三维协同设计在设计院的应用

周 杰

（吉林省水利水电勘测设计研究院 吉林长春 130021）

1 概述

随着现代产品开发技术向数字化、智能化、集成化和知识化的方向发展，水电工程现有的二维CAD技术、产品管理技术、设计资源管理技术、知识管理方法等正面临着巨大挑战，造成现有工具级的CAD技术存在如下问题：

（1）智能化程度低，只是发挥着电子图板的作用；

（2）信息分散，不能实现信息的集成和有效共享；

（3）知识管理和表达适应能力差；

（4）不具备关联和协同能力；

（5）缺乏基于知识的产品设计环境。

三维设计是工程设计的必然趋势，三维技术在机械、电子、航空、航天以及建筑等部门得到广泛的应用。把三维设计应用到水利工程上,可以实现真正意义上的工程方案优化及多方案的比较,对于提高工程的技术指标和品质、降低工程造价、缩短设计周期、提高设计质量均可以起到重要作用。

三维设计比二维设计有许多优势，除了三维表达直观，所见即所得。三维协同设计具有骨架设计、参数化建模、关联设计、标准化模板技术等关键性技术，极大的提高了设计效率。有效的发现和解决水电设计的错、漏、碰等问题。统一的数据源为多专业协同设计及设计成果管理提供了便利。合理的人员及权限定制，为设校审提供了保障。三维设计的这些优点，更适合于水利水电多专业间的多方案设计。

在国内，以中国水电顾问集团成都勘测设计研究院为代表的大型设计院率先引进了CATIA+VPM 三维协同设计系统。我院开启了省级水利设计院的三维设计先河，于2009年引进CATIA+VPM 三维协同设计平台，结合我院的特色，成立了三维协同设计小组。三维协同设计小组不脱离生产，而是结合生产使用并研究、开发完善CATIA+VPM三维协同设计平台，目前已经取得了一定的成绩，在省级设计院中处于领先地位。

2 基于CATIA+VPM三维协同设计平台简介

CATIA是法国于1975年起开始发展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件，它的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析和人机交换等实用模块。

CATIA不但能够保证企业内部设计部门之间的协同设计功能，而且还可以提供企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案。CATIA支持复杂曲面造型和复杂装配。CATIA与ANSYS之间有非常好的接口，为复杂有限元分析提供了较好的平台。

达索系统的 PLM解决方案目前已经成功应用于全球水利水电行业。加拿大魁北克水电公司、全球知名水电设备制造商 VOITH SIEMENS公司等都选择了达索系统的 PLM解决方案实现水电站以及相关设备的三维设计、数字化建设施工及维护的全生命周期管理。

图1 六里崴水电站厂房专业骨架图

3 CATIA在水利水电设计中的关键技术

骨架设计、参数化建模、关联设计及知识模板技术是三维协同设计的技术基础和精髓。

3.1 骨架设计方法

传统计算机辅助设计大多采用自下而上的设计思路，其设计过程是建立在几何建模的基础上，依靠零件实体造型先期设计出产品装配体中的各零部件，再进行各零部件的装配组装成产品。在产品装配完成后零部件的结构尺寸及与产品的配置关系和约束关系不便于修改和更新，使自动装配难以进行。

CATIA三维设计采用自顶向下的设计思路，为使产品具有联动修改效应，在修改、变更中自动维护产品数据的一致性。将知识工程、参数化特征造型融入到自顶向下的设计中，因此建立基于知识驱动的在骨架模型基础上来实现产品的设计与自动装配。

以水电站设计为例，首先按照工程部位建立总骨架，各个专业进行设计的时候。引用总骨架元素定义专业骨架。具体专业细部结构设计时，引用专业骨架发布元素进行定位。如图1为六里崴水电站厂房专业骨架，定义了桩号、高程、机组中心线等骨架元素。厂房细部结构设计时，引用骨架元素。整个厂房结构都随着骨架的更新而自动更新。

3.2 参数化建模

参数化设计的基本思想是以约束来表达产品模型的形状特征，通过从模型中一些主要的定形、定位或装配尺寸作为自定义变量，修改这些变量的同时由一些公式计算出并变动其他相关尺寸，从而方便地创建一系列形状相似的零件。这种用尺寸驱动、修改图形的功能为初始产品设计、产品建模、修改系列产品设计提供了有效的手段，能够满足设计具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品及相关工艺设备的需要。

参数化建模的优点是对设计人员的初始设计要求低，无需精确绘图，只需勾绘草图，然后可通过适当的约束得到所需精确图形；便于编辑、修改，能满足反复设计的需要。

图2为我院水机专业设计的闸阀。通过约束使模型与参数关联。参数与电子表格关联，修改电子表格使参数变化，模型自动更新。通过定义相关的参数，能够方便的通过修改参数快速设计相似闸阀。

图2 水机专业闸阀参数化模型图

3.3 知识模板技术

利用CATIA V5的知识工程功能。可以将我院智能资源以知识模板的方式，快速运用于新的设计，从而大幅提升设计效率，并提高设计质量。

CATIA知识工程是将一些诸如经验公式、分析算法、优化计算、条件控制等智能知识打包到一个盒子中．只留出几个条件输入参数接口。设计人员在进行设计时。不需要关心盒子中到底有哪些内容．而只需要知道目标模型所属的类型及确定目标模型具体细节的关键几个输入参数即可。调用模型时，通过输入参数，调用打包在模型内部的一系列计算公式及判断条件，自动进行一系列的内部运算与调整，快速生成符合设计要求的几何模型。

