基于CATIA 的重力坝自动化装配设计及工程应用

徐 威，张雪才，柳晴晓龙

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

1 引言

重力坝是目前常用的坝型之一,其靠自身重力在坝体与地基接触面上产生的摩擦力保持整体稳定［1］,合理选择坝址和坝轴线、确定枢纽布置是重力坝设计的重要内容。枢纽布置需要经过多方案反复比选,最终选择安全可靠、技术先进、经济合理的方案。传统设计方法以二维设计为主,存在工作量巨大、设计周期长的问题。随着三维设计软件的成熟［2-3］,综合考虑枢纽布置组成对象的多样性,采用参数化设计技术灵活、快速地装配不同坝段的三维模型是可行的。刘月［4］采用骨架设计方法创建骨架基准平面,利用草图拉伸方式生成坝段实体模型,从而实现重力坝装配设计。但该方法必须先创建好骨架基准平面才能填充坝段实体模型,修改方案时容易出现几何特征之间失去链接关系的问题,而修改链接关系比较烦琐、容易发生错误。董甲甲等［5］基于CATIA 平台,建立挡水坝、溢流坝、廊道系统和闸墩等各部分三维参数化模型,运用自上而下的三维设计理念实现对三维模型的装配。但在装配前必须先对挡水坝模型、溢流坝模型及其附属建筑物模型参数按照设计要求进行改正,事先匹配好模型之间的空间关系,装配过程稍显烦琐且参数化坝段模型种类不全。张提［6］基于Revit 平台,根据提前设置的平面参照轴网和高程参照标高进行模型装配,但该方法必须以先上游再下游、先底部再顶部的顺序进行装配,繁杂易出错,不利于推广应用。于彦伟［7］基于CATIA 平台二次开发重力坝设计系统,系统装配模块考虑了挡水坝段、溢流坝段、附属建筑物模型,但只能按照固定的装配关系进行模型装配,灵活性较差。

目前重力坝装配设计方法大多是自上而下的骨架方法,存在方案调整效率不高、自动化程度低等问题。本文基于CATIA 平台,利用组件应用架构(Component Application Architecture,CAA)开发模式,开发重力坝自动化装配程序,以期减少枢纽布置过程中的重复性工作,提升枢纽布置效率。

2 CATIA 二次开发

CATIA 平台提供Automation API 组件和CAA 两种开发模式［8-9］。Automation API 组件开发模式相对简单,但缺少部分3D 建模命令的接口,因此本文采用CAA 开发模式,探讨基于CAA 的CATIA 二次开发重力坝自动化装配技术。CAA 是基于快速应用研发环境(RADE)和不同的API 接口程序来建立的。RADE 是一个可视化的集成开发环境,以Microsoft Visual Studio VC＋＋为载体,在VC ＋＋环境中增加CAA 开发工具。CAA 由若干个模块(Module1,Module2,…)组成,不同模块组成多个框架(Frame Work1,Frame Work2,…),多个框架共同构成唯一的工作空间(Work Space)。

利用CAA 开发模式开发软件的过程为新建工作空间—创建框架—创建模块—创建工具条—创建界面和功能。编码工作需要在模块内完成,最重要的2 个模块分别为Addin 模块和Function 模块,在Addin 模块中实现工具条命令按钮的创建,在Function 模块中实现用户操作界面和界面控件绑定实际功能的创建。

3 重力坝自动化装配程序开发

3.1 程序设计

鉴于重力坝枢纽布置需多方案优化的特点,将重力坝自动化装配程序分为初步布置、布置优化、挡水坝段自动填补3 个阶段(见图1),在Catalog 目录中存储常用的各类坝段模型资源供后续工程快速引用。

