基于CATIA 二次開發(fā)的拱壩施工單元建模及屬性提取

劉 全，游 川，王浩

（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430072）

0 引言

十四五規(guī)劃以來，我國(guó)大力推動(dòng)水利現(xiàn)代化建設(shè)，水利現(xiàn)代化的基本標(biāo)志和重要內(nèi)容是水利工程信息化。水利工程信息化需要以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)應(yīng)用架構(gòu)，將智能化、信息化技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的水電工程設(shè)計(jì)和施工管理過程中［1］，解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)施工過程中效率低、信息互饋過程繁瑣、智能化建造水平不高等問題［2］。水電工程設(shè)計(jì)和施工管理需要大壩施工單元信息（如：混凝土澆筑倉、土石壩填筑層等的空間和體形控制參數(shù)）來控制與指導(dǎo)工程施工。大壩施工單元是工程建設(shè)管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可視為壩體空間的微分元，同時(shí)也是大壩BIM 的基本單元。對(duì)于大型工程高壩而言施工單元數(shù)量多、不規(guī)則，且需隨水工設(shè)計(jì)和施工方案調(diào)整和更新，須采用信息化、自動(dòng)化處理手段以保證工作周期。

壩體施工單元信息化是當(dāng)前工程智能化研究的熱點(diǎn)問題，5D BIM、PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）、虛擬仿真等信息化技術(shù)近年已成功應(yīng)用于工程領(lǐng)域。如Lu等采用5D BIM 系統(tǒng)進(jìn)行單一工程的現(xiàn)金流分析［3］。Namchul 提出了一種能夠支持工程變更分析的PDM數(shù)據(jù)庫［4］。王仁超等提出在IFC基礎(chǔ)上構(gòu)建基于BIM的混凝土壩施工仿真信息模型的方法［5］。這些研究集中于以壩體施工單元模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)載體實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)和施工管理信息化。而在參數(shù)化建模方面，主要借助Autodesk、Bentley 和Dassault 等平臺(tái)提供的設(shè)計(jì)軟件，構(gòu)建壩體施工單元與提取其屬性參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模和自動(dòng)化的參數(shù)提取任務(wù)。如伍鶴皋等［10］開發(fā)了基于CATIA 二次開發(fā)的球形鋼岔管輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，羅通［11］等構(gòu)建了自動(dòng)化的渠道三維設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。樓濤［12］等提出一種基于3DEXPERIENCE 平臺(tái)的拱壩結(jié)構(gòu)快速建模方法，尹習(xí)雙［13］等討論了基于CATIA 構(gòu)建混凝土壩的施工單元。然而這些研究缺少對(duì)復(fù)雜壩體結(jié)構(gòu)信息化建模的研究，尚未形成系統(tǒng)可靠的理論方法。

以拱壩模型為代表的復(fù)雜壩體參數(shù)建模成為當(dāng)前亟需解決的重難點(diǎn)問題。拱壩的曲線曲面眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相較于重力壩與土石壩，需要拱冠曲率、拱端中心角等特征參數(shù)，有更高的參數(shù)化難度，需要建立一套全新的參數(shù)化構(gòu)建體系與邏輯。因此，本文提出了基于CATIA 二次開發(fā)的拱壩施工單元建模及屬性提取方法，應(yīng)用CATIA 二次開發(fā)技術(shù)以參數(shù)化構(gòu)建拱壩三維模型，剖切三維模型后得到施工單元，提取施工單元輪廓幾何特征，采集控制點(diǎn)坐標(biāo)，并確定其空間屬性。同時(shí)，通過改變建模與剖切的參數(shù)可將本文方法的應(yīng)用范圍推廣至其他壩型，具有優(yōu)良的工程適應(yīng)性。

