基于CATIA軟件在重力壩設計中的應用

趙杰 黃勃

【摘要】針對傳統水工設計工作中輔助設計軟件少，主要依靠ZDM等基于CAD平臺開發的二維輔助設計軟件制圖，工作效率低且容易出錯。在水利工程前期方案比選過程中存在精度不夠，無法做到多方案同深度比較，工程量計算與實際誤差大，設計周期中大量的時間用于二維制圖，方案研究時間倉促，設計成果無法形象展示等不足，進行了基于CATIA平臺重力壩方案三維可視化設計研究，實現重力壩設計三維可視化、參數化、標準化，高效完成可行性研究階段重力壩方案設計成果。

【關鍵詞】CATIA 重力壩 三維設計 參數化

長期以來傳統水利設計工作中存在輔助設計軟件少，信息化程度低，重復工作量大;工期長，設計變更頻繁，設計周期中大量的時間用于二維制圖，方案研究時間倉促，工程量計算偏差大，二維圖紙難以表達設計意圖等問題。由于水利工程具有地形條件復雜、設計選型獨特、涉及專業廣等特點，存在圖紙信息繁冗、工程樞紐布置復雜、土石方量計算不精確等問題，通過測繪水利工程的地形及水利工程建筑物三維設計，可高質量完成水利工程設計。目前BIM技術主要基于ABC平臺（Autodesk、Bentley、Catia），CATIA適合復雜建模，能很好應用于水利工程大壩樞紐設計，尤其是面板壩趾板和拱壩等異性建筑精準建模。目前很多國內大水利設計院選擇了CATIA平臺進行開發并在大型項目應用，但資金投入大，小型設計院無法普及應用。本文擬回歸到軟件三維設計本質，提供原始建模思路，普及應用到中小型項目。

1、工程概況

畢家溝水庫壩址位于貴州省盤州市淤泥鄉巖博村。工程區地理位置為東經104°45°28"、北緯25°59'30"，距盤州市市區63.6km，有鄉村公路通至壩肩，交通較方便。所在河流為大箐溝屬于珠江流域西江水系北盤江的三級支流，一級支流為烏都河，二級支流為淤泥河。大箐溝全流域集水面積為4.47km2，主河道長6.32km，河道平均比降為87.4‰。壩址地形巖性為玄武巖，畢家溝水庫可研階段推薦方案為埋石混凝土重力壩，最大壩高47.0m，總庫容105萬m3。

2、CATIA應用流程

CATIA軟件是法國Dassault Systems公司的產品，具備強大的參數化設計功能，能實現重力壩結構設計的全參數化控制。在可行性研究階段，可快速通過設計參數表參數調整快速實現三維設計模型更新和工程量計算，便于高效精確提供不同方案下工程量計算。另外CATIA具有強大的知識工程模塊和二次開發接口，便于用戶根據實際工程需要開發插件。現基于CATIA V5軟件，闡述在貴州省盤州市畢家溝水庫工程可行性研究階段方案重力壩方案中的應用邏輯關系。在測量、勘察等外業工作完成后，結合地形地質條件擬定合適大壩軸線，采用“自上而下”的設計理念，完成地質模型建立、壩軸線布置、重力壩建基面設計、壩段參數化設計。

3、實現過程

3.1 地形地質模型建立

地形地質模型的建立依據實測1：500精度的實測地形，通過Dota軟件把實測高程和坐標數據轉換成具有xyz坐標數據屬性的點云數據，采用不規則三角網（TIN）和面的生成點云面，建立高精度地形面。

壩軸線是最基本的控制元素，在初步選線前根據壩址地形、地質條件、樞紐建筑及施工條件等，經技術經濟綜合比較后選定。在CATIA軟件中通常先利用坐標值確定壩軸線左右端點，然后連接生成壩軸線，利用參數控制表可快速修改壩軸線坐標進行調整，擬定最優壩軸線方案。

3.3壩體設計

3.3.1壩型及建基面

重力壩設計控制壩體斷面的為抗滑穩定和應力控制。根據《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2018），河床段建基面選擇在弱風化上部，壩趾處巖性為玄武巖，建基面地基承載力為1.5Mpa，擬定壩頂寬5.0m，最大壩高47.0m，下游坡比1：0.75，上游折坡坡比1：0.2，壩趾最大壓應力0.3Mpa，壩踵無拉應力，滿足規范要求。

