基于CATIA V5R20的重力坝三维参数化设计

李开明，秦子鹏，田艳，沈蕊芯，陈新瑞

（石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003）

基于CATIA V5R20的重力坝三维参数化设计

李开明，秦子鹏，田艳，沈蕊芯，陈新瑞

（石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003）

随着市场竞争的日益激烈和计算机辅助绘图技术的迅速发展，水利行业对工程设计质量、设计效率的要求越来越高，传统的平面设计方法已无法有效满足未来工程设计的发展要求，三维设计方法逐渐受到关注。本文以CATIA V5R20软件为平台，通过参数化设计方法对某水利枢纽工程中的重力坝进行三维设计，介绍了工程概况和运用CATIA软件进行三维设计的理念，详细阐述了重力坝三维设计的思路、过程等。结果表明：采用参数化三维设计方法可以在很大程度上缩短设计周期，减少设计失误，大大提高水工建筑物的设计质量和设计效率。该设计方法可为水工建筑物的三维设计提供一定的借鉴，对水利工程施工及运行管理也有一定的参考价值。

参数化；三维设计；CATIA；重力坝

水工建筑物种类多，设计工作量大、设计周期短、质量要求高，且常处于复杂的地质、地形环境中，若同时考虑网形、通视、地质及测量条件等因素，运用传统设计软件和方法对水工建筑物进行设计时，需要反复调整，工作繁杂，设计效率低下[1-2]。另外，在水工建筑物设计中往往需要多次修改尺寸或形体来实现方案优化，而采用常规软件和方法设计时，设计方案表达不直观、计算工作量大、设计参数调整困难，且容易发生设计失误，增加设计周期和设计成本等[3-5]。随着市场竞争的日益激烈和计算机辅助绘图技术的迅速发展，水利行业对工程设计质量、设计效率的要求越来越高，传统的平面设计方法已无法有效满足未来水利工程设计的发展要求，三维设计方法逐渐受到关注[6-7]。运用三维参数化设计方法能够清晰地表达实物形体，反映实物特征参数。参数化设计的关键在于用参数、公式等来控制图形的大小和形状。三维形体的空间视图也可以从任意方向进行观察，比在二维图中读取各个平面投影的视图更直观，也易于考察设计对象的结构和对其进行干涉，便于工程设计人员对结构进行修改和优化，减少许多重复操作和冗余设计[8-11]，从而提高设计的效率。

设计复杂的水工建筑物时，可以将小构件先进行参数化设计，再通过软件的装配功能来实现整个工程实体的三维设计，从而满足各种水工建筑物的三维设计要求[12]。本文以CATIA V5R20软件为平台，以某水利工程枢纽中的重力坝为例，采用参数化设计方法对其进行三维设计，该设计方法可以为水工建筑物的三维设计、水利工程施工及运行管理提供一定的借鉴。

1 工程概况及设计参数

1.1 工程概况

某水利枢纽是一个主要向周边村庄供水，在平水或丰水年兼顾灌溉的Ⅳ等小⑴型工程，主要建筑物包括混凝土重力坝（含溢流表孔、泄洪冲砂中孔）、右岸泄洪隧洞及取水建筑物等，次要建筑物主要包括上坝公路等。坝址处于“V”型河谷中，坝体结构基本采取对称布置，共分左、右岸非溢流坝段和河床溢流坝段4个坝段。坝顶高程1430.00 m，坝顶轴线长106.8 m，最大坝高44m。

重力坝的部分平面设计如图1所示。

图1 重力坝部分平面设计图Fig.1 Part plan of gravity dam

1.2 设计参数

重力坝主要设计参数如下：

（1）左岸非溢流坝段设计参数。

左岸非溢流坝段坝轴线长28.20 m，坝顶高程1430.00 m，顶宽4.80 m。上游面高程1400.00 m以上垂直，高程1400.00 m以下坡比为1∶0.1；下游面高程1422.76 m以上垂直，高程1422.76 m以下坡比 l∶0.71。