1 拱壩施工單元構(gòu)建的問題分析

目前，混凝土拱壩施工一般采用通倉澆筑，不設(shè)置縱縫。橫縫將壩體劃分為若干壩段，分開澆筑。壩段內(nèi)的澆筑升層多為1～3 m，也有特殊部位澆筑高度達(dá)到4.5 m。因此，為了拱壩施工單元建模及屬性提取任務(wù)，拱壩的施工單元可依據(jù)橫縫及澆筑倉的施工分層劃分來建立。劃分好施工單元后，再在CAD平臺(tái)中提取施工單元模型的幾何參數(shù)及屬性。施工單元模型的幾何參數(shù)包括施工單元的底面積與體積，相關(guān)屬性參數(shù)主要是施工單元的角點(diǎn)坐標(biāo)以及彼此的相對(duì)位置。

拱壩施工單元構(gòu)建及屬性提取的流程圖如圖1 所示，圖1中左列為每一步的操作，右列為對(duì)應(yīng)操作得到的結(jié)果。

圖1 施工單元構(gòu)建及屬性提取流程圖Fig.1 Construction unit construction and attribute extraction flowchart

上述流程中，關(guān)鍵問題有兩個(gè)：①拱壩體形分析以提取拱壩體形參數(shù)；②如何采取參數(shù)化建模技術(shù)高效準(zhǔn)確地完成屬性參數(shù)的提取。

1.1 壩體體形分析

拱壩壩體施工單元的構(gòu)建不同于混凝土重力壩或土石壩［14］，重力壩與土石壩的施工單元多為形狀規(guī)則的幾何體。而拱壩由不規(guī)則曲面構(gòu)成，需要通過分析拱壩的整體體形，構(gòu)建高精度的拱壩三維模型。

在拱壩的三維建模中，將拱壩看成由參數(shù)控制的水平拱圈連續(xù)變化而形成的空間殼體結(jié)構(gòu)，故高拱壩體形可由拱圈和拱冠梁斷面定義，一般采用拱圈控制方程配合拱圈厚度的方式描述［15-17］。以某拋物線型雙曲拱壩為例，其拱圈曲線為拋物線型，如圖2所示。

拋物線型拱圈方程為：

式中：x、y為拱圈點(diǎn)的坐標(biāo)值；R為拱冠曲率半徑，分為Rul、Rur、Rdl、Rdr（分別表示上游左岸、上游右岸、下游左岸、下游右岸的拱冠曲率半徑）；φ為（似）中心角，分為φL、φR（同理分別表示左岸與右岸）；O為拱冠曲率中心到坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)值。圖2 中：TC為拱冠處的厚度，X為拱端到Y(jié)軸的距離，分為XL、XR（對(duì)應(yīng)左岸與右岸）。

圖2 拋物線型拱壩水平拱圈描述示意圖Fig.2 Schematic diagram of the horizontal arch circle of the parabolic arch dam

拱冠斷面決定各層水平拱圈的相對(duì)位置，某拱壩的拱冠斷面示意圖如圖3 所示。水平拱圈與拱冠斷面的曲率半徑、（似）中心角與拱冠厚度等參數(shù)一般以壩高為參數(shù)，用如式（3）的壩高3次多項(xiàng)式描述。

圖3 某拋物線型拱壩拱冠梁斷面圖（單位：m）Fig.3 A parabolic arch dam arch crown beam cross-sectional view

式中：z表示拱圈平面與壩頂平面的鉛直距離；A、B、C、D為待定系數(shù)。

1.2 施工單元屬性提取方案分析

以往拱壩壩體施工單元的參數(shù)屬性的提取技術(shù)方案主要有：方程解析法、CAD制圖分析法等。

方程解析法需要根據(jù)壩高確定拱圈平面，在該拱圈平面內(nèi)，拱圈與壩體橫縫投影的交點(diǎn)坐標(biāo)即為施工單元的一個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)，其算法復(fù)雜，且難以適應(yīng)各種拱壩參數(shù)體系，難以建立普適解法。

