺可以進行水電行業標準的設校審流程，也可以對設計流程進行定制。

7 3DVIA composer在設計過程中的應用

設計研發最繁瑣的工作，莫過于設計進行中及完成后所需遞交的技術文件報告。為了解決這個棘手的問題，我院利用了3DVIA Composer文件發布系統，結合繪圖者最想改善的速度問題，并加上支持3D同步變更的優勢，大幅度降低了復3D的設計更新。可以整合圖片、Office文件、PDFSDHTML網頁格式的各種規格，產生的編排布局規格變化，客戶可由開放客制化的工具自行編排。

8 CATIA CAA二次開發

CATIA在水利水電行業的應用過程中，體現出了一些在該行業中不成熟的地方，例如在二維出圖規范方面的功能性差異，在鋼筋圖功能性方面的欠缺。因此，利用CATIA CAA二次開發功能，我們做了相應的開發。值得一提的是，目前國內很多水利設計院都在進行三維鋼筋圖輔助設計系統的開發，吉林院自主研發了鋼筋圖輔助設計系統，目前已經完成第二階段的工作。