基于CATIA软件在重力坝设计中的应用

赵杰 黄勃

【摘要】针对传统水工设计工作中辅助设计软件少，主要依靠ZDM等基于CAD平台开发的二维辅助设计软件制图，工作效率低且容易出错。在水利工程前期方案比选过程中存在精度不够，无法做到多方案同深度比较，工程量计算与实际误差大，设计周期中大量的时间用于二维制图，方案研究时间仓促，设计成果无法形象展示等不足，进行了基于CATIA平台重力坝方案三维可视化设计研究，实现重力坝设计三维可视化、参数化、标准化，高效完成可行性研究阶段重力坝方案设计成果。

【关键词】CATIA 重力坝 三维设计 参数化

长期以来传统水利设计工作中存在辅助设计软件少，信息化程度低，重复工作量大;工期长，设计变更频繁，设计周期中大量的时间用于二维制图，方案研究时间仓促，工程量计算偏差大，二维图纸难以表达设计意图等问题。由于水利工程具有地形条件复杂、设计选型独特、涉及专业广等特点，存在图纸信息繁冗、工程枢纽布置复杂、土石方量计算不精确等问题，通过测绘水利工程的地形及水利工程建筑物三维设计，可高质量完成水利工程设计。目前BIM技术主要基于ABC平台（Autodesk、Bentley、Catia），CATIA适合复杂建模，能很好应用于水利工程大坝枢纽设计，尤其是面板坝趾板和拱坝等异性建筑精准建模。目前很多国内大水利设计院选择了CATIA平台进行开发并在大型项目应用，但资金投入大，小型设计院无法普及应用。本文拟回归到软件三维设计本质，提供原始建模思路，普及应用到中小型项目。

1、工程概况

毕家沟水库坝址位于贵州省盘州市淤泥乡岩博村。工程区地理位置为东经104°45°28"、北纬25°59'30"，距盘州市市区63.6km，有乡村公路通至坝肩，交通较方便。所在河流为大箐沟属于珠江流域西江水系北盘江的三级支流，一级支流为乌都河，二级支流为淤泥河。大箐沟全流域集水面积为4.47km2，主河道长6.32km，河道平均比降为87.4‰。坝址地形岩性为玄武岩，毕家沟水库可研阶段推荐方案为埋石混凝土重力坝，最大坝高47.0m，总库容105万m3。

2、CATIA应用流程

CATIA软件是法国Dassault Systems公司的产品，具备强大的参数化设计功能，能实现重力坝结构设计的全参数化控制。在可行性研究阶段，可快速通过设计参数表参数调整快速实现三维设计模型更新和工程量计算，便于高效精确提供不同方案下工程量计算。另外CATIA具有强大的知识工程模块和二次开发接口，便于用户根据实际工程需要开发插件。现基于CATIA V5软件，阐述在贵州省盘州市毕家沟水库工程可行性研究阶段方案重力坝方案中的应用逻辑关系。在测量、勘察等外业工作完成后，结合地形地质条件拟定合适大坝轴线，采用“自上而下”的设计理念，完成地质模型建立、坝轴线布置、重力坝建基面设计、坝段参数化设计。

3、实现过程

3.1 地形地质模型建立

地形地质模型的建立依据实测1：500精度的实测地形，通过Dota软件把实测高程和坐标数据转换成具有xyz坐标数据属性的点云数据，采用不规则三角网（TIN）和面的生成点云面，建立高精度地形面。

坝轴线是最基本的控制元素，在初步选线前根据坝址地形、地质条件、枢纽建筑及施工条件等，经技术经济综合比较后选定。在CATIA软件中通常先利用坐标值确定坝轴线左右端点，然后连接生成坝轴线，利用参数控制表可快速修改坝轴线坐标进行调整，拟定最优坝轴线方案。

3.3坝体设计

3.3.1坝型及建基面

重力坝设计控制坝体断面的为抗滑稳定和应力控制。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018），河床段建基面选择在弱风化上部，坝趾处岩性为玄武岩，建基面地基承载力为1.5Mpa，拟定坝顶宽5.0m，最大坝高47.0m，下游坡比1：0.75，上游折坡坡比1：0.2，坝趾最大压应力0.3Mpa，坝踵无拉应力，满足规范要求。