CAD 制圖分析法為通過分析CAD 二維圖檔得到施工單元屬性的方法，CAD 制圖分析法因?yàn)榻孛娴钠矫嫘耘c拱壩模型的復(fù)雜性難以反映拱壩的三維真實(shí)模型，施工單元的構(gòu)建需要借助多個(gè)平面的視圖、投影等關(guān)系來反映，處理步驟繁瑣［13］。

本研究利用數(shù)字孿生技術(shù)模擬壩體施工單元的虛擬建模場(chǎng)景，不同于以往的方程解析法和CAD 制圖分析法主要通過數(shù)據(jù)本身來模擬分析壩體施工單元的性質(zhì)，本研究提出的基于CATIA 二次開發(fā)的拱壩施工單元建模及屬性提取方法通過參數(shù)化手段可針對(duì)不同拱壩類型建立統(tǒng)一的建模和求解格式，構(gòu)建了拱壩施工單元的數(shù)字孿生建模平臺(tái)，動(dòng)態(tài)建立映射真實(shí)壩體的孿生應(yīng)用。

2 基于C#的CATIA二次開發(fā)

CATIA 是法國(guó)Dassault System 開發(fā)的交互式CAD/CAE/CAM 一體化解決方案。CATIA 平臺(tái)以其優(yōu)秀的擴(kuò)展性與強(qiáng)大的二次可開發(fā)能力在水利水電行業(yè)內(nèi)得到了大量的應(yīng)用［15，16］。CATIA 的二次開發(fā)方式主要有3 種：①采用CAA（Component Application Architecture，組件應(yīng)用架構(gòu)）C++技術(shù)。②使用CATIA 自帶的VBA編程環(huán)境直接調(diào)用Automation API接口驅(qū)動(dòng)CATIA軟件。③通過C#等編程語言添加CATIA編程接口，以第三方編程語言調(diào)用Automation API。三種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

CAA C++是CATIA 的一整套C++函數(shù)庫，該函數(shù)庫在CATIA 運(yùn)行時(shí)加載。用戶通過安裝RADE（Rapid Application Development Environment）模塊，用戶可以在VC++編程環(huán)境下編寫程序，與CATIA 通信［17，18］。CAA C++模式可以實(shí)現(xiàn)幾乎所有CATIA功能，但是C++語言十分繁瑣，程序編寫困難。

CATIA 自帶的基于Automation API的VBA 編程環(huán)境過于簡(jiǎn)化，難以實(shí)現(xiàn)CATIA 的某些功能［22］。因此上述兩種實(shí)現(xiàn)方式都不是很適合。

由于C#語言在編程語法層面上較C++語言更為簡(jiǎn)潔明了，且實(shí)現(xiàn)能力與C++開發(fā)幾乎無差異，因此如果采用C#語言引入COM組件進(jìn)行開發(fā)，會(huì)有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）C#語言具有在Windows 平臺(tái)上十分優(yōu)秀的桌面框架，可更好地實(shí)現(xiàn)軟件的可視化界面。

（2）C#語言的代碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，條理清晰，通過對(duì)CATIA 宏生成代碼進(jìn)行少許修改即可運(yùn)行。

（3）相較于其他兩種開發(fā)方式，C#語言具有更多的第三方代碼庫，方便項(xiàng)目的開發(fā)和代碼的重用。

經(jīng)過綜合對(duì)比，采用結(jié)合C#語言和Automation API 接口作為本文問題解決方案的技術(shù)棧。

3 軟件架構(gòu)與程序邏輯處理

3.1 軟件架構(gòu)

在編程軟件Visual Studio中通過添加COM組件庫引用搭建基于C#語言的CATIA 二次開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用Automation API接口構(gòu)建自定義的應(yīng)用程序，軟件的架構(gòu)如圖4。

圖4 基于Automation API的軟件架構(gòu)圖Fig.4 Software architecture diagram based on Automation API

