CATIA三維設計軟件在電站廠房設計中的應用

高藝馨

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

1 工程概述

CATIA建模軟件被廣泛用于機械等領域等。本文將CATIA建模軟件運用至某水電站三維設計中，通過集成模塊高效地完成了建模工作，提高了工程算量的精準度與計算效率。

該水電站位于頭道松花江中下游河段，控制流域面積2685km2，河道長度136km，河道平均坡度3.58‰。控制流域面積2685km2，是一座以發(fā)電為主的小型水利工程。壩址距離上游電站廠房約2km，距下游二級水電站壩址約6km。根據(jù)GB50201- 2014《防洪標準》和SL252- 2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》要求，本工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模為小(2)型。

2 主廠房主要尺寸的確定

廠房為地面廠房，總長度為43.3m，總寬度為16.75m，分為主機間和安裝間，基礎坐落在強、弱風化二長巖(4- 2)上。主機間布置3臺水輪發(fā)電機組，分別為1#、2#和3#機組。

2.1 機組中心距的確定

對發(fā)電機、蝸殼、尾水管最大外形尺寸進行比較，其中發(fā)電機最大，作為控制尺寸，考慮機組附屬設備及主要通道，吊物孔等的布置，確定機組中心距為8.5m。

2.2 廠房寬度的確定

主廠房上游側(cè)布置了組合式調(diào)速器，并布置電氣盤柜，確定機組中心距上游側(cè)起重機軌道中心線的距離為5.5m。下游側(cè)考慮滿足發(fā)電機轉(zhuǎn)子、水輪機轉(zhuǎn)輪的吊運以及所必須的維護通道，確定機組中心距下游側(cè)起重機軌道中心線的距離為6m，起重機跨度為11.5m。

2.3 安裝場

安裝場位于廠房左端，與進廠交通道路相連，滿足1臺機組安裝與擴大性大修的要求。考慮機組安裝檢修方便，安裝場與發(fā)電機層高程相同，高程為465.763m。

2.4 廠房各層高程及設備布置

大機水輪機安裝高程為460.85m；小機水輪機安裝高程為460.39m。大機尾水管層底板高程457.651m，布置2只肘型尾水管；小機尾水管層底板高程457.676m，布置1只肘型尾水管。水輪機層地板高程461.938m，布置2臺JP502-LH-155(Φ=0°)型水輪機及1臺JP502-LH-100(Φ=0°)型水輪機，與發(fā)電機同軸直聯(lián)。空壓機室、透平油罐室布置在水輪機層，安裝間下面。與水輪機層高程相同。發(fā)電機層地板高程465.763m，布置2臺SF800- 24型水輪發(fā)電機及1臺SFW320- 16型水輪發(fā)電機，在大機組的第Ⅱ象限均布置1臺GKT- 3000X型高油壓調(diào)速器，小機組的第Ⅱ象限布置1臺GKT- 1800X型高油壓調(diào)速器。起重機軌頂高程為473.14m，廠內(nèi)布置1臺20/5t電動雙梁(慢速)橋式起重機。滿足發(fā)電機轉(zhuǎn)子與水輪機轉(zhuǎn)輪安裝及機組檢修時吊運的要求。蝶閥廊道層底板高程459.57m，布置2只DN2000液動蝶閥，1只DN1400液動蝶閥。

3 廠房三維設計

3.1 骨架設計

水利水電工程設計采用的是自上而下的設計方法，先進行總體布置，再逐級細化設計。總體布置需要定義整個工程的關鍵部位、軸線、高程面等，這就是三維設計軟件骨架設計方法。

骨架由點、線、面等控制元素構成。顧名思義，骨架可以支撐整個模型，是模型設計的脊梁。廠房各種建筑物均基于以上骨架進行設計，骨架的更改會聯(lián)動其他構件的更改。骨架從功能上分為定位骨架(如機組安裝高程面、廠房中軸線等)和定型骨架(如橫梁走向線等)；從層次上分為總骨架、專業(yè)骨架及更細的構件骨架。骨架采取多級組織型式，總骨架由項目負責人統(tǒng)一發(fā)布，專業(yè)骨架引用總骨架，專業(yè)內(nèi)設計人員引用專業(yè)骨架建立下一級的構建骨架，骨架關聯(lián)引用應該是逐級引用，應避免越級引用以免發(fā)生混亂。

以廠房的三維設計為例，廠房作為整體樞紐工程的一部分，它的建立需要總體布置對其定位，這就需要在整個樞紐工程的總體骨架建完以后，從總體骨架中引用關鍵元素作為廠房三維設計的基準，只要能定位廠房即可，所引用元素越少越好，以此為基礎建立廠房的骨架，廠房所有的三維建模都以廠房骨架為基礎，不在與外界元素發(fā)生關鍵。一旦廠房的位置發(fā)生變化，只需要在總體骨架中對廠房所引用元素進行修改即可，廠房整體隨之到新的位置。

廠房骨架數(shù)據(jù)可根據(jù)需要定義多層次骨架，分別驅(qū)動不同的設計數(shù)據(jù)。如在主廠房系統(tǒng)下的主廠房骨架包含高程、縱樁號、橫樁號3個方向的控制元素，起到全局控制和協(xié)調(diào)3個機組段廠房位置相對關系的作用，當在此3個方向上需要調(diào)整樁號和高程位置時，僅需調(diào)整此廠房骨架數(shù)據(jù)，更新后下游廠房機組段隨之調(diào)整。而在某機組段廠房里還可包含板梁柱骨架，此骨架主要在平面方向上定義縱向梁、橫向梁走向線及立柱的中心點，在具體某層板梁柱設計過程中可參考走向線及中心點，快速設計和定位板梁柱。