（2）右岸非溢流坝段设计参数。

右岸非溢流坝段坝轴线长39.20 m，坝顶高程1430.00 m，顶宽4.80 m。上游面高程1400.00 m以上垂直，高程1400.00 m以下坡比为1∶0.1；下游面高程1422.76 m以上垂直，高程1422.76 m以下坡比 l∶0.71。

（3）河床溢流坝段设计参数。

坝轴线长32.40 m，上游面高程1400.00 m以上垂直，高程1400.00 m以下坡比为l∶0.1；下游面坡比为l∶0.71。堰顶高程1422.00 m，采用开敞式WES实用堰型，共设3孔，单孔净宽8 m；其中陡槽段为台阶式溢流面，下游采用底流式消能。

溢流坝段顶部设9 m宽的平板工作钢闸门，采用门机启闭，工作门门槽尺寸为0.80 m×3.0 m，闸墩顶高程为1430.00 m。坝体底部沿河流方向长30.70 m，高程为1386.00 m。

2 重力坝的CATIA参数化设计

2.1 CATIA参数化设计

任何形状的设计对象都可以由不同的直线和曲线进行组合得到。三维参数化设计的基本思想是以尺寸约束来表达设计对象的形状特征，通过从设计对象中获取一些主要的定位、定形或装配尺寸作为自定义变量，修改或调整这些变量，再由一些描述形体的函数计算出相应的结果，并驱动相关尺寸的改变，从而方便地创建一系列形状相似或不同的三维零部件[15]。

x1.85=2×4.50.85y, （1）

上式中：x为曲线相对于原点的水平向控制参数，y为曲线相对于原点的竖向控制参数。

2.2 CATIA软件参数化设计的方法与过程

CATIA软件是法国达索公司开发的三维解决方案旗舰产品，可以帮助工程技术人员设计未来的产品，并支持从设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。模块化的CATIA软件系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟等。

利用CATIA软件实现产品的三维参数化设计方式通常有2种，分别是基于产品模板的方式（通过更改尺寸约束来实现产品的参数化驱动）和程序模板的方式（通过不同程序模块的组合实现产品的参数化驱动）。上述2种方式均可以生成新的结构或尺寸的产品，前者是通过程序获取产品的结构特征属性信息来对相应部分的参数值进行修改，以便得到不同结构或不同尺寸的产品实体模型，该方式工作量大，灵活性差，且参数化驱动稳定性欠佳；后者是在产品数学模型的基础上，通过调用底层的特征函数来创建产品的实体模型，该方式程序编写工作量稍大，但具有较好的灵活性[13-14]。

方法如下：

先在CATIA软件的零件设计（Part Design）界面先确定一个平面，然后进行二维直线和曲线的绘制。直线通过起点和终点来控制，两点由不同的坐标组成，只要提取出设计对象的尺寸，再确定一个合适的参考点，输入两点的坐标值便可得到一条直线。运用该方法绘制工程图不仅精确、简单，而且可以避免多余约束和开放轮廓。曲线的画法一般是运用工具栏中的公式选项，通过导入函数关系公式来进行曲线的绘制。

具体过程主要如下：通过工具条中的公式选项，进入公式对话框，参数列表中会出现所做模型的各项参数（如零件几何体/凸台、第一限制/长度），将其改为设计对象的长度、宽度等相应的名称并编辑参数值，选择新类型参数中的选项（如长度具有单值）后，单击应用，便可以实现对图形的尺寸约束。在工具条中的选项菜单中启动选项对话框，在常规/参数和测量节点的参数树形视图部分勾选“带值”和“带公式”两个复选框，点击fog规则选项，输入法则曲线的名称后点击确定进入规则编辑器对话框，在对话框内编辑公式便可以实现对图形曲线的约束。如图1f溢流段剖面图的WES曲线，直接作图不易实现，可以将式（1）的曲线函数关系，输入到编辑公式对话框内实现对曲线形状的约束。