3.2 程序邏輯處理

基于CATIA 二次開發(fā)的拱壩施工單元參數(shù)化建模及屬性參數(shù)提取軟件的程序總體邏輯處理模塊如圖5。具體的業(yè)務(wù)邏輯可分為3個(gè)階段：分層拱圈與拱壩實(shí)體建模、施工單元的構(gòu)建與幾何參數(shù)提取、壩體施工單元角點(diǎn)坐標(biāo)提取，分別說明如下。

圖5 基于CATIA的壩體模型切割程序模塊Fig.5 CATIA-based dam model cutting program module

（1）分層拱圈與拱壩實(shí)體建模。對(duì)于不同線型拱圈的雙曲拱壩，在拱壩的各控制高程繪制不同拱圈時(shí)需要通過Factory2D平面工廠類調(diào)用CATIA 有關(guān)平面的繪制方法以繪制拋物線、雙曲線、橢圓等不同的線型，同時(shí)為達(dá)到批量生成的目的，還需要設(shè)計(jì)好繪制程序在拱圈控制高程發(fā)生變化時(shí)的運(yùn)行邏輯。

在拱圈平面上繪制好拋物線、雙曲線或橢圓等拱圈線后，通過CreateLine（創(chuàng)建直線）命令以直線連接上下游拱圈的端點(diǎn)，以AddNewJoin（接合）命令將直線與拱圈線拼接成一個(gè)整體，成為一個(gè)閉合線框后即可作為L(zhǎng)oft（多截面實(shí)體）的閉合截面（在CATIA 中以Loft 類型表示三維實(shí)體），多個(gè)高程上的閉合截面放樣即可生成拱壩實(shí)體模型。

在此基礎(chǔ)上，通過ShapeFactory 實(shí)體工廠類調(diào)用CATIA 有關(guān)實(shí)體的操作方法以創(chuàng)建拱壩三維實(shí)體。

首先通過CreateReferenceFromObject（以目標(biāo)對(duì)象創(chuàng)建參考對(duì)象）命令定義拼接后的各高程截面為Reference 對(duì)象，（CATIA在通過已有的元素創(chuàng)建新的元素時(shí)，為避免新舊元素彼此耦合，需要?jiǎng)?chuàng)建Reference 對(duì)象，以Reference 對(duì)象為橋梁創(chuàng)建新的元素，這樣在對(duì)新創(chuàng)建的元素進(jìn)行操作時(shí)不會(huì)影響到原有的元素）然后通過AddNewLoft（創(chuàng)建實(shí)體）命令創(chuàng)建新的三維實(shí)體（即拱壩實(shí)體Loft），最后以AddSectionToLoft（添加截面到體）命令向Loft 中添加Reference 參考截面，即可完成多截面實(shí)體放樣生成拱壩三維模型。

（2）施工單元的構(gòu)建與幾何參數(shù)（底面積與體積）提取。對(duì)大壩實(shí)體模型進(jìn)行實(shí)體切割操作以構(gòu)建施工單元的三維模型，然后在該三維模型對(duì)象上調(diào)用GetMeasureable 方法得到施工單元的表面積和體積等幾何參數(shù)。在進(jìn)行上述的切割操作時(shí)，可通過調(diào)用SaveAs（另存為）方法將過程中產(chǎn)生的半成品模型保存到文件，比如大壩實(shí)體的模型，及切割而成的單個(gè)壩段的模型。后續(xù)程序在用到半成品模型時(shí)，可以直接調(diào)用Open（打開）方法直接讀取中間文件，提高文件的復(fù)用性。避免重復(fù)新建模型和分割壩段的操作，提高程序的運(yùn)行效率，增強(qiáng)程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在建立好壩體三維模型和壩段參考線拉伸的平面后，調(diào)用ShapeFactory 實(shí)體工廠類中的AddNewSplit 方法，即可依次將壩體模型實(shí)體切割為單個(gè)壩段。調(diào)用AddNewSplit 方法時(shí)，需要注意根據(jù)保留部分與切平面的位置關(guān)系設(shè)定大壩保留與切除的部分。

