基于CATIA石溝水庫重力壩三維設(shè)計(jì)

付登輝

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

傳統(tǒng)重力壩設(shè)計(jì)成果以眾多復(fù)雜的剖面圖及平面圖的形式展現(xiàn)，設(shè)計(jì)者需將腦中的三維形體轉(zhuǎn)換為二維圖紙，在形成圖紙后再將二維圖紙還原為三維形體以檢驗(yàn)是否符合原設(shè)計(jì)，且轉(zhuǎn)換過程中可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)信息丟失[1]。受限于技術(shù)本身難以突破其固有瓶頸，設(shè)計(jì)方案存在方案表達(dá)不直觀、工程量計(jì)算工作量大、設(shè)計(jì)修改優(yōu)化費(fèi)時(shí)費(fèi)力、設(shè)計(jì)盲點(diǎn)較多等問題，導(dǎo)致施工期變更、工期、工程量、后續(xù)安全等超出原計(jì)劃，造成很多不必要的浪費(fèi)并影響項(xiàng)目整體進(jìn)度。

目前水利水電行業(yè)，BIM三維并行設(shè)計(jì)在工程中已逐漸推廣應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計(jì)存在問題能夠?yàn)橄到y(tǒng)解決。其在可視化協(xié)同工作環(huán)境中，利用骨架控制、參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、模板設(shè)計(jì)等工具，能夠快速實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化及獲取工程量、坐標(biāo)；能夠通過協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境在設(shè)計(jì)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)專業(yè)間的碰撞、錯(cuò)誤、遺漏等問題并快速實(shí)現(xiàn)方案調(diào)整。

本文主要探討基于BIM軟件CATIA進(jìn)行施工圖階段重力壩三維設(shè)計(jì)及施工圖交付。對(duì)石溝水庫重力壩應(yīng)用三維設(shè)計(jì)完成基本體型及大壩開挖設(shè)計(jì)、各壩段細(xì)部體型設(shè)計(jì)、壩體分區(qū)及廊道設(shè)計(jì)等。

1 CATIA三維設(shè)計(jì)

CATIA三維并行設(shè)計(jì)是基于傳統(tǒng)二維CAD技術(shù)發(fā)展起來的，是一種多維度的模型信息集成技術(shù)，借助其可視化、參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、模板設(shè)計(jì)、知識(shí)工程等工具和協(xié)同工作環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與專業(yè)間的互通共享，其注重系統(tǒng)集成和整體優(yōu)化，并不追求單個(gè)專業(yè)的最優(yōu)，能夠盡可能消除傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)時(shí)部門和專業(yè)間的壁壘，使彼此之間協(xié)同一致，從全局出發(fā)優(yōu)化項(xiàng)目。對(duì)有關(guān)專家和參與人員提出的合理建議，能夠快速、精確實(shí)現(xiàn)修改調(diào)整，對(duì)于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期，控制工程成本均可以起到重要作用[2]。

1.1 模型可視化技術(shù)

快速、精確建立水利水電工程三維可視化模型是推進(jìn)水利水電工程建設(shè)現(xiàn)代化、數(shù)字化的關(guān)鍵一環(huán)，并行設(shè)計(jì)CATIA可視化建模是實(shí)現(xiàn)這關(guān)鍵需求的有力工具。模型可視化能夠結(jié)合設(shè)計(jì)人員模型構(gòu)建的實(shí)際思路，不需要反復(fù)地在設(shè)計(jì)對(duì)象的二維投影和三維實(shí)體之間進(jìn)行切換，設(shè)計(jì)成果能夠全面而準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)產(chǎn)品信息以及建筑物和各專業(yè)間的關(guān)系；模型可視化能夠在設(shè)計(jì)過程中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)專業(yè)間的錯(cuò)漏碰等交叉干涉問題，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1.2 骨架技術(shù)

骨架也可稱為主控線框，由控制性的點(diǎn)、線、面構(gòu)成，如樞紐建筑物的軸線、高程、定位尺寸等控制基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面[3]。其作用類似人體骨骼支撐整個(gè)項(xiàng)目模型，充分結(jié)合各專業(yè)劃分確定。樞紐區(qū)包含大壩、電站廠房、輸（泄）水建筑物、道路等所有專業(yè)的細(xì)部設(shè)計(jì)，都要直接或間接依賴于骨架進(jìn)行定位。骨架從功能上分為定位骨架和定型骨架；從層次上分為總體骨架、專業(yè)骨架和更細(xì)的構(gòu)建骨架[4]。通過對(duì)骨架參數(shù)驅(qū)動(dòng)，能夠從宏觀較快完成方案調(diào)整，而無需像傳統(tǒng)二維牽一發(fā)而動(dòng)全身，更改控制點(diǎn)后，相關(guān)開挖、建筑物等可能需重新設(shè)計(jì)。

