基于CATIA平台的重力坝三维一体化设计

李 梦，贾新会

（西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

基于CATIA平台的重力坝三维一体化设计

李 梦，贾新会

（西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

主要探讨基于 CATIA 平台进行重力坝的三维一体化设计，依托二次开发等手段，将三维自动化设计贯穿于重力坝坝顶高程和稳定应力计算、开挖、基本体型、分缝，以及廊道、防浪墙细部等设计全过程，设计人员可以快速实现整个重力坝设计过程，一体化设计采用全参数化管理，坝址、坝轴线、坝段布置、尺寸断面等可调整，设计成果快速更改，程序化设计降低人为错误的发生概率，提高重力坝设计效率，尤其适用于可研及以前设计阶段，极大降低由于方案调整等带来的繁重重复性工作。

三维设计；CATIA；一体化设计；参数化

重力坝是一种古老的坝型，由于其结构简单、施工方便、安全度高，因此在水电工程中应用广泛，成为当前坝工设计中比较重要的坝型之一[1-2]。重力坝工程设计的方案优劣、水平高低及周期长短都直接影响着工程建设的质量和投资[3]。传统的水利水电工程设计中采用的是二维设计手段，在设计过程中存在设计方案表达不直观、计算工作量大、设计调整困难、容易发生错误等问题，随着市场竞争的日益激烈，对工程设计质量、效率的要求越来越高，传统的设计手段无法有效地解决这些问题[4]，而三维设计不但可以实现真正意义上设计方案的优化及多方案比选，而且对于提高设计质量、降低工程造价、减少设计错误、缩短设计周期等方面也起到至关重要的作用，所以三维设计在水利行业的广泛应用是发展的必然趋势[5-6]。

CATIA 是 CAD／CAE／CAM 一体化软件[7]。CATIA 三维设计软件具有强大的曲面处理能力、参数化设计功能，并提供多种方式的二次开发接口，以便用户进行二次开发工作。

提出重力坝一体化设计，基于 CATIA 平台将三维自动化手段贯穿于整个重力设计中，从坝顶高程及稳定应力计算，重力坝开挖、断面、分缝廊道和防浪墙设计等方面实现重力坝一体化设计。

1 重力坝一体化设计内容

1.1 重力坝一体化设计流程

1）坝体断面设计。重力坝断面设计基于 CATIA平台的知识工程[8]功能实现，依据 DL 5108—1999《混凝土重力坝设计规范》[9]中规定的坝体断面设计的要求，结合实际的重力坝设计经验进行各种类型的重力坝断面模板设计。重力坝坝体断面模板设计采用全参数化驱动，根据需要调用混凝土重力坝的模板，可以更改模板中所有相关参数。

2）坝顶高程及稳定应力计算。根据现行重力坝规范及 DL 5077—1997《水工建筑物荷载设计规程》[10]中相关公式，结合设计人员计算习惯，基于CATIA 平台进行“坝顶高程及稳定应力计算”的程序开发，通过作用效应与抗滑稳定抗力的计算求解坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态。该程序坝顶高程的计算结果可以与抗滑稳定应力计算及三维模型相关联，可以通过坝顶高程计算结果拟定最终选用的高程值。计算前处理简洁，后处理成果全面，符合设计人员日常习惯，计算结果可分工作表输出至 Excel，方便用户保存使用，如图 1 所示。

3）重力坝分缝设计、廊道、防浪墙等细部设计。在重力坝一体化设计中，重力坝分缝、廊道、防浪墙等细部设计基于 CATIA 平台的知识工程功能实现，根据规范并结合设计经验，制作各类型全参数化细部设计模板。

图 1 重力坝坝顶高程及稳定应力计算程序

重力坝分缝设计模板应用中设计人员只需要依次输入重力坝各缝间距离及此距离的缝数即可，重力坝缝面将自动生成，例如，重力坝有 21 个坝段，可以依据输入条件一次性生成中间 20 个缝面，并可根据参数更改。