針對(duì)單個(gè)壩段，可先根據(jù)施工單元的頂部高程和底部高程，創(chuàng)建兩個(gè)參考平面，相繼調(diào)用兩次AddNewSplit 方法，即可將單個(gè)壩段切割為一個(gè)的施工單元，最后調(diào)用GetMeasurable 方法即可求得施工單元的底面積與體積。

為實(shí)現(xiàn)算法的參數(shù)化，可將建模所需的拱壩體形、壩段分縫、施工分縫等特征參數(shù)保存在參數(shù)文件中。

（3）壩體施工單元角點(diǎn)坐標(biāo)提取。在實(shí)際拱壩工程中，需要根據(jù)設(shè)計(jì)方案提供的橫縫布置規(guī)則將壩體分割為各個(gè)壩段，單個(gè)壩段又根據(jù)水平施工縫的布置方案明確施工澆筑升程，因此可依據(jù)橫縫及澆筑倉得到施工單元。

拱壩三維實(shí)體模型建立后，模擬橫縫建立橫向分割面以切割拱壩模型得到壩段模型，針對(duì)各個(gè)壩段模擬水平施工縫建立水平分割面得到施工單元模型。因?yàn)镃ATIA 三維模型對(duì)象的復(fù)雜性，模型沒有自明的三維拓?fù)潢P(guān)系（三維模型只有邊界點(diǎn)的概念，不是所有的邊界點(diǎn)均是施工單元的角點(diǎn)），很難通過API 取得其角點(diǎn)坐標(biāo)（空間概念難以指明），所以采用根據(jù)分縫參數(shù)模擬壩段與水平施工縫的相交情況得到施工單元的角點(diǎn)坐標(biāo)（兩者的交點(diǎn)即為壩塊的角點(diǎn)坐標(biāo)）的方法。

首先根據(jù)壩體分縫參數(shù)和高程信息，以壩頂高程為控制平面，通過CreateLine 方法可以生成一系列壩段分割參考線（即橫縫），然后在各個(gè)草圖中根據(jù)壩體總高程，通過AddNewExtrude（創(chuàng)建新拉伸）方法將壩段分割參考線拉伸成平面，確保平面完全切割了壩體。通過AddNewHybridSplit（創(chuàng)建新分割曲面）命令將拉伸形成的平面依次與壩體作分割操作。

然后在水平施工縫的參考平面上通過CreateClosedCircle（創(chuàng)建閉合圓）和AddNewFill（填充平面）命令在高程平面上創(chuàng)建水平施工縫平面。通過AddNewIntersection（相交）命令即可求得水平施工縫平面與相應(yīng)壩段曲面的交線，最后調(diào)用GetMeasurable（測(cè)量）方法即可求得交點(diǎn)坐標(biāo)。

4 工程案例

某拱壩拱冠梁上、下游壩面曲線、拱冠梁厚、拱冠處曲率半徑及（擬）中心角等壩體體形參數(shù)用壩高的3 次多項(xiàng)式函數(shù)擬合［23］。壩體體形參數(shù)見表1。其中：AZ為拱冠梁上游面的y坐標(biāo)，m；TC為拱冠梁的厚度，m；Rul為上游左岸拱圈拱冠梁中心處的曲率半徑、Rur為上游右岸、Rdl為下游左岸、Rdr為下游右岸，m；φL為左拱端的（似）中心角；φR為右拱端的（似）中心角。

表1 拱壩體形參數(shù)的插值系數(shù)Tab.1 The interpolation coefficient for the arch dam body shape parameter