1.3 模型參數(shù)化技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是并行設(shè)計(jì)CATIA較傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計(jì)主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，一般對(duì)建筑物尺寸等幾何參數(shù)進(jìn)行固定設(shè)計(jì)，后期方案調(diào)整優(yōu)化，占用設(shè)計(jì)過程大量時(shí)間。參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)也稱為尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過建立參數(shù)與模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可得到不同的模型。其核心思想以約束來建立模型的形狀特征，通過以模型中建筑物的尺寸、位置作為自定義變量，修改變量帶動(dòng)模型尺寸、位置及其關(guān)聯(lián)方程的更新，從而完成模型更正并可以方便地創(chuàng)建一系列形狀類似的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。能有效減少設(shè)計(jì)人員時(shí)間成本，使其有足夠時(shí)間用于產(chǎn)品優(yōu)化，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1.4 VPM協(xié)同技術(shù)

傳統(tǒng)的本地化離線設(shè)計(jì)方式（即二維CAD設(shè)計(jì)）需要設(shè)計(jì)人員之間更多的面對(duì)面溝通交流，流程較為復(fù)雜，效率和質(zhì)量由于溝通不足等原因得不到保證；采用VPM協(xié)同平臺(tái)，它集數(shù)據(jù)管理、過程控制與網(wǎng)絡(luò)通信能力于一體的數(shù)據(jù)管理技術(shù)的集成，使所有設(shè)計(jì)者都在同一服務(wù)器下在線工作，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同步上傳且專業(yè)間共享，不同專業(yè)間能夠及時(shí)查看相關(guān)上下游專業(yè)變化對(duì)自身帶來的影響，及時(shí)溝通調(diào)整方案，降低溝通成本，減少專業(yè)間碰撞，指導(dǎo)優(yōu)化方向，使項(xiàng)目數(shù)據(jù)在全生命周期內(nèi)保持一致。

2 石溝水庫重力壩CATIA三維設(shè)計(jì)

2.1 石溝水庫簡介

石溝水庫地處陜西省寶雞市太白縣境內(nèi)，壩址位于太白縣咀頭鎮(zhèn)涼峪村，漢江二級(jí)支流紅巖河支流石溝河下游。石溝水庫是《陜西省水庫建設(shè)規(guī)劃》確定的太白縣咀頭鎮(zhèn)重要水源工程之一，能夠增強(qiáng)太白縣城生活、工業(yè)用水的供水能力，對(duì)太白縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提升具有重大意義。

本工程為Ⅳ等小（1）型工程，永久性主要建筑物包括攔河大壩、泄水建筑物、放水建筑物，按4級(jí)設(shè)計(jì)；施工導(dǎo)流及臨時(shí)房屋建筑等臨時(shí)建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)；樞紐區(qū)的邊坡按5級(jí)設(shè)計(jì)。

2.2 大壩開挖設(shè)計(jì)

2.2.1 開挖方式選擇

開挖方式分為傳統(tǒng)“剖面”開挖法及“馬道”開挖法，其區(qū)別主要取決于壩肩縱剖面邊坡設(shè)計(jì)坡度。當(dāng)坡度較緩時(shí)，應(yīng)用橫剖面可以較好控制剖面間開挖面的邊坡坡比、坡高、馬道寬度，完成開挖設(shè)計(jì)；當(dāng)坡度較陡時(shí)，應(yīng)用剖面法設(shè)計(jì)時(shí)，剖面間的實(shí)際開挖坡比、馬道寬度則會(huì)與剖面邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)偏差較大，隨壩肩縱剖面坡度變陡開挖坡變陡、馬道寬度變小。某項(xiàng)目壩肩縱剖面較陡，應(yīng)用傳統(tǒng)“剖面”開挖法開挖結(jié)果見圖1，后選用“馬道”開挖法開挖結(jié)果見圖2。

圖1 傳統(tǒng)“剖面”開挖法

圖2 “馬道”開挖法

2.2.2 基本體型及開挖設(shè)計(jì)

開挖受制于地形地質(zhì)條件，依附于基本體型，為確保基本體型范圍內(nèi)開挖面連續(xù)完整、地質(zhì)條件滿足基礎(chǔ)要求，體型范圍外結(jié)合施工永、臨道路、場(chǎng)坪、馬道等保證開挖邊坡（土質(zhì)、巖質(zhì)）穩(wěn)定、連續(xù)且便于施工。

