CATIA三维设计软件在电站厂房设计中的应用

高艺馨

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

1 工程概述

CATIA建模软件被广泛用于机械等领域等。本文将CATIA建模软件运用至某水电站三维设计中，通过集成模块高效地完成了建模工作，提高了工程算量的精准度与计算效率。

该水电站位于头道松花江中下游河段，控制流域面积2685km2，河道长度136km，河道平均坡度3.58‰。控制流域面积2685km2，是一座以发电为主的小型水利工程。坝址距离上游电站厂房约2km，距下游二级水电站坝址约6km。根据GB50201- 2014《防洪标准》和SL252- 2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》要求，本工程等别为Ⅴ等，工程规模为小(2)型。

2 主厂房主要尺寸的确定

厂房为地面厂房，总长度为43.3m，总宽度为16.75m，分为主机间和安装间，基础坐落在强、弱风化二长岩(4- 2)上。主机间布置3台水轮发电机组，分别为1#、2#和3#机组。

2.1 机组中心距的确定

对发电机、蜗壳、尾水管最大外形尺寸进行比较，其中发电机最大，作为控制尺寸，考虑机组附属设备及主要通道，吊物孔等的布置，确定机组中心距为8.5m。

2.2 厂房宽度的确定

主厂房上游侧布置了组合式调速器，并布置电气盘柜，确定机组中心距上游侧起重机轨道中心线的距离为5.5m。下游侧考虑满足发电机转子、水轮机转轮的吊运以及所必须的维护通道，确定机组中心距下游侧起重机轨道中心线的距离为6m，起重机跨度为11.5m。

2.3 安装场

安装场位于厂房左端，与进厂交通道路相连，满足1台机组安装与扩大性大修的要求。考虑机组安装检修方便，安装场与发电机层高程相同，高程为465.763m。

2.4 厂房各层高程及设备布置

大机水轮机安装高程为460.85m；小机水轮机安装高程为460.39m。大机尾水管层底板高程457.651m，布置2只肘型尾水管；小机尾水管层底板高程457.676m，布置1只肘型尾水管。水轮机层地板高程461.938m，布置2台JP502-LH-155(Φ=0°)型水轮机及1台JP502-LH-100(Φ=0°)型水轮机，与发电机同轴直联。空压机室、透平油罐室布置在水轮机层，安装间下面。与水轮机层高程相同。发电机层地板高程465.763m，布置2台SF800- 24型水轮发电机及1台SFW320- 16型水轮发电机，在大机组的第Ⅱ象限均布置1台GKT- 3000X型高油压调速器，小机组的第Ⅱ象限布置1台GKT- 1800X型高油压调速器。起重机轨顶高程为473.14m，厂内布置1台20/5t电动双梁(慢速)桥式起重机。满足发电机转子与水轮机转轮安装及机组检修时吊运的要求。蝶阀廊道层底板高程459.57m，布置2只DN2000液动蝶阀，1只DN1400液动蝶阀。

3 厂房三维设计

3.1 骨架设计

水利水电工程设计采用的是自上而下的设计方法，先进行总体布置，再逐级细化设计。总体布置需要定义整个工程的关键部位、轴线、高程面等，这就是三维设计软件骨架设计方法。

骨架由点、线、面等控制元素构成。顾名思义，骨架可以支撑整个模型，是模型设计的脊梁。厂房各种建筑物均基于以上骨架进行设计，骨架的更改会联动其他构件的更改。骨架从功能上分为定位骨架(如机组安装高程面、厂房中轴线等)和定型骨架(如横梁走向线等)；从层次上分为总骨架、专业骨架及更细的构件骨架。骨架采取多级组织型式，总骨架由项目负责人统一发布，专业骨架引用总骨架，专业内设计人员引用专业骨架建立下一级的构建骨架，骨架关联引用应该是逐级引用，应避免越级引用以免发生混乱。

以厂房的三维设计为例，厂房作为整体枢纽工程的一部分，它的建立需要总体布置对其定位，这就需要在整个枢纽工程的总体骨架建完以后，从总体骨架中引用关键元素作为厂房三维设计的基准，只要能定位厂房即可，所引用元素越少越好，以此为基础建立厂房的骨架，厂房所有的三维建模都以厂房骨架为基础，不在与外界元素发生关键。一旦厂房的位置发生变化，只需要在总体骨架中对厂房所引用元素进行修改即可，厂房整体随之到新的位置。

厂房骨架数据可根据需要定义多层次骨架，分别驱动不同的设计数据。如在主厂房系统下的主厂房骨架包含高程、纵桩号、横桩号3个方向的控制元素，起到全局控制和协调3个机组段厂房位置相对关系的作用，当在此3个方向上需要调整桩号和高程位置时，仅需调整此厂房骨架数据，更新后下游厂房机组段随之调整。而在某机组段厂房里还可包含板梁柱骨架，此骨架主要在平面方向上定义纵向梁、横向梁走向线及立柱的中心点，在具体某层板梁柱设计过程中可参考走向线及中心点，快速设计和定位板梁柱。