壩體分縫參數(shù)見表2。其中：b為分縫參考線在Y軸上的截距；θ為分縫參考線與X軸正向的角度；k為分縫參考線的斜率。

表2 拱壩壩體分縫位置參數(shù)（示例）Tab.2 Position parameters of the slit of the arch dam body

4.1 拱壩參數(shù)化建模

本工程拱壩為拋物線型雙曲拱壩，于是在繪制拱壩拱圈時(shí)，以控制高程為基準(zhǔn)，通過AddNewPlaneOffsetPt（通過偏移創(chuàng)建平面）方法可以生成一系列不同高程的草圖參考平面，然后在各個(gè)草圖中根據(jù)頂點(diǎn)坐標(biāo)、拋物線軸線矢量、焦點(diǎn)距離，通過CreateParabola（創(chuàng)建拋物線）方法就能夠準(zhǔn)確生成拋物線，以起始位置和終止位置截取所需要的拋物線段。

給定模型特征參數(shù)，以C#程序通過Automation API 調(diào)用CATIA 主體，可以快速得到拱壩骨架的三維模型。構(gòu)建好拱壩的各層拱圈模型后，即可通過多截面生成拱壩實(shí)體，拱壩的各個(gè)高程控制拱圈與實(shí)體模型如圖6。

圖6 拱壩骨架與實(shí)體模型Fig.6 Arch dam skeleton and solid model

4.2 壩體施工單元角點(diǎn)坐標(biāo)提取

根據(jù)第3 節(jié)的程序邏輯，壩體施工單元角點(diǎn)坐標(biāo)提取的各步驟效果如圖7所示。先根據(jù)壩體橫縫模型參數(shù)將壩體劃分為多個(gè)壩段，然后根據(jù)水平施工縫的高程創(chuàng)建參考平面，壩段的分割曲線與參考平面的交點(diǎn)即為施工單元角點(diǎn)坐標(biāo)。施工單元的角點(diǎn)坐標(biāo)如表3所示。

表3 施工單元角點(diǎn)坐標(biāo)（示例）mTab.3 Example of corner point coordinates for construction units

圖7 施工單元角點(diǎn)坐標(biāo)提取過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the extraction process of angular coordinates of construction units

4.3 施工單元的構(gòu)建與幾何參數(shù)提取

根據(jù)第3 節(jié)的程序邏輯，施工單元的構(gòu)建需要剖切壩體模型實(shí)體，剖切而成的單個(gè)施工單元與所有施工單元組成的整個(gè)壩體模型對(duì)比如圖8所示。提取得到的施工單元的幾何參數(shù)如表4所示。

表4 施工單元幾何參數(shù)（示例）Tab.4 Example of construction units geometry parameters

圖8 單個(gè)施工單元與壩體模型對(duì)比圖Fig.8 Comparison of individual construction units with dam model

4.4 案例分析

（1）數(shù)據(jù)處理的規(guī)模與效率。本工程案例拱壩最大壩高217.00 m，拱冠頂厚11.00 m，拱冠底厚45.00 m，頂拱上游面弧長(zhǎng)584.29 m，可構(gòu)建0.5 m 升層施工單元6 971 個(gè)。如果采用人工進(jìn)行壩體模型剖切得到施工單元并獲取參數(shù)，可能需要花費(fèi)數(shù)周時(shí)間，效率低、處理周期長(zhǎng)，且人工在剖切模型和數(shù)據(jù)處理時(shí)，很難保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。而本研究研發(fā)的程序在2 個(gè)小時(shí)內(nèi)可建立包括模型參數(shù)、建模中間變量或模型中間文件數(shù)以萬計(jì)，程序只占用15MB 左右的內(nèi)存，得到118 507 條施工單元的數(shù)據(jù)，生成1.75 GB 的模型文件。因此本研究提出的基于CATIA 二次開發(fā)的施工單元構(gòu)建及屬性參數(shù)提取方法大大縮短了拱壩施工單元構(gòu)建的時(shí)間、提高了建模與屬性參數(shù)提取的效率，而且研發(fā)的程序占用計(jì)算機(jī)資源少、可靠性強(qiáng)，可穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)用價(jià)值高。

