基于CATIA三维设计软件的料场开采设计方法

王勇胜，张伟锋(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

料场开采规划是施工组织设计中的重要内容，如何快速、精确地获得料场开采参数一直困扰着工程设计人员。在料场开采的设计过程中，需要多次进行料场比选和调整工作，而对于每一种方案都需计算其料场开采量，获得一系列的料场开采参数[1]。传统的设计计算方法主要是“剖面法”，通过在二维的地形图中切多个剖面估算料场开采量，进行方案设计调整。该方法计算工作量较大，设计效率和精度偏低，后期调整需重新切剖面，方法耗时费力，严重制约设计工作效率。而采用基于CATIA软件的料场开采设计方法可以克服上述缺点，不但能直观形象地展示出料场开挖的最终面貌，而且可以快捷地得到料场开采量、料场开口线位置、边坡高度、占地范围及面积等一系列设计参数，同时其设计的计算精度也大大提高。

CATIA软件是法国达索公司开发的CAD/CAE/CAM商业软件系统，因其具备强大的地形曲面处理和三维参数化造型功能，已广泛应用于航空、航天和汽车制造等行业，但在水电工程中的应用尚处于起步阶段[2]。本文结合某水利水电工程料场开采设计，基于CATIA 软件建立起三维地形面，通过放坡面与终采面控制点坐标建立智能关联，实现料场开采区域的三维动态化设计。即当料场开采量发生变化时，可通过调整终采面的控制点坐标快速实现料场开挖三维设计实体的动态修改，直到方案满足工程设计要求为止。

1 方法设计流程

(1)首先收集料场开采设计的基础资料以及前期规划设计成果。如料场开采的位置、范围、规模、开采边坡坡比及料场的规划开采量等资料。

(2)基于Catia设计软件建立三维地形面。根据收集的工程地形资料，运用“DtoA.exe”程序将地形高程点及等高线数据转换成*.asc格式的点云数据[3]。利用CATIA软件中DSE模块下的“IMPORT”生成点云，再运用“mesh creation”生成mesh面，最终建立起可进行布尔运算的三维地形面。

(3)建立料场开挖放坡面。初步拟定料场开采边坡坡比、终采平台面高程及控制点坐标等设计参数；在Catia的“零件设计”模块中，通过终采平台的控制点坐标建立终采平面轮廓，运用成都院开发的“Slopesmart边坡设计”插件进行放坡，将放坡线与拟定的终采平台控制点进行智能关联，生成料场开挖放坡面。

(4)进行布尔运算，建立料场开挖三维实体。在“创成式外形设计”模块中，运用分割和修剪命令对三维地形面和料场放坡面进行运算，得到料场开挖面；再利用封闭曲面命令，将料场开挖面生成三维实体。

(5)料场开采动态调整设计。运用Catia中的“测量”工具，获得料场开采量、占地面积、最大开挖边坡高度等设计参数。若获得的设计参数不满足设计要求，调整终采平台的控制点坐标或终采平台高程，料场开采三维实体随之动态更新，再次运用“测量”工具查看料场开采的设计参数是否满足设计要求。

2 工程应用

某水利水电工程料场位于坝址上游左岸北沟沟口，分布高程约3 000～3 580 m，属高中山地貌，平面面积约90 万m2，地表自然坡度一般40°～50°。该料场岩性主要为片麻岩，仅在低高程有少量角闪岩，风化不强烈，岩质坚硬，试验指标片麻岩和角闪岩均满足堆石料原岩质量要求。弱风化-微新岩体可作为有用层，厚度一般400～800 m，初估有用层储量约15 400 万m3，该料场的规划开采量约10 100 万m3。

2.1 生成三维地形面

根据收集的工程地形资料，运用“DtoA.exe”程序将cad的地形高程点及等高线数据转换成*.asc格式的点云数据，转换时注意坐标的初始值。利用CATIA软件中DSE模块下的“IMPORT”生成点云，再运用“mesh creation”生成mesh面，生成的料场开采区域三维地形面如图1所示。

2.2 建立料场开挖放坡面

初步拟定料场开采边坡坡比、终采平台面高程及控制点坐标等设计参数，并在Catia“零件设计”模块中，以拟定的终采平台控制点坐标建立料场终采平台的轮廓线[见图2(a)]，利用Slopesmart边坡设计插件进行放坡线设计[见图2(b)]，为了便于后期进行边坡的调整，将放坡线与料场的终采平面控制点进行智能关联，再将放坡面与终采面接合[见图2(c)]，生成料场开挖放坡面。

图2 生成料场开挖放坡面

2.3 生成料场开挖三维实体

在Catia“创成式外形设计” 模块中，运用分割和修剪命令对三维地形面和料场开挖面进行运算，得到料场开挖面；再利用封闭曲面命令，将料场开挖面生成料场开挖三维实体(见图3)。

图3 料场开挖三维实体

2.4 料场开挖设计的动态调整

运用Catia中的“测量”工具，获得料场开采量、占地面积及最大开挖边坡高度等设计参数。若获得的设计参数不满足设计要求，需调整终采平台的控制点坐标或平台高程。由于将料场的终采平面控制点与放坡线进行智能关联，故料场开采三维实体随之动态更新，设计人员无需从头开始重复以前的工作，这样能够节省大量的时间、减少设计工作量[4,5]，大大提高了设计工作效率。通过数次终采平台的控制点坐标和平台高程的调整，得到满足工程设计要求的料场规划。料场开采成果全貌如图4所示，相应的料场开采参数输出如图5所示。

图4 料场开采成果全貌

3 结 语

本文依托某水电工程料场开采设计，基于CATIA三维设计软件生成三维地形面，利用Slopesmart边坡设计插件快速生成料场的开挖放坡面，通过将放坡面与终采面的控制点坐标建立智能关联，实现料场开采区域的三维动态化设计。该方法不但克服了传统切剖面法工作效率低、精度差的不足，而且实现了料场开采的参数可视化设计，并快速获得料场规划开采量、征地面积及最大边坡高度等设计参数，明显提高了其计算精度和设计效率。同时，该方法也成功运用于施工组织设计中的场地规划和渣场调整设计中。

图5 料场开采参数输出

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[1] 黄少华，万 军，王进丰.CATIA软件在道路三维动态规划设计中的应用[J].人民长江,2014,45(14):61-63.

[2] 张治军，陈敦科，苏利军，等.基于CATIA平台的水电工程料场开采三维设计[J]．人民长江，2012，43(19):20-22.

[3] 蔺志刚, 王大川, 王 陆,等. CATIA在水工隧洞三维设计中的应用[J]．人民黄河，2011，33(5):143-144.

[4] 王秋明，胡瑞华．基于CATIA的三维地质建模关键技术研究[J]．人民长江，2011，42(22):76-78.

[5] 王进丰，李小帅，傅尤杰．CATIA软件在水电工程三维协同设计中的应用[J]．人民长江，2009，40(4):68-70.