3.3.2 参数化坝体建模

毕家沟水库重力坝坝体分区分为垫层区、上游防渗区、坝体大体积混凝土区、下游防渗区和坝顶路面，在CATIA软件中设计方法：①作坝轴线的中垂面;②在中垂面上利用“草图”做岀各个分区的轮廓;③采用参数化描述各个轮廓，设计参数包括坝顶宽、上游坡比、下游坡比、各种材料的高程与宽度等（图4）;④将各个分区的轮廓沿坝轴线拉伸得到各坝体分区的三维模型。溢流坝段的建模与非溢流坝段建模类似（图5）。重力坝建基面平面通过纵断面沿上下游法向拉伸得建基面，与坝体进行布尔运算即可得设计坝型。

3.3.3 坝体及边坡开挖设计

重力坝开挖设计和一般开挖设计相同：首先根据设计坡比、马道等信息在草图中生成开挖线或开挖截面轮廓，再由这些轮廓生成三维开挖面，利用开挖面和每个坝体分区进行布尔运算便可得到最终开挖成果。利用开挖面和实体地质模型进行布尔运算完成三维实体的开挖工作，开挖体的体积即为实际工程开挖量。

3.3.4 三维实体模型、工程量计算及出图

可研方案总共完成了盘州市毕家沟水库7个非溢流坝段、1个溢流坝段、消力池、取水井筒、下游闸阀室等结构三维设计及开挖设计。为了使创建的模型能在类似工程中得到重复利用，可以将本次三维设计模型创建为一个知识工程模板，加入到企业的水工设计知识模板库中，快速完成類似工程三维设计。还可通过CATIA软件知识工程模块，在三维设计过程中，可以通过规则和检查将设计人员的经验和规范，用以规范和约束设计;企业可组织有编程基础水工人员对知识工程模块开发出大量与水利工程相关的实际应用，例如边坡自动开挖和锚杆自动布设等，提高设计效率和质量。

重力坝建模完成后，采用CATIA中的测量工具可精确计算各分区及开挖工程量。以上述三维设计模型为基础，切换到CATIA“工程制图”工作台则能方便地生成工程布置图及各类工程设计视图和剖面图。需要说明的是，由CATIA软件主要应用于工业行业，生成的图纸并不能满足水利工程规范要求，但目前市场上已经有专门针对水利工程的CAD与CATIA交互出图的二次开发插件，已经解决了CATIA软件在水利工程出图上的局限，为进一步普及水利工程三维设计具有很大意义。

4、结论

CATIA应用到实际工程设计中具有如下优势：

1、在可研阶段可通过参数化设计，快速初步选择出最小总填筑量的坝线，最大可能节省工程投资。

2、采用了三维参数化设计，建立不同比选方案动态模型，所有结构特征都由参数控制，各个建筑物之间都采用智能关联，模型的任意部分都可通过参数进行调整，与之相关的部分也会随之动态更新。

3、CATIA能实现各种异形结构工程量的精确计算，克服传统水工设计工程量计算误差大的缺点。

4、可利用知识工程模板对建模过程实例化，快速完成同类工程三维模型，提高工作效率。可以通过“规则”和“检查”将设计人员的经验嵌入到三维设计中，使其自动检测执行，以提高设计的合理性。可基于C++语言开发出各种实际应用到水利工程的二次开发插件，譬如锚杆自动布设、边坡开挖自动化、工程量表自动统计等。

5、可以自动生成平面布置图、纵断面图、横断面图等，高程标注和尺寸标注自动关联，避免传统制图存在各种不一致情况。

6、三维设计模型可以与其他有限元软件进行模拟分析，如边坡稳定分析、重力坝侧向稳定分析等，与3DMAX等软件能渲染出高质量效果图和模拟视频。

参考文献：

[1]董甲甲，杨磊，杜燕林 .基于CATIA的重力坝可视化设计.水利水电科学进展，2010，30（5）.

[2]王进丰，李小帅，傅尤杰.CATIA软件在水电工程三维协同设计中的应用[J].人民长江，2009，40（4）.

[3]高艺馨.CATIA三维设计软件在电站厂房设计中的应用[J].水利规划与设计，2018（9）.

[4]SL 319-2018 混凝土重力坝设计规范[S].

[5]华东水利学院.水工设计手册第五卷：混凝土坝[M].北京：水利电力出版社，1987.

作者简介：赵杰（1991-10），男，汉族，贵州桐梓，工程师，本科，贵州中水建设管理股份有限公司，研究方向：水利工程设计