如圖1所示，為定義骨架結(jié)構。

圖1 定義骨架結(jié)構圖

如圖2所示，主廠房骨架主要包含高程方向平面、橫樁號方向平面、縱方向平面，可根據(jù)需要定義平面間可變參數(shù)。

圖2 主廠房骨架平面圖

如圖3所示，高程方向平面，可根據(jù)需要定義參數(shù)。

圖3 高程方向平面圖

如圖4所示，縱樁號平面和橫樁號平面，為了便于管理及可識別的要求，注意將同類元素放在同一個幾何圖形集中，并重新命名。

圖4 縱橫樁號平面圖

機組段中的板梁柱骨架，主要參考主廠房骨架設計的縱向梁、橫向梁的走向線，立柱的中心點等元素，下游的梁柱均參考此骨架設計的。

3.2 參數(shù)化與關聯(lián)設計

廠房設計過程中，大多數(shù)結(jié)構體的形式是確定的，需要變化的僅僅是外形尺寸。CATIA的知識工程具有強大的功能，尤其是參數(shù)化設計，在眾多三維設計軟件中具有較大的優(yōu)勢。通過對廠房結(jié)構體的分析和專業(yè)的總結(jié)，將廠房結(jié)構體分解成若干個典型區(qū)段，將這些典型結(jié)構中的典型尺寸用參數(shù)來驅(qū)動，在完善設計及修改方案時，只需要對參數(shù)進行修改，與參數(shù)相關聯(lián)的結(jié)構體即可自動更新完成修改。也可以將一組類似的參數(shù)通過電子表格的形式列出來，再將表格中的數(shù)據(jù)與參數(shù)關聯(lián)，從而達到使用多組數(shù)據(jù)來驅(qū)動一個模型的效果。例如在蝸殼的單線圖設計中，經(jīng)常用表格來驅(qū)動模型。

3.3 模板設計

在廠房建模工程中，有很多結(jié)構經(jīng)常需要用到，如：板梁柱、牛腿、樓梯、窗戶、門等，且這些結(jié)構重復利用率非常高，幾乎每個廠房建模都要用到，每次重復建模會浪費很多時間，模板設計很好的解決了這個問題，將設計過程及設計參數(shù)打包，預留輸入接口，快速完成模型及其他數(shù)據(jù)，使用者可快速完成建模，簡化建模方法，模板設計是一個一勞永逸的方法，一次建模，用到時只需調(diào)用即可。

3.4 典型機組段設計

為滿足后期機電專業(yè)布放機電設備的需要，需要將典型機組段按結(jié)構分層設計，典型機組段主要包含以下模型：頂棚系統(tǒng)、發(fā)電機層、電氣夾層、水輪機層、球閥層、機墩風罩、蝸殼尾水管、尾水平臺。

在板梁柱設計過程中，可集合板梁柱設計過程，匯總成模版，在實際設計過程中，利用模板快速復用，提高設計效率。

3.4.1 頂棚系統(tǒng)

參考主廠房骨架控制線框，設計包含吊車梁、頂棚、立墻及吊車梁導軌，注意按Body劃分這些結(jié)構，便于后續(xù)做布爾運算。

3.4.2 發(fā)電機層

引用主廠房骨架與板梁柱骨架完成發(fā)電機層底板與梁的設計，將生成的結(jié)果進行布爾運算，并按機墩風罩外輪廓曲面剪切開孔。

3.4.3 電氣夾層

參考主廠房骨架及板梁柱骨架，按幾何體組織設計縱向梁、橫向梁、底板、立柱，布爾運算結(jié)合底板、梁，并按機墩風罩外輪廓剪切開孔。同理完成水輪機層、球閥層結(jié)構設計。

3.4.4 蝸殼與尾水管

將蝸殼輪廓形成設計模板、結(jié)合蝸殼單線圖數(shù)據(jù)表，快速實例化多個蝸殼單線輪廓，并擬合成蝸殼外形曲面，同理形成尾水管外形曲面。

3.4.5 尾水平臺

參考主廠房骨架數(shù)據(jù)，設計尾水平臺，并為水泵房開腔室，最后用尾水管外形曲面剪切尾水平臺實體。

3.4.6 機墩風罩

參考主廠房骨架數(shù)據(jù)，設計機墩風罩實體輪廓，最后用尾水管外形曲面及蝸殼外形曲面剪切尾機墩風罩實體。

4 工程實例展示

結(jié)合具體水電站廠房工程，運用CATIA三維設計軟件，根據(jù)骨架設計思想，充分利用參數(shù)化與關聯(lián)設計的技術優(yōu)勢，調(diào)用已有模板對其建模。成果如圖5～11所示。

圖5 電站廠房總體布置圖

圖6 電站廠房橫剖面圖

圖9 門模板

圖10 窗戶模板

圖11 混凝土樓梯

通過CATIA建模，得到廠房工程量見表1。

表1 廠房工程量

5 結(jié)語

本文將CATIA運用于某水電站廠房三維設計中，較傳統(tǒng)CAD二維建模，該方法大大提高了工作效率，減少了作業(yè)人員工作量。本文僅對廠房做了粗略建模，計算得到的工程量偏大，在后續(xù)的研究工作中，將采用CATIA進行優(yōu)化設計，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在保證水電站安全的基礎上，通過改變廠房布置，空間結(jié)構，減少工程量，達到精簡投資的目的。