如图1所示，为定义骨架结构。

图1 定义骨架结构图

如图2所示，主厂房骨架主要包含高程方向平面、横桩号方向平面、纵方向平面，可根据需要定义平面间可变参数。

图2 主厂房骨架平面图

如图3所示，高程方向平面，可根据需要定义参数。

图3 高程方向平面图

如图4所示，纵桩号平面和横桩号平面，为了便于管理及可识别的要求，注意将同类元素放在同一个几何图形集中，并重新命名。

图4 纵横桩号平面图

机组段中的板梁柱骨架，主要参考主厂房骨架设计的纵向梁、横向梁的走向线，立柱的中心点等元素，下游的梁柱均参考此骨架设计的。

3.2 参数化与关联设计

厂房设计过程中，大多数结构体的形式是确定的，需要变化的仅仅是外形尺寸。CATIA的知识工程具有强大的功能，尤其是参数化设计，在众多三维设计软件中具有较大的优势。通过对厂房结构体的分析和专业的总结，将厂房结构体分解成若干个典型区段，将这些典型结构中的典型尺寸用参数来驱动，在完善设计及修改方案时，只需要对参数进行修改，与参数相关联的结构体即可自动更新完成修改。也可以将一组类似的参数通过电子表格的形式列出来，再将表格中的数据与参数关联，从而达到使用多组数据来驱动一个模型的效果。例如在蜗壳的单线图设计中，经常用表格来驱动模型。

3.3 模板设计

在厂房建模工程中，有很多结构经常需要用到，如：板梁柱、牛腿、楼梯、窗户、门等，且这些结构重复利用率非常高，几乎每个厂房建模都要用到，每次重复建模会浪费很多时间，模板设计很好的解决了这个问题，将设计过程及设计参数打包，预留输入接口，快速完成模型及其他数据，使用者可快速完成建模，简化建模方法，模板设计是一个一劳永逸的方法，一次建模，用到时只需调用即可。

3.4 典型机组段设计

为满足后期机电专业布放机电设备的需要，需要将典型机组段按结构分层设计，典型机组段主要包含以下模型：顶棚系统、发电机层、电气夹层、水轮机层、球阀层、机墩风罩、蜗壳尾水管、尾水平台。

在板梁柱设计过程中，可集合板梁柱设计过程，汇总成模版，在实际设计过程中，利用模板快速复用，提高设计效率。

3.4.1 顶棚系统

参考主厂房骨架控制线框，设计包含吊车梁、顶棚、立墙及吊车梁导轨，注意按Body划分这些结构，便于后续做布尔运算。

3.4.2 发电机层

引用主厂房骨架与板梁柱骨架完成发电机层底板与梁的设计，将生成的结果进行布尔运算，并按机墩风罩外轮廓曲面剪切开孔。

3.4.3 电气夹层

参考主厂房骨架及板梁柱骨架，按几何体组织设计纵向梁、横向梁、底板、立柱，布尔运算结合底板、梁，并按机墩风罩外轮廓剪切开孔。同理完成水轮机层、球阀层结构设计。

3.4.4 蜗壳与尾水管

将蜗壳轮廓形成设计模板、结合蜗壳单线图数据表，快速实例化多个蜗壳单线轮廓，并拟合成蜗壳外形曲面，同理形成尾水管外形曲面。

3.4.5 尾水平台

参考主厂房骨架数据，设计尾水平台，并为水泵房开腔室，最后用尾水管外形曲面剪切尾水平台实体。

3.4.6 机墩风罩

参考主厂房骨架数据，设计机墩风罩实体轮廓，最后用尾水管外形曲面及蜗壳外形曲面剪切尾机墩风罩实体。

4 工程实例展示

结合具体水电站厂房工程，运用CATIA三维设计软件，根据骨架设计思想，充分利用参数化与关联设计的技术优势，调用已有模板对其建模。成果如图5～11所示。

图5 电站厂房总体布置图

图6 电站厂房横剖面图

图9 门模板

图10 窗户模板

图11 混凝土楼梯

通过CATIA建模，得到厂房工程量见表1。

表1 厂房工程量

5 结语

本文将CATIA运用于某水电站厂房三维设计中，较传统CAD二维建模，该方法大大提高了工作效率，减少了作业人员工作量。本文仅对厂房做了粗略建模，计算得到的工程量偏大，在后续的研究工作中，将采用CATIA进行优化设计，结合现场实际情况，在保证水电站安全的基础上，通过改变厂房布置，空间结构，减少工程量，达到精简投资的目的。