廊道和防浪墙设计模板应用中设计人员需要输入廊道、防浪墙的扫掠线、控制点等输入条件，实现廊道和防浪墙等模型的快速制作。

4）重力坝开挖设计。重力坝开挖设计是重力坝设计中较复杂的部分，以往二维开挖设计并不能直观表达开挖形式，开挖量计算困难，方案修改调整不便等。三维设计中可以实现开挖设计的直观化，但开挖面模型复杂，耗时耗力。为此，基于 CATIA平台进行重力坝开挖面程序的二次开发，开挖面仅由 1 个 Excel 表驱动开挖程序，表格中包含建基面轮廓、左岸坝肩槽、右岸坝肩槽、上下游开挖、坝顶以上开挖面等数据资料，通过程序生成重力坝开挖面并可自动算量，可以使设计人员摆脱繁重的开挖面设计、开挖量计算等。

重力坝开挖设计程序充分考虑地质因素，可以利用三维地质模型的可视化特点依据不同地质条件设置建基面位置、坡比、贴脚、坝肩槽角度等，实际应用性极强。

1.2 重力坝一体化设计功能

重力坝一体化设计功能框图如图 2 所示。

1.3 重力坝一体化设计复核

重力坝一体化设计整体成果准确性已通过功果桥、鲁地拉等重力坝工程计算得到验证。一体化设计中各独立的成果均经过多项目反复比对计算，通过复核结果证明程序准确，适用性高。其中，坝顶高程及稳定应力计算程序已经取得《中华人民共和国国家版权局计算机软件著作权登记证书》。

2 重力坝一体化设计特点

1）自动化程度高。重力坝一体化设计最大的亮点就是程序自动化，其中重力坝开挖设计、坝顶高程及稳定应力计算为基于 CATIA 二次开发的独立程序，重力坝断面、分缝、廊道和防浪墙等设计为应用软件知识工程功能生成的模板，以上内容自动化应用程度高，设计人员只需要梳理好自己的设计思想，输入原始的设计数据，可以依次调用各阶段模板或依据程序进行计算。

2）复杂地质条件应用。地质条件是重力坝设计中非常关键的影响因素，重力坝一体化设计中开挖设计环节充分考虑地质条件的影响，在实际工程应用中利用 CATIA 软件建立具有各风化层的地质模型，模型可进行任意断面剖切，在重力坝坝轴线处进行地质模型的剖切，能够清楚地看到各地层分界线的位置，可以依据 DL 5108—1999《混凝土重力坝设计规范》[3]中规定的重力坝建基面标准在具有地层分界线的背景上直接勾画重力坝建基面线，并在重力坝开挖设计程序读取的 Excel 中填写合理的坡比等必要的数值，直接生成重力坝开挖面，满足重力坝对地质条件的应用需求。

图 2 重力坝一体化设计功能框图

3）便于调整。这也是程序化设计的优点，尤其是水电工程的坝址及坝轴线调整，模型可以随之更改，同时，由于程序化自动完成，各个内容均可以通过更改输入数据，模型及计算结果自动生成，减少了因为方案更改而重复性的工作，降低了发生低级错误的概率，极大提高了重力坝的设计效率。

3 重力坝一体化设计关键技术

1）重力坝一体化设计应满足各形式需求。重力坝一体化设计中包括断面、分缝、廊道和防浪墙等体型设计，坝顶高程及稳定应力计算也与重力坝体型设计相关。重力坝体型形式繁多，包括各材料分区形式，上游坝面直立或斜坡、下游弧段或直线连接、有无牛腿、有无齿墙等多种断面形式，分缝、廊道和防浪墙设计等模板也应综合考虑各种常见形式，本重力坝一体化设计中充分利用三维设计的程序化、参数化特性，满足一般重力坝设计需求。