石溝水庫左岸山梁較陡且邊坡高度較高（約100 m），為減少開挖量且滿足壩體抗滑穩(wěn)定采用傳統(tǒng)“剖面”開挖法開挖為“窯洞式”；右岸坡度較緩，根據(jù)地形地質(zhì)條件參考類似工程開挖方式，采用傳統(tǒng)“剖面”開挖法。

在CATIA可視化工作環(huán)境中將建基面處壩軸線作為樞紐骨架，開挖基于該發(fā)布骨架進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過更改建基面高程，調(diào)整基礎(chǔ)開挖深度以適應(yīng)地質(zhì)條件；其次，按規(guī)劃樁號(hào)依次創(chuàng)建左岸擋水壩段、取水壩段、表孔壩段、底孔壩段的基本體型剖面，開挖剖面適應(yīng)各壩段基本體型基礎(chǔ)輪廓并連續(xù)，參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)于各壩段基本體型及壩肩開挖坡比、馬道寬度、高程變化等可隨時(shí)調(diào)整其相關(guān)參數(shù)；對(duì)于縱剖面右岸壩頂處上壩道路及其上邊坡開挖，結(jié)合實(shí)際地形地質(zhì)條件，對(duì)道路中心線、開挖剖面等參數(shù)不斷優(yōu)化調(diào)整，模型自動(dòng)更新，實(shí)時(shí)查看可視化的設(shè)計(jì)方案。

初次模型創(chuàng)建完成后，從全局檢查開挖設(shè)計(jì)成果，對(duì)剖面間的連續(xù)性、開挖面開口及道路中心線的走向等結(jié)合地形地質(zhì)條件依次檢查，通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的不斷修正，確使開挖面連續(xù)、開挖工程量相對(duì)最優(yōu)、相關(guān)坡比、坡高滿足邊坡穩(wěn)定要求。最后，結(jié)合所有開挖面，與地形模型聯(lián)合修剪等生成開挖模型并創(chuàng)建開挖體。可量取任意需求點(diǎn)坐標(biāo)、獲得二維開挖平面圖、剖面圖、開挖總量。

圖3 與地形模型修剪后大壩開挖面

圖4 大壩開挖體（開挖總量78762m3）

2.3 大壩各壩段細(xì)部體型設(shè)計(jì)

2.3.1 各壩段分區(qū)原則

石溝水庫為堆石混凝土重力壩，按壩段功能劃分，分為左、右岸擋水壩段、泄洪表孔、泄流底孔、放水壩段。壩體混凝土不同部位因所處環(huán)境、受力情況不同，需結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境對(duì)強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍、抗沖磨等要求進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)。在確保工程質(zhì)量前提下，為提高施工效率，設(shè)計(jì)中盡可能減少混凝土標(biāo)號(hào)的分區(qū)種類，盡可能擴(kuò)大堆石混凝土范圍。

依據(jù)相關(guān)規(guī)范及應(yīng)力、結(jié)構(gòu)計(jì)算等，初步確定基礎(chǔ)墊層、壩頂?shù)缆贰⑦^水?dāng)嗝婊A(chǔ)等部位采用C20W4F100常態(tài)砼，上游防滲區(qū)部位采用C15W6F150自密實(shí)砼，壩心混凝土部位采用C15W6F150堆石砼，泄流表、底孔的過水?dāng)嗝娌捎靡欢ê穸菴40W6F150HF高強(qiáng)砼。

2.3.2 各壩段細(xì)部體型CATIA設(shè)計(jì)

在CATIA協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中，依據(jù)基本體型位置，首先以壩軸線左壩端為基點(diǎn)創(chuàng)建各壩段縱剖面范圍對(duì)應(yīng)的樁號(hào)控制面，將其發(fā)布給各不同壩段設(shè)計(jì)人員，用以控制其位置。

各設(shè)計(jì)人員引用發(fā)布基準(zhǔn)面，以基本體型為參考，按初定壩體分區(qū)完成各剖面體型不同分區(qū)劃分，并輸出其輪廓特征，后拉伸各輪廓特征生成對(duì)應(yīng)分區(qū)實(shí)體。體型受制于地形，表、底孔壩段及左岸擋水壩段基礎(chǔ)部位各分區(qū)需適應(yīng)開挖地形，在可視化設(shè)計(jì)環(huán)境中，可實(shí)時(shí)查看不同壩段間的連接性，快速溝通，理清初次關(guān)系，確認(rèn)修改優(yōu)化方向。通過對(duì)體型參數(shù)的調(diào)整，快速完成方案修改，多次反復(fù)優(yōu)化后，完成體型細(xì)部設(shè)計(jì)，結(jié)果見圖5~圖7。

