基于CATIA石沟水库重力坝三维设计

付登辉

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

传统重力坝设计成果以众多复杂的剖面图及平面图的形式展现，设计者需将脑中的三维形体转换为二维图纸，在形成图纸后再将二维图纸还原为三维形体以检验是否符合原设计，且转换过程中可能导致设计信息丢失[1]。受限于技术本身难以突破其固有瓶颈，设计方案存在方案表达不直观、工程量计算工作量大、设计修改优化费时费力、设计盲点较多等问题，导致施工期变更、工期、工程量、后续安全等超出原计划，造成很多不必要的浪费并影响项目整体进度。

目前水利水电行业，BIM三维并行设计在工程中已逐渐推广应用，对传统二维CAD设计存在问题能够为系统解决。其在可视化协同工作环境中，利用骨架控制、参数化关联设计、模板设计等工具，能够快速实现方案设计、优化及获取工程量、坐标；能够通过协同设计环境在设计中及时发现专业间的碰撞、错误、遗漏等问题并快速实现方案调整。

本文主要探讨基于BIM软件CATIA进行施工图阶段重力坝三维设计及施工图交付。对石沟水库重力坝应用三维设计完成基本体型及大坝开挖设计、各坝段细部体型设计、坝体分区及廊道设计等。

1 CATIA三维设计

CATIA三维并行设计是基于传统二维CAD技术发展起来的，是一种多维度的模型信息集成技术，借助其可视化、参数化关联设计、模板设计、知识工程等工具和协同工作环境，可实现项目所有数据的统一管理与专业间的互通共享，其注重系统集成和整体优化，并不追求单个专业的最优，能够尽可能消除传统CAD设计时部门和专业间的壁垒，使彼此之间协同一致，从全局出发优化项目。对有关专家和参与人员提出的合理建议，能够快速、精确实现修改调整，对于提高设计质量、缩短设计周期，控制工程成本均可以起到重要作用[2]。

1.1 模型可视化技术

快速、精确建立水利水电工程三维可视化模型是推进水利水电工程建设现代化、数字化的关键一环，并行设计CATIA可视化建模是实现这关键需求的有力工具。模型可视化能够结合设计人员模型构建的实际思路，不需要反复地在设计对象的二维投影和三维实体之间进行切换，设计成果能够全面而准确地反映设计产品信息以及建筑物和各专业间的关系；模型可视化能够在设计过程中，及时发现专业间的错漏碰等交叉干涉问题，提高产品设计质量。

1.2 骨架技术

骨架也可称为主控线框，由控制性的点、线、面构成，如枢纽建筑物的轴线、高程、定位尺寸等控制基准点、基准线和基准面[3]。其作用类似人体骨骼支撑整个项目模型，充分结合各专业划分确定。枢纽区包含大坝、电站厂房、输（泄）水建筑物、道路等所有专业的细部设计，都要直接或间接依赖于骨架进行定位。骨架从功能上分为定位骨架和定型骨架；从层次上分为总体骨架、专业骨架和更细的构建骨架[4]。通过对骨架参数驱动，能够从宏观较快完成方案调整，而无需像传统二维牵一发而动全身，更改控制点后，相关开挖、建筑物等可能需重新设计。

1.3 模型参数化技术

参数化设计是并行设计CATIA较传统二维CAD设计主要技术优势之一。传统二维设计中，一般对建筑物尺寸等几何参数进行固定设计，后期方案调整优化，占用设计过程大量时间。参数化设计技术也称为尺寸驱动技术，通过建立参数与模型之间的对应关系，即可得到不同的模型。其核心思想以约束来建立模型的形状特征，通过以模型中建筑物的尺寸、位置作为自定义变量，修改变量带动模型尺寸、位置及其关联方程的更新，从而完成模型更正并可以方便地创建一系列形状类似的设计产品。能有效减少设计人员时间成本，使其有足够时间用于产品优化，提高产品设计质量。