此外，重力坝开挖设计程序需依据不同地质条件设置建基面位置、坡比、贴脚、坝肩槽角度等，适应性强，可用范围广。

2）一体化设计流程全面，满足规范要求。重力坝一体化设计包括从重力坝的断面设计、坝顶高程及稳定应力计算、开挖设计、分缝设计、廊道、防浪墙等细部设计等常规重力坝设计的主要流程，所有设计内容必须满足相关现行规范，保证设计计算的准确性。程序将所有计算过程封装，避免了人为错误。

3）地震工况下抗滑稳定计算。常规地震工况下的重力坝抗滑稳定计算比较复杂，需要应用条分法将坝体断面分成多条，手算每条质心、面积等，再应用公式求解地震力，计算量大，且容易出错。重力坝一体化设计中应能够将条分原理、地震力计算等公式都依据一定方式赋予至程序内部重力坝模型中，保证地震工况下抗滑稳定系数的准确计算。

4）重力坝一体化设计各环节应用灵活方便。各环节既是整体的，也是独立的，串联起来是整体的一体化设计，其中相关模板或程序都是独立的，可以根据各项目需求不同分开或结合使用。

4 重力坝一体化设计实例

4.1 工程概况

以某水电站为例介绍重力坝一体化设计，该工程是以发电为主，正常蓄水位 3 078.00 m 时，相应水库库容 1.21 亿m3。工程规模为二等大（2）型，枢纽主要建筑物（挡水建筑物、泄水建筑物、发电引水建筑物及电站厂房等）级别为 2 级。

4.2 重力坝一体化设计应用

1）坝顶高程计算。将坝址区地形建模，并确定坝轴线位置，在三维模型中表达，这些内容为整个工程的控制性元素。

根据水位情况、坝址区吹程风速等计算坝顶高程，坝顶高程依据“三维设计重力坝坝顶高程及抗滑稳定应力计算软件”计算。

软件依据莆田、鹤地和官厅 3 种公式计算坝顶高程，选取合适该工程的官厅公式计算结果为坝顶高程选取参考值，官厅公式计算坝顶高程结果3 081.40 m，考虑到坝顶防浪墙高等，最终选择坝顶高程为 3 081.00 m。

2）重力坝断面拟定及稳定应力计算。参考国内类似工程，结合工程地质条件，初拟坝体基本三角形断面为坝顶高程为 3 081.00 m，河床建基面高程为 2 957.00 m，上游坡为垂直坡，下游坝坡为 1∶0.75，起坡点高程为 3 081.00 m，坝顶宽为 12 m。

根据拟定的断面，依据“三维设计重力坝坝顶高程及抗滑稳定应力计算软件”计算典型断面的稳定应力，如图 3 所示。

图 3 重力坝稳定计算程序

软件可以输入断面尺寸，快速直观进行稳定应力计算，通过计算可知，断面满足规范中稳定及应力要求。

3）重力坝开挖一体化设计。设计人员将建基面轮廓、左岸坝肩槽、右岸坝肩槽、上下游开挖、坝顶以上开挖面、坝顶以上开挖面等开挖面参数按照格式要求填入 Execl 表格中，点击“创建开挖面应用程序”调用已准备完成的 Execl 表格，将自动生成左岸坝肩槽、右岸坝肩槽、上游、下游、左岸坝顶以上、右岸坝顶以上等开挖面，直观且效率高，提高开挖量计算及开挖面设计的工作效率，如图 4 所示。

4）重力坝细部设计。考虑到规范中重力坝分缝相应规定，以及溢流坝段闸墩、孔口尺寸等，布置混凝土坝分缝，确定好坝缝间距后可以直接应用重力坝分缝模板，设计人员直接填写各缝间距及相应缝数，即可一次性自动生成所有缝面，并可进行参数更改，如图 5a 所示。

按照规范中对重力坝廊道、防浪墙等的相关规定，并综合考虑全面布置等，布置廊道及防浪墙，设计人员只需要确定廊道的中心线及防浪墙的控制点等元素，廊道及防浪墙等可以通过模板快速生成，如图 5b 所示。