运用该项技术特点，我院建立了适合各个专业的知识工程模板库。例如水工模板库中厂房模板、坝工模板、引水洞模板、机电模库等，被大量运用到三维设计中。

4 我院多专业协同设计展示

4.1 地质专业

CATIA拥有实体和曲面及MESH网格面相结合的强大造型设计能力，使地质主动模型设计得以实现，减少修改带来的重复工作量，提高设计效率和质量。

借助 CATIA地质模块，中部供水项目全线110公里地质成果全部由CATIA软件完成。

图3为其中的30公里段地质成果。

图3 地质成果图

图4 六里崴水电站水工模型图

图5 施工围堰、导流洞模型图

4.2 水工专业

借助 CATIA的骨架设计、参数化建模、关联设计及知识模板等关键技术，水工模型建立变的更加便捷，见图4。

4.3 施工专业

利用 CATIA参数化建模及知识工程模板，可快速完成施工围堰、导流洞等模型建立。见图5。

4.4 水机专业

在水机专业，由于不需要单个零件进行加工图设计，因此将标准件的几何细节忽略。对设备的属性参数信息却非常关心。所以大量应用CATIA知识工程这一优点，将众多设备用电子表格驱动。这样建立的水机库，具有数据量小，方便查询与计算，方便布置等特点。

水机库环境系统的建立，实现了数据共享，为解决水机专业中大量标准件的建立与使用提供了一条有效的途径，可较大地提高设计效率，见图6。

4.5 电气专业

与水机专业相似，电气专业不需要对设备的细节进行设计。电气设计比较关心设备的布放。通过CATIA建立电气专业零件库、桥架/支架库，并方便的调用这些设备。通过 CATIA装备可以方便的检查干涉以及碰撞，从而方便地和其他专业协同，见图7。

4.6 金结专业

我院的金属结构专业的三维设计主要是通过不断建立和补充金结零件库，并在实际工程中完善和调用金结零件库。实际应用表明，整个零件库的创建和调用过程简单，操作方便。通过使用零件库，对减轻设计人员的设计工作量、缩短设计周期具有重要的作用。

图6 厂房水机专业模型图

图7 厂房电站设备模型图

图8为我院金结专业设计的闸门。通过调用库中各个部件，组建成完整的闸门。

5 二维工程图设计

二维工程图是三维协同设计的一个重要组成部分，虽然无纸设计是以后的发展方向，但在短期内还是无法普及这种生产方式，所以工程图还是与施工单位和生产部门交流的重要工具。施工单位从二维工程图中了解到设计者对零件的所有要求。

CATIA的工程图模块drafting提供了两种生成工程图的方式：创成式工程绘图和交互式工程绘图。创成式工程绘图可以很方便地从三维零件和装配件生成相关联的图纸，包括平面图、剖视图、剖面图、局部放大图、轴测图。我院通过对二维图标准文件的定制以及创成式视图样式的定制，可以快速方便的绘制水利二维图。由于传统二维图很多标注习惯以及样式在CATIA软件中无法直接实现。我们通过二次开发实现了高程、桩号、图框等的快速绘制。

由于二维工程图是与三维模型相关联的。当方案变更了以后，无需重新绘制二维图。二维图纸随着三维模型的更新自动更新。从而大大的提高了设计效率。

6 VPM协同设计平台

协同设计一般分为传统的文件级协同以及特征级的深层协同，VPM 协同设计平台提供了特征级的深层协同。他具有以下特点：

（1）设计环境不再孤立，设计人员基于统一的在线设计环境，可以随时查看具有权限的任意工程数据以及在设计环境下参考引用的其他专业的数据；

（2）参考设计时，不需要将其他数据拷贝，以免造成数据冗余，而是采用发布参考的机制。当被引用的数据发生变更后，本专业数据及时自动更新，这样，不仅保证了参考环境和关联对象的唯一性，也保证了引用数据的有效性；

（3）通过 VPM协同设计平台可以进行水电行业标准的设校审流程，也可以对设计流程进行定制。

7 3DVIA composer在设计过程中的应用

设计研发最繁琐的工作，莫过于设计进行中及完成后所需递交的技术文件报告。为了解决这个棘手的问题，我院利用了3DVIA Composer文件发布系统，结合绘图者最想改善的速度问题，并加上支持3D同步变更的优势，大幅度降低了复3D的设计更新。可以整合图片、Office文件、PDFSDHTML网页格式的各种规格，产生的编排布局规格变化，客户可由开放客制化的工具自行编排。

8 CATIA CAA二次开发

CATIA在水利水电行业的应用过程中，体现出了一些在该行业中不成熟的地方，例如在二维出图规范方面的功能性差异，在钢筋图功能性方面的欠缺。因此，利用CATIA CAA二次开发功能，我们做了相应的开发。值得一提的是，目前国内很多水利设计院都在进行三维钢筋图辅助设计系统的开发，吉林院自主研发了钢筋图辅助设计系统，目前已经完成第二阶段的工作。