3.3.2 參數化壩體建模

畢家溝水庫重力壩壩體分區分為墊層區、上游防滲區、壩體大體積混凝土區、下游防滲區和壩頂路面，在CATIA軟件中設計方法：①作壩軸線的中垂面;②在中垂面上利用“草圖”做岀各個分區的輪廓;③采用參數化描述各個輪廓，設計參數包括壩頂寬、上游坡比、下游坡比、各種材料的高程與寬度等（圖4）;④將各個分區的輪廓沿壩軸線拉伸得到各壩體分區的三維模型。溢流壩段的建模與非溢流壩段建模類似（圖5）。重力壩建基面平面通過縱斷面沿上下游法向拉伸得建基面，與壩體進行布爾運算即可得設計壩型。

3.3.3 壩體及邊坡開挖設計

重力壩開挖設計和一般開挖設計相同：首先根據設計坡比、馬道等信息在草圖中生成開挖線或開挖截面輪廓，再由這些輪廓生成三維開挖面，利用開挖面和每個壩體分區進行布爾運算便可得到最終開挖成果。利用開挖面和實體地質模型進行布爾運算完成三維實體的開挖工作，開挖體的體積即為實際工程開挖量。

3.3.4 三維實體模型、工程量計算及出圖

可研方案總共完成了盤州市畢家溝水庫7個非溢流壩段、1個溢流壩段、消力池、取水井筒、下游閘閥室等結構三維設計及開挖設計。為了使創建的模型能在類似工程中得到重復利用，可以將本次三維設計模型創建為一個知識工程模板，加入到企業的水工設計知識模板庫中，快速完成類似工程三維設計。還可通過CATIA軟件知識工程模塊，在三維設計過程中，可以通過規則和檢查將設計人員的經驗和規范，用以規范和約束設計;企業可組織有編程基礎水工人員對知識工程模塊開發出大量與水利工程相關的實際應用，例如邊坡自動開挖和錨桿自動布設等，提高設計效率和質量。

重力壩建模完成后，采用CATIA中的測量工具可精確計算各分區及開挖工程量。以上述三維設計模型為基礎，切換到CATIA“工程制圖”工作臺則能方便地生成工程布置圖及各類工程設計視圖和剖面圖。需要說明的是，由CATIA軟件主要應用于工業行業，生成的圖紙并不能滿足水利工程規范要求，但目前市場上已經有專門針對水利工程的CAD與CATIA交互出圖的二次開發插件，已經解決了CATIA軟件在水利工程出圖上的局限，為進一步普及水利工程三維設計具有很大意義。

4、結論

CATIA應用到實際工程設計中具有如下優勢：

1、在可研階段可通過參數化設計，快速初步選擇出最小總填筑量的壩線，最大可能節省工程投資。

2、采用了三維參數化設計，建立不同比選方案動態模型，所有結構特征都由參數控制，各個建筑物之間都采用智能關聯，模型的任意部分都可通過參數進行調整，與之相關的部分也會隨之動態更新。

3、CATIA能實現各種異形結構工程量的精確計算，克服傳統水工設計工程量計算誤差大的缺點。

4、可利用知識工程模板對建模過程實例化，快速完成同類工程三維模型，提高工作效率。可以通過“規則”和“檢查”將設計人員的經驗嵌入到三維設計中，使其自動檢測執行，以提高設計的合理性。可基于C++語言開發出各種實際應用到水利工程的二次開發插件，譬如錨桿自動布設、邊坡開挖自動化、工程量表自動統計等。

5、可以自動生成平面布置圖、縱斷面圖、橫斷面圖等，高程標注和尺寸標注自動關聯，避免傳統制圖存在各種不一致情況。

6、三維設計模型可以與其他有限元軟件進行模擬分析，如邊坡穩定分析、重力壩側向穩定分析等，與3DMAX等軟件能渲染出高質量效果圖和模擬視頻。

參考文獻：

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作者簡介：趙杰（1991-10），男，漢族，貴州桐梓，工程師，本科，貴州中水建設管理股份有限公司，研究方向：水利工程設計