图 4 重力坝开挖设计程序

图 5 重力坝细部设计

4.3 设计方案变更

程序自动化本身的优势就在于参数化，即变更调整方便，上至整个方案的变更，如坝轴线调整，端点调整，坝段更改等，下至某个马道宽度或者坡度等，都可以通过参数快速更改，整个设计内容将随之快速更改，尤其适用于可研以前阶段方案调整更改。

5 结语

本研究探讨依托 CATIA 平台的知识工程功能进行模板设计及程序的二次开发，基本实现了重力坝的三维一体化设计，得到以下结论：

1）重力坝的三维一体化设计依托现行规范及丰富的设计经验开展，经过大量工程复核，并取得著作权证书，应用稳定。

2）重力坝的三维一体化设计内容包括坝轴线拟定—坝顶高程、抗滑稳定及应力计算—重力坝坝体建模—开挖设计—分缝设计—廊道等细部设计，基本贯穿于整个重力坝设计中。

3）重力坝的三维一体化设计实现了重力坝设计过程的程序自动化，大大提高了重力坝的设计效率，减少出错率，便于查看更改，并为重力坝设计思想及原则提供了传承的平台。

[1] 林继镛. 水工建筑物[M]. 5 版. 北京：中国水利水电出版社，2009: 5.

[2] 周建平，钮新强，贾金生. 重力坝设计二十年[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008: 3.

[3] 董甲甲，杨磊，杜燕林. 基于 CATIA 三维重力坝可视化设计[J]. 水利水电科技进展，2010，30 (5): 57-60.

[4] 余军，田永生，胡燚，等. 拱坝三维设计技术应用与研究[J]. 人民黄河，2013，35 (3): 79-81.

[5] 撒文奇. 基于三维设计方法的重力坝 CAD/CAE 集成设计平台研究与开发[D]. 天津：天津大学，2010.

[6] 庞可. 三维设计技术应用及前景展望[J]. 电力建设，2003，24 (5): 4-7 .

[7] 苑斋明. 基于 CATlA 平台重力坝三维设计及抗滑稳定分析[D]. 大连：大连理工大学，2015.

[8] 单承康，徐林，况渊，等. CATIA 三维设计软件在马岭水利枢纽拱坝中的应用[J]. 能源·水利，2015 (10): 130-131.

[9] 国家电力公司华东勘测设计研究院. 混凝土重力坝设计规范：DL 5108—1999[S]. 北京：中国电力出版社，2007.

[10] 电力工业部中南勘测设计研究院. 水工建筑物荷载设计规范：DL/T 5077—1997[S]. 北京：中国电力出版社，1997.

Design of three-dimensional integrated gravity dam based on CATIA platform

LI Meng, JIA Xinhui
(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi’an 710065, China)

This paper mainly discusses 3D integration design of gravity dam based on CATIA platform. Based on secondary development method, it uses 3Dautomation design throughout the whole process of the gravity dam design, which reflects in the gravity dam crest elevationand stable stress calculation, design of excavation, the basic shape, seam portionand detail design suchas corridor, parapet wall, etc. Designers can quickly realize the whole process of the gravity dam design. At the same time, the integration designadopts full parameterized management, it can makeadjustments in dam site, theaxis of the dam, dam layoutand section size, so design results can be rapidly changed. The integration of the gravity dam design reduces the human error probability, improves the efficiency of the gravity dam design, especially Applicable to the feasibleand previous design phase,and greatly reduces the heavy repetitive work caused by planadjustment, etc.

three-dimensional design; CATIA; integrated design; parameterized

TV641

A

1674-9405(2017)02-0016-05

10.19364/j.1674-9405.2017.02.004

2016-05-08

李 梦（1986-），女，黑龙江齐齐哈尔人，工程师，从事水利工程数字化研究工作。