圖5 防滲區(qū)部位C15W6F150

圖6 壩心部位C15W6F150

圖7 常態(tài)砼部位C20W4F100

其中，表孔溢流壩段，堰面采用WES，曲線方程由橢圓、拋物線、直線段、圓弧組成，在知識(shí)工程模塊中，創(chuàng)建表孔拋物線堰面曲線方程，在草圖中投影拋物線并按計(jì)算方程數(shù)據(jù)繪制其余曲線，調(diào)整參數(shù)確保其連接相切，完成表孔堰面曲線設(shè)計(jì)，拉伸生成過水?dāng)嗝妫妶D8。分區(qū)剖面視圖見圖9。

圖8 過水?dāng)嗝鍯40W6F150HF

圖9 分區(qū)剖面視圖

壩內(nèi)廊道應(yīng)為回路，避開過水?dāng)嗝妫颐繉永鹊谰柽B接壩體下游面浮橋，以滿足廊道交通要求。設(shè)計(jì)過程中，在可視化工作環(huán)境中，依據(jù)體型設(shè)計(jì)信息，通過對(duì)初定廊道軌跡與泄水?dāng)嗝娉叽缌繙y(cè)，選擇布設(shè)EL.1646.50 m和EL.1675.00 m兩層廊道。結(jié)合校審人員意見，調(diào)整廊道參數(shù)，完成廊道體型設(shè)計(jì)，見圖10。

圖10 壩內(nèi)廊道系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.4 三維模型+二維圖紙施工圖交付方式

利用壩體設(shè)計(jì)模型，通過測(cè)量可以精確獲取任一分區(qū)工程量，完成工程量統(tǒng)計(jì)；通過切割，可以獲取任一點(diǎn)三維坐標(biāo)；在工程制圖模塊中，可以獲取平面投影圖，上、下游立視投影圖，任何位置、方向剖面圖，通過在二維CAD中標(biāo)注即可完成二維施工圖，見圖11~圖14。

圖11 可視化模型測(cè)量坐標(biāo)、工程量

圖12 基于模型生成二維平面圖

圖13 基于模型生成的上游立視圖圖

圖14 基于模型生成的底孔剖視圖

施工圖交付時(shí)，采用三維模型+二維圖紙的方式。通過可視化的三維模型，可讓項(xiàng)目參建人員快速理解并熟識(shí)設(shè)計(jì)意圖，減少識(shí)圖難度和偏差，確保設(shè)計(jì)方案的良好實(shí)施，有效避免施工期的返工浪費(fèi)，降低項(xiàng)目總成本，確保項(xiàng)目整體質(zhì)量。

3 總結(jié)

CATIA三維設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)、施工一體化的基礎(chǔ)，為工程建設(shè)帶來巨大的變革。在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中運(yùn)用三維設(shè)計(jì)，可以使設(shè)計(jì)人員的思路更加清晰，直接把思考的設(shè)計(jì)形象展現(xiàn)在設(shè)計(jì)圖紙中，從而提高設(shè)計(jì)效率，也可以形象地體現(xiàn)設(shè)計(jì)形態(tài)，再現(xiàn)各種構(gòu)造之間的空間關(guān)系，方便數(shù)值計(jì)算，保證設(shè)計(jì)工作的速度，使設(shè)計(jì)工作更加簡單和方便[5]。動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)、協(xié)同工作環(huán)境、骨架控制、可視化、參數(shù)化等，對(duì)涉及多專業(yè)交叉的壩體開挖、不同壩段體型設(shè)計(jì)、壩體分區(qū)、壩內(nèi)交通廊道系統(tǒng)等，從全局考慮，減少為方便個(gè)別專業(yè)而忽略或影響其他專業(yè)功能的不合理布局，使項(xiàng)目得到最大優(yōu)化；基于剖面創(chuàng)建的可視化實(shí)體模型，能夠精確測(cè)量樞紐開挖、建筑物體型工程量，較傳統(tǒng)二維CAD剖面迭代計(jì)算工程量更為精確；三維模型+二維圖紙的施工圖交付方式，能夠讓項(xiàng)目參建人員全面熟知設(shè)計(jì)意圖，大幅降低識(shí)圖難度和偏差，可以讓施工人員更精準(zhǔn)選擇施工工藝、制定各單元工程工期，確保設(shè)計(jì)方案的良好實(shí)施，有效避免施工期的返工浪費(fèi)，確保工程質(zhì)量和進(jìn)度。