（2）模型的重用技術(shù)。同一壩段中只需要根據(jù)施工單元的底部高程和澆筑升層劃分拱壩施工單元，也就是說，同壩段施工單元模型都源自該壩段的模型。從提高模型復(fù)用性的技術(shù)角度，在剖分得到施工單元模型時(shí)，會(huì)反復(fù)用到所處壩段的模型。如果不能復(fù)用壩段模型，那么每次在構(gòu)建施工單元模型時(shí)需要重新構(gòu)建整個(gè)大壩的模型并重新剖切，會(huì)產(chǎn)生大量重復(fù)的中間步驟，編輯歷史會(huì)保存在CATIA 的編輯堆棧中，大大降低處理效率，浪費(fèi)大量計(jì)算資源，使程序運(yùn)行時(shí)間成倍增加。進(jìn)一步的，在CATIA 中保留過多的模型編輯歷史，將直接影響程序的穩(wěn)定性。未重用壩段模型的情況下，程序運(yùn)行4 h 即會(huì)由于編輯堆棧溢出導(dǎo)致程序崩潰，重啟程序后，程序總運(yùn)行時(shí)間將長(zhǎng)達(dá)14 h。

（3）本方法的參數(shù)化和適應(yīng)性。本研究提出的方法是參數(shù)化的，改變建模參數(shù)，包括拱冠處的曲率、控制高程、（似）中心角的角度等，即可建立相應(yīng)的其他拋物線型雙曲拱壩模型。本文的工程案例中雖然給出的是拋物線型雙曲拱壩，但是即使是其他曲線的拱壩壩體，在建模和壩體施工單元的構(gòu)建邏輯上也是大同小異的?；贑ATIA 出色的曲面建模能力，針對(duì)不同線型的拱壩方程，對(duì)程序的參數(shù)條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可將本程序推廣至其他類型的拱壩。

同時(shí)，利用CATIA 平臺(tái)提供的幾何信息提取能力，可以規(guī)避各種大壩體形和剖分方式帶來的異形幾何體提取的方法差異。不論是拋物線，還是橢圓構(gòu)成的施工單元邊界，在CATIA中求取其面積都是一樣的。而如果要根據(jù)拱圈類型設(shè)計(jì)其幾何信息求取算法，情況會(huì)復(fù)雜得多。

進(jìn)一步的，本文提出的施工單元剖分方法也可以在現(xiàn)有大壩模型的基礎(chǔ)上單獨(dú)工作，通過代入預(yù)先建立的復(fù)雜壩體模型（帶孔洞等結(jié)構(gòu)的完整壩體模型或重力壩的三維體形），剖切得到施工單元及其參數(shù)。

因此本方法具有優(yōu)良的工程適應(yīng)性，可在大多數(shù)的施工單元建模過程中應(yīng)用。

5 結(jié)語

針對(duì)水電工程拱壩壩體體形復(fù)雜，難以構(gòu)建壩體施工單元的模型并獲取施工單元屬性參數(shù)等問題，基于CATIA 二次開發(fā)，本文提出了參數(shù)化的拱壩三維建模及施工單元屬性參數(shù)快速批量提取的方法?；贑ATIA 的Automation API 接口，與C#語言簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確、強(qiáng)類型規(guī)范和豐富的庫相結(jié)合，高效、準(zhǔn)確地完成了拱壩拱圈和三維模型的構(gòu)建；再通過多截面實(shí)體、相交、分割等命令和布爾運(yùn)算依次構(gòu)建生成壩體整體和施工單元模型，進(jìn)而取得施工單元的幾何體形參數(shù)。本研究可針對(duì)拱壩體形、拱壩施工方案與施工進(jìn)度情況動(dòng)態(tài)更新施工單元模型及其屬性參數(shù)，極大的提高了傳統(tǒng)人工處理的效率，為施工仿真和施工進(jìn)度管理提供了有力支持。同時(shí)也為進(jìn)一步結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，確定拱壩的受力條件與施工進(jìn)度的合理性提供了基礎(chǔ)。本研究成果是大壩BIM 快速建模、施工過程可視化等方面的基礎(chǔ)技術(shù)。