基于CATIA的水电站水机三维设计探讨

成 飞

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

0 引言

20世纪以来，CAD为代表的设计软件在水利水电工程设计行业的普及应用，提高了设计行业制图效率，促进了行业整体技术水平的提高，为近20年水利水电工程大发展提供了必要的技术支持。现今，以BIM为代表的新一代三维设计技术已经成为水利水电工程设计行业的发展趋势。

三维设计的优势在于可以准确地表达技术人员的设计意图，直观地反应水工结构、机电设备、管路之间的真实状态，通过定位装备碰撞分析，在初设阶段就能避免以往在施工图阶段才能发现的空间位置和尺寸等问题，提高设计工作效率和产品质量。

1 CATIA软件在水电站水机三维设计的应用

CATIA是法国达索公司旗下的一款三维设计软件，广泛应用于航空航天、造船、机械制造和汽车制造等领域，有超强的3D产品设计、仿真、工程全生命周期管理等功能。CATIA是集成应用软件包，具有零件设计、曲面设计、工程制图、管路设计、设备布置、DMU空间分析、动画演示等功能。同时，CATIA还允许用户自由地建立自己的标准件库及开放接口进行二次开发等功能。

水电站水机专业设计有设备种类多、组成部件多、形状复杂等特点。在工程设计中，经常大量并重复的使用同一种零件。在进行具体的工程设计之前，建立好水机设备库和管路零件库就显得尤为重要，方便后期工程的调用布置，提高设计效率。

水电站水机三维设计可采用先建模建库后调用的方法，总体方法步骤为：

1）创建标准模型，通过收集水机设备的出厂资料，包括外形形状，控制尺寸，零件接头等信息，利用零件设计和曲面设计模块建立设备参数化模型；

2）依据水利水电行业标准、设计规范，确定水机设备库与管路零件库的文档结构，使用Catalog文件建立水机设备库与管路零件库，设计人员可以通过结构树放入或调用设备；

3）通过管路设计和设备布置功能，调用库中设备进行装配布置并连接管路；

4）上传装配模型至VPM服务器，与其他专业进行协同设计，优化设备布置和管路路径，完成最终成果。

2 基于CATIA的三河口电站水机三维设计

三河口水利枢纽坝后电站、泵站原方案为分开布置的方案，经比较选用泵站和电站合并布置的方案，形成常规水轮发电机组和水泵水轮机组（可逆机组）布置在一个厂房内的电站厂房。电站总装机容量为60 MW，其中常规机组2台20 MW，可逆机组2台10 MW，为适应宽水头的扬程范围采用了变频调速技术。

因同一厂房内装有常规、可逆两种不同种类机组，且机组均为变频运行，故厂房内水机管路、电气桥架、消防管路比原分开方案增加很多，带来了专业交叉多，设计协调量大的难题。通过使用三维设计软件，建立三河口电站水机专业三维模型，与其他专业进行三维模型交叉碰撞，检查并解决此类问题。

2.1 参数化建模

在零件设计模块中，基于草图命令创建二维草图，然后通过拉伸、扫掠、凹槽和旋转等命令生成模型外形特征，组合起基本的CATIA实体模型。可逆机机组蜗壳尾水管三维模型各向视图见图1。

图1 可逆机机组蜗壳尾水管三维模型各向视图

建立一个设备实体模型，通过公式编辑器建立参数约束其二维草图、拉伸尺寸和零件相对位置关系等使实体模型可以通过调整参数而自动更新。将建立的参数与设备外形尺寸参数表相关联，通过RESOLVE功能模块进行解析，得到一系列外形相同但尺寸不同的设备实体模型。一次建模，可得系列多个尺寸实体模型，方便多次使用。也可以通过知识工程模板中超级副本和用户特征的方式建成智能模型。参数化后解析出的同系列球阀实体模型见图2。

图2 同系列球阀实体模型

2.2 建立水机设备库与管路零件库

建立设备库和管路零件库前，首先需要对水电站水机专业每一种常用设备进行归纳分析，确定库文件数据结构。根据三河口电站设备零件实际使用情况确定的管路零件库的数据结构见图3。

图3 管路零件库的数据结构图

用机电环境打开管路零件的catalog文件，分别将每一种零件进行Function Type和Physical Type的添加，之后用映射文件将二者对应起来，建立管路零件库,水机设备库方法相同。建成的库文件目录见图4。

图4 水机管路零件库和水机设备库文件目录

在水机零件库catalog的成功建立下，将已建成的设备进行入库，调速器、球阀、水轮机、空气压缩机、截止阀和蜗壳尾水管等几种设备的三维模型见图5。之后根据不同项目具体情况从库中灵活调用。

图5 几种水机设备的三维模型

2.3 设备布置及管路连接

在厂房三维模型结构树节点下建立水机专业的分节点，三河口电站工程水机专业三维建模共分为主机、进水主阀、桥机、调速系统和辅助系统共五个水机Ⅰ级节点，辅助系统又细分为透平油系统、绝缘油系统、中压气系统、低压气系统、技术供水系统、排水系统和测量系统等几个Ⅱ级节点。

将所需设备从库中调入到对应结构树下，使用设备布置模块中的Place Equipment功能，根据发布的骨架为参考进行水机设备的布置，调整设备到正确位置。

在管路设计模块中布设管路及管路零件，利用run功能通过补偿定位的方式定位布置管路空间走向，使用放置管路零件功能放置管路零件，精确定位零件及设置零件规格大小等参数。

2.4 碰撞检查

上传模型至VPM服务器中与其他专业进行冲突分析，通过DMU空间分析模块下的碰撞检查功能，检查水机专业模型与其他专业模型间内部空间碰撞与干涉情况。引汉济渭三河口水利枢纽电站工程水机设备装配效果见图6。

图6 引汉济渭三河口水利枢纽电站工程水机设备装配图

将最终水机模型与厂房模型的定位装配，发现管路与两处楼梯的碰撞以及一处管路穿梁的不合理设计，立即调整相关管路位置，优化设计方案。

图7 管路与楼梯布置不合理

3 结论

1)应用CATIA三维设计软件，对水电站水机系统设计进行了研究，探索了建模方法、参数化技术、设备库和零件库的建立和管路布置在复杂工程设计中的应用，完成了引汉济渭三河口水利枢纽电站工程水机的三维设计。

2)利用参数化建模、模板建模、知识工程建模等方法可以建立系列化模型，减少重复工作，一次建模多次使用。

3)前期工作建立水机设备库、水机管路零件库工程量较大，需要投入大量人员与资源。但建成完整的设备及零件库后，在工程具体设计时可以直接查询调用，方便快捷，提升水机设计效率。

4)各专业使用CATIA进行VPM协同设计可以明晰对方设计意图，可发现前期设计中水机专业与厂房、电气、金结和暖通等专业存在的设备碰撞、管路交叉等问题。方便设计人调整布置解决碰撞，修改距离尺寸，优化设计方案，从而提高设计效率加快水利水电工程的设计速度，增强设计单位的核心技术能力，促进工程设计工作产生质的飞跃。