1.4 VPM协同技术

传统的本地化离线设计方式（即二维CAD设计）需要设计人员之间更多的面对面沟通交流，流程较为复杂，效率和质量由于沟通不足等原因得不到保证；采用VPM协同平台，它集数据管理、过程控制与网络通信能力于一体的数据管理技术的集成，使所有设计者都在同一服务器下在线工作，设计数据同步上传且专业间共享，不同专业间能够及时查看相关上下游专业变化对自身带来的影响，及时沟通调整方案，降低沟通成本，减少专业间碰撞，指导优化方向，使项目数据在全生命周期内保持一致。

2 石沟水库重力坝CATIA三维设计

2.1 石沟水库简介

石沟水库地处陕西省宝鸡市太白县境内，坝址位于太白县咀头镇凉峪村，汉江二级支流红岩河支流石沟河下游。石沟水库是《陕西省水库建设规划》确定的太白县咀头镇重要水源工程之一，能够增强太白县城生活、工业用水的供水能力，对太白县域经济发展提升具有重大意义。

本工程为Ⅳ等小（1）型工程，永久性主要建筑物包括拦河大坝、泄水建筑物、放水建筑物，按4级设计；施工导流及临时房屋建筑等临时建筑物按5级设计；枢纽区的边坡按5级设计。

2.2 大坝开挖设计

2.2.1 开挖方式选择

开挖方式分为传统“剖面”开挖法及“马道”开挖法，其区别主要取决于坝肩纵剖面边坡设计坡度。当坡度较缓时，应用横剖面可以较好控制剖面间开挖面的边坡坡比、坡高、马道宽度，完成开挖设计；当坡度较陡时，应用剖面法设计时，剖面间的实际开挖坡比、马道宽度则会与剖面边坡设计参数偏差较大，随坝肩纵剖面坡度变陡开挖坡变陡、马道宽度变小。某项目坝肩纵剖面较陡，应用传统“剖面”开挖法开挖结果见图1，后选用“马道”开挖法开挖结果见图2。

图1 传统“剖面”开挖法

图2 “马道”开挖法

2.2.2 基本体型及开挖设计

开挖受制于地形地质条件，依附于基本体型，为确保基本体型范围内开挖面连续完整、地质条件满足基础要求，体型范围外结合施工永、临道路、场坪、马道等保证开挖边坡（土质、岩质）稳定、连续且便于施工。

石沟水库左岸山梁较陡且边坡高度较高（约100 m），为减少开挖量且满足坝体抗滑稳定采用传统“剖面”开挖法开挖为“窑洞式”；右岸坡度较缓，根据地形地质条件参考类似工程开挖方式，采用传统“剖面”开挖法。

在CATIA可视化工作环境中将建基面处坝轴线作为枢纽骨架，开挖基于该发布骨架进行设计，通过更改建基面高程，调整基础开挖深度以适应地质条件；其次，按规划桩号依次创建左岸挡水坝段、取水坝段、表孔坝段、底孔坝段的基本体型剖面，开挖剖面适应各坝段基本体型基础轮廓并连续，参数化设计对于各坝段基本体型及坝肩开挖坡比、马道宽度、高程变化等可随时调整其相关参数；对于纵剖面右岸坝顶处上坝道路及其上边坡开挖，结合实际地形地质条件，对道路中心线、开挖剖面等参数不断优化调整，模型自动更新，实时查看可视化的设计方案。

初次模型创建完成后，从全局检查开挖设计成果，对剖面间的连续性、开挖面开口及道路中心线的走向等结合地形地质条件依次检查，通过对相关参数的不断修正，确使开挖面连续、开挖工程量相对最优、相关坡比、坡高满足边坡稳定要求。最后，结合所有开挖面，与地形模型联合修剪等生成开挖模型并创建开挖体。可量取任意需求点坐标、获得二维开挖平面图、剖面图、开挖总量。

图3 与地形模型修剪后大坝开挖面

图4 大坝开挖体（开挖总量78762m3）

2.3 大坝各坝段细部体型设计

2.3.1 各坝段分区原则

石沟水库为堆石混凝土重力坝，按坝段功能划分，分为左、右岸挡水坝段、泄洪表孔、泄流底孔、放水坝段。坝体混凝土不同部位因所处环境、受力情况不同，需结合实际工作环境对强度、抗渗、抗冻、抗冲磨等要求进行分区设计。在确保工程质量前提下，为提高施工效率，设计中尽可能减少混凝土标号的分区种类，尽可能扩大堆石混凝土范围。