以上公式或相关设计对象的参数可以在软件内进行保存，图形需要修改或调整时，不需要重新绘图，只需将相关公式和参数值的大小进行修改或调整即可。

2.2 构件设计

重力坝主要由溢流堰、非溢流坝段、坝上公路、排沙、导流及消能设施等组成。主要过程如下：

（1）将坝体拆分为左岸非溢流坝段、溢流坝段、右岸非溢流坝段和排沙、导流及消能防冲设施等部分，如图2所示。

图2 重力坝构件部分设计图Fig.2 Part design of gravity dam

（2）利用零件设计模块（Part Design）进行各构件设计。先点击工具栏中的“凸台”，任意选择一个平面，在该平面上进行参数化设计，再将绘制好的二维草图拉伸到指定的宽度。在二维草图绘制过程中可以通过坐标点对直线进行约束，运用公式或函数关系对曲线进行约束。在用函数关系绘制曲线时，在模型树中双击上一步建立的图形，进入草图设计界面，双击尺寸约束线，在文本框中右击编辑公式，在弹出的窗口中找到曲线参数后双击，然后点击确定，这样就把函数关系公式赋给对应的曲线[1 6]。绘制溢流段闸门中墩、边墩和坝上公路等更小构件的方法与上述过程类似，不再赘述。

2.3 整体装配设计

装配设计（Assemble Design）功能就是将上述所设计的构件像堆积木一样拼合成一个整体。进入装配设计模块（Assemble Design）后，插入现有构件，将所绘制的全部待装配构件导入进去，然后运用相合与接触2个功能，将导入的构件两两拼凑在一起，组合成一个整体。

装配设计完成后的重力坝设计图如图3所示。

图3 重力坝装配设计图Fig.3 Assembly design of gravity dam

上述设计完成以后，如果需要更改，可以通过修改相关公式或参数对各个构件的尺寸进行调整和优化。在设计过程中也可以将某些常用构件做成模板，在其他类似工程中通过修改相关公式或参数对模板进行调整后调用，这样可以大大减少重复工作，缩短设计周期，使设计效率得到显著提高。

3 结论

（1）基于CATIA V5R20三维设计软件，运用参数化设计方法对某水利枢纽中的重力坝进行设计，设计过程直观、易懂，设计精度高，不易引起设计失误，可有效提高设计的质量。

（2）三维参数化设计方法可通过修改相关公式或参数，对重力坝的体形进行调整和优化，可以在类似工程设计时调用，从而减少重复设计，提高设计效率。

（3）三维参数化设计方法的设计过程也可以与施工过程一致，模拟整个工程的施工进程。因此，该方法不仅可以为水工建筑物的三维设计提供一定的借鉴，对水利工程施工及运行管理也有一定的参考价值。

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3D parametric design of gravity dam based on CATIA V5R20

Li Kaiming,Qin Zipeng,Tian Yan,Shen Ruixin,Chen Xinrui
(College of water conservancy and architecture,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003)

With the increasingly fierce market competition and the rapid development of computer-aided drawing technology,the water conservancy industry is demanding high engineering design quality and design efficiency.The traditional graphic design method can not meet the development requirements of future engineering design.Traditional graphic design methods could not effectively meet the requirements of the development of future project design,and three-dimensional design method gradually

attention.The V5R20 CATIA software was used as a platform in this paper,and a three-dimensional gravity dam of a water control project was designed through the parametric design method.The general situation of the project and the idea of using CATIA software to design three dimensional drawing were briefly introduced,and the design ideas,design steps and process were described in detail.The results showed that the method could shorten the design cycle and reduce design errors,and the design quality and design efficiency of hydraulic structures were significantly improve.It showed that the design method could not only provide a reference for the 3D design of hydraulic structures,but also had a certain reference value for the construction and operation management of water conservancy projects.

parameterization;3D design;CATIA;gravity dam

TV61

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.02.021

1007-7383(2017)02-0254-05

2015-12-31

石河子大学应用基础研究青年项目（2015ZRKXYQ13，2015ZRKXYQ-LH01），石河子大学第十三期大学生研究训练计划项目（SRP2015147）

李开明（1994-），男，专业方向为农业水利工程。

*通信作者：秦子鹏（1985-），男，讲师，从事水工建筑物设计及水工材料耐久性的研究，e-mail:qzpshzu@163.com。