CATIA在隧道模型设计中的应用研究

高勇强

(重庆交通大学 重庆 400074)

CATIA在隧道模型设计中的应用研究

高勇强

(重庆交通大学 重庆 400074)

随着计算机技术和现代工业的飞速进步，CADCAMCAE正经历着由二维设计技术向三维设计技术的发展，三维CAD技术符合人的设计思维习惯。目前，在隧道设计领域也正在尝试改变传统的二维设计，采用建筑信息模型技术进行三维设计。因此本文采用当前世界主流的CADCAMCAE一体化软件CATIA，进行隧道三维建模设计，文章通过对CATIA各个功能模块在隧道模型设计中详细应用的探讨，证明了计算机辅助设计软件CATIA在隧道三维模型设计中有很好的发展方向。

计算机辅助设计；CATIA；隧道工程；三维建模

1 引言

CATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application的简称，它是由法国著名航空航天企业 Dassault Aviation和 IBM 公司共同打造的CAD/CAE/CAM一体化软件,它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，在计算机辅助设计领域处于领导地位[1]。在CATIA V5中，它具有丰富而完善的设计模块，可以对产品开发过程的各个方面进行设计和仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。由于 CATIA V5内的设计功能主要是针对机械产品的设计，并没有工程建设的模块，但根据本文的研究内容，隧道三维模型设计可以看做是模块化零部件的建立过程，因此本文采用CATIA来进行隧道模型的设计。

2 隧道模型设计的特点

在隧道工程建设中，隧道结构主要包括洞身和洞门。按施工分部进行划分，洞身( 暗洞) 分为超前支护、初期支护、二次衬砌和沟槽4 部分，共包含30 余个结构模型[2]。因此隧道模型的设计，可以通过模块化理论和相似性理论，将隧道的各个子结构设计出来，如果设计中有大量的数据支撑还可建立一个零件库，通过调用库零件便可快速的完成模型建立，这类似一个搭积木的过程，将单个的模型通过相关命令，不断的搭建起来，组成想要的模型，这种方法方便快捷，大大缩短了设计周期。

2.1 模块化设计理论

所谓模块化设计，就是指为完成一个完整的结构设计，将整个结构从最基础的部分划分为结构简单且无多余的组合关系的部件，它具有多种属性，能够反映出整体结构的内部特性。划分出来的每一个模块都有自身独特的子功能，这些模块必须要按照某种特定的关系组合起来，才能完成整个结构所要达到的设计结果，不同模块的不同组合关系又能设计出新的结构模型，以满足设计人员具体功能要求。模块化设计其目的主要是为了降低结构设计的复杂性，使整个设计过程变得清晰，子模块的设计更加简单方便。在结构设计过程中，子模块是可以组合、拆解和更换的单元，这样不仅可以使设计过程效率提高，完成的子模块更易修改、保存，并在以后的设计中重复使用，大大减轻了设计人员的劳动力，缩短了设计周期。

3 CATIA功能模块在设计中的应用

3.1 Part Design零件设计模块

在CATIA的零件设计模块中，它主要包含了二维草图设计环境和三维实体生成平台。用户需要首先在二维平面上绘制草图图形，然后再利用三维环境中的功能将草图生成为三维实体[3]。草图是零件设计的基础，它包含了三维实体特征的大体轮廓以及整个设计的最初概念。草图质量的优劣决定了三维实体特征结构设计的合理与否，因此，在设计过程中起着十分重要的作用。

3.1.1 参数化的零件设计

作为功能全面的设计软件CATIA V5为用户提供了一种快速便捷的设计方式——参数化建模，用户可通过定义特征、 公式、 规则和检查，产生 Parameters（参数）、Design Tables（设计表）、formulas（方程）、checks（检查）以及rules（规划）等知识对象。这些工具可以对产品设计实施参数化，利用企业积累的设计规范或标准对产品设计进行智能检查、实现设计标准和三维几何模型的统一的集成化和智能化，从而有利于企业产品知识的继承和积累，对企业新产品的开发大有裨益。如图1

图.1 隧道衬砌参数化二维草图

图.2隧道衬砌三维实体模型

3.2 Assembly Design装配设计模块

装配设计的作用是表达产品或部件的结构形状、装配关系、工作原理和技术要求等，是进行设计、安装、检查、使用和维护的重要阶段。CATIA V5装配设计模块可以方便的定义零部件之间的约束关系，实现零件的自动定位，并检查装配件之间的一致性。另外，装配设计中很多属性和设置可以为将来制作装配工程图做好准备。基于装配设计的上述优势，可将在零件设计模块中做好的隧道模型，通过装配约束命令如相合、接触和移动等组装成如图3所示的整体模型。

3.2.1 结构树的命名与排序

在装配模式中还可将装配结构树重新命名和排序，这样不仅使产品结构清晰，还能清楚的反应出添加部件的详细信息，杜绝零件编号重复出现，有利于数据的管理和查询[4]。具体信息如图4。

图3 隧道三维实体装配模型

图4 结构树命名特征

3.3 Generative Drafting工程图模块

工程制图是CATIA设计模块必不可少的一个功能，它能自动生成多个与传统的二维设计一样的工程图，用于其他参与方的使用CATIA的工程图设计模块由创成式工程绘图（GDR）和交互式工程绘图（ID1）组成。创成式工程绘图可以很方便的从三维零件和装配件生成相关联的工程图纸，包括各向视图、剖面图、轴测图；尺寸可自动标注，也可手动标注；生成企业标准的图纸。其输出格式有CAD通用的DXF和DWG文件，如此便于在各平台进行信息交流。CATIA V5工程图模块与传统二维制图的最大区别就在于图中所表现的结构特点是与三维模型相互关联的，它是在已完成的三维模型的基础上通过必要的编辑和处理等再加工得来，具有独立的设计流程和知识体系。隧道三维实体装配设计的产品所生成的工程图如图5。

图5 二维工程图模块

4 结束语

本文通过对CATIA零件设计、装配设计、工程绘图以及知识工程等建模功能的详细介绍，并结合在隧道工程设计中的应用，验证了 CADCAMCAE一体化软件设计在工程建设领域的具有广阔的前景，能让个人和企业在工程设计中提高设计质量、设计效率，缩短设计周期，提高后期运营和管理的水平。因此，三维一体化设计在未来的工程发展中具有重要作用。

[1]李学志，李若松.CATIA实用教程[M].清华大学出版社，2005.

[2]王志杰，马安震.BIM技术在铁路隧道设计中的应用[J].施工技术，2015,18（44）：59-63.

[3]李成.CATIA从入门到精通[M].人民邮电出版社，2010.

[4]冯川，廖勇.基于CATIA的BIM在简支T型桥梁上的应用[J].土木建筑工程信息技术，2015,2（7）：14-19.

TU7

B

1007-6344（2016）07-0105-02