依据相关规范及应力、结构计算等，初步确定基础垫层、坝顶道路、过水断面基础等部位采用C20W4F100常态砼，上游防渗区部位采用C15W6F150自密实砼，坝心混凝土部位采用C15W6F150堆石砼，泄流表、底孔的过水断面采用一定厚度C40W6F150HF高强砼。

2.3.2 各坝段细部体型CATIA设计

在CATIA协同设计环境中，依据基本体型位置，首先以坝轴线左坝端为基点创建各坝段纵剖面范围对应的桩号控制面，将其发布给各不同坝段设计人员，用以控制其位置。

各设计人员引用发布基准面，以基本体型为参考，按初定坝体分区完成各剖面体型不同分区划分，并输出其轮廓特征，后拉伸各轮廓特征生成对应分区实体。体型受制于地形，表、底孔坝段及左岸挡水坝段基础部位各分区需适应开挖地形，在可视化设计环境中，可实时查看不同坝段间的连接性，快速沟通，理清初次关系，确认修改优化方向。通过对体型参数的调整，快速完成方案修改，多次反复优化后，完成体型细部设计，结果见图5~图7。

图5 防渗区部位C15W6F150

图6 坝心部位C15W6F150

图7 常态砼部位C20W4F100

其中，表孔溢流坝段，堰面采用WES，曲线方程由椭圆、抛物线、直线段、圆弧组成，在知识工程模块中，创建表孔抛物线堰面曲线方程，在草图中投影抛物线并按计算方程数据绘制其余曲线，调整参数确保其连接相切，完成表孔堰面曲线设计，拉伸生成过水断面，见图8。分区剖面视图见图9。

图8 过水断面C40W6F150HF

图9 分区剖面视图

坝内廊道应为回路，避开过水断面，且每层廊道均需连接坝体下游面浮桥，以满足廊道交通要求。设计过程中，在可视化工作环境中，依据体型设计信息，通过对初定廊道轨迹与泄水断面尺寸量测，选择布设EL.1646.50 m和EL.1675.00 m两层廊道。结合校审人员意见，调整廊道参数，完成廊道体型设计，见图10。

图10 坝内廊道系统设计图

2.4 三维模型+二维图纸施工图交付方式

利用坝体设计模型，通过测量可以精确获取任一分区工程量，完成工程量统计；通过切割，可以获取任一点三维坐标；在工程制图模块中，可以获取平面投影图，上、下游立视投影图，任何位置、方向剖面图，通过在二维CAD中标注即可完成二维施工图，见图11~图14。

图11 可视化模型测量坐标、工程量

图12 基于模型生成二维平面图

图13 基于模型生成的上游立视图图

图14 基于模型生成的底孔剖视图

施工图交付时，采用三维模型+二维图纸的方式。通过可视化的三维模型，可让项目参建人员快速理解并熟识设计意图，减少识图难度和偏差，确保设计方案的良好实施，有效避免施工期的返工浪费，降低项目总成本，确保项目整体质量。

3 总结

CATIA三维设计是设计、施工一体化的基础，为工程建设带来巨大的变革。在工程设计当中运用三维设计，可以使设计人员的思路更加清晰，直接把思考的设计形象展现在设计图纸中，从而提高设计效率，也可以形象地体现设计形态，再现各种构造之间的空间关系，方便数值计算，保证设计工作的速度，使设计工作更加简单和方便[5]。动态的数据管理平台、协同工作环境、骨架控制、可视化、参数化等，对涉及多专业交叉的坝体开挖、不同坝段体型设计、坝体分区、坝内交通廊道系统等，从全局考虑，减少为方便个别专业而忽略或影响其他专业功能的不合理布局，使项目得到最大优化；基于剖面创建的可视化实体模型，能够精确测量枢纽开挖、建筑物体型工程量，较传统二维CAD剖面迭代计算工程量更为精确；三维模型+二维图纸的施工图交付方式，能够让项目参建人员全面熟知设计意图，大幅降低识图难度和偏差，可以让施工人员更精准选择施工工艺、制定各单元工程工期，确保设计方案的良好实施，有效避免施工期的返工浪费，确保工程质量和进度。