图1 重力坝自动化装配程序

3.2 常用坝段模型库

根据坝段功能,分为功能坝段和挡水坝段。功能坝段是指具有除挡水功能之外其他功能的坝段,在布置枢纽时先考虑功能坝段的空间位置,如溢流表孔坝段、泄洪孔坝段、发电坝段、灌溉坝段、导流底孔坝段等。通过建立坝段参数化模型可以实现坝段几何造型的按需选择,每个坝段都附带其剖面图、平面图、轴测视图及尺寸信息。因篇幅有限,故本文仅展示溢流表孔坝段参数化模型,见图2,坝段工程图纸见图3。由于坝段的几何造型复杂,坝段参数化模型中用户参数的数量超过10 个,极可能出现因参数输入错误而导致模型无法生成的问题,因此寻找错误发生的原因和位置是比较麻烦和费时的。为解决该问题,借鉴机械制造业中设备选型的思路,对每个坝段模型按照坝高进行系列化处理,得到常用坝高范围(30～150 m)间隔10 m 的系列化模型库。此方法不仅可根据实际坝高进行坝段选型,选出的初始模型更接近工程实际需求,而且能缩小坝段用户参数值的变化范围,避免参数值大幅度修正,降低参数修正时错误发生的概率。

图2 溢流表孔坝段参数化模型

图3 溢流表孔坝段工程图纸(单位:m)

3.3 坝段部件基本数据结构

考虑到坝段几何实体模型的灵活性和普适性,定义一种新的坝段部件基本数据结构,以部件形式对坝段进行封装。根据坝段部件的零件数量,把坝段部件基本数据结构分为单零件坝段部件基本数据结构和多零件坝段部件基本数据结构,见图4。

图4 坝段部件基本数据结构

坝段部件基本数据结构主要包含3D 形状、几何造型零件、工程链接区和发布元素区4 个部分。几何造型零件由一个零件或者多个零件构成,每个零件内部均含有代表坝段左侧和右侧的空间标识。如果几何造型零件有多个零件,则零件之间依次自动装配。工程链接区用于保存所有链接关系。发布元素区主要是暴露坝段部件整体几何实体的定位标识、左侧标识和右侧标识,供其他坝段部件进行引用和装配。3D 形状同样具有左侧和右侧空间标识,其代表的是坝段部件第一个零件的左侧空间标识和最后一个零件的右侧空间标识。此外,3D 形状还有定位标识,用于坝段部件空间位置和方位的确定。3D 形状的内部结构见图5。

图5 3D 形状的内部结构

在参数集中定义主坝段、桩号、组号3 个参数,主坝段参数类型是布尔值,桩号参数类型是长度值(单位为m),组号参数类型为0 或正整数值。如果主坝段值为真,则桩号产生作用,表示该坝段部件采用定位标识与大坝基准元素进行装配,方位与基准元素相同,坝段与基准元素之间的距离由桩号定义。如果主坝段值为假,则桩号不产生作用,表示该坝段几何实体将装配到其他坝段部件的左侧或者右侧。组号主要用于多个坝段部件的编组,如果2 个坝段部件的组号相同,则表明这2 个坝段部件是同一组,将自动根据左右空间关系装配在一起。

构建好坝段部件基本数据结构之后,程序对部件内部的几何造型零件没有特别限制,用户完全可以自定义坝段几何实体,进而实现几何实体的个性化,也为重力坝自动化装配提供基础条件。

3.4 初步布置

在进行重力坝枢纽布置之前,根据测绘点云数据建立数字地形曲面三维模型,进一步创建工程区域覆盖层、基岩层、断层等三维地质体模型。在CATIA 中,根据三维地形与河道形态,选择合适的位置创建可调节的参数化坝轴线,并以坝轴线左岸控制点为基准进行枢纽布置,重点考虑泄洪建筑物布置以及其他功能坝段布置,可实时查看各坝段与地形曲面和地质曲面的三维关系,合理避开不利地形、地质区域。初步布置主要是从模型库中调用需要的模型,并在坝轴线空间上将坝段定位在合适的位置。对于初步布置的第一个坝段,只能根据桩号进行布置,利用坝段部件定位标识与大坝左岸基准的距离描述第一个坝段的空间位置。第一个坝段的3D 形状内主坝段、桩号、组号分别为真、实际距离、1。

对于后续坝段,有2 种布置方式:一是可以采用与第一个坝段相同的桩号进行布置,该坝段的3D 形状内主坝段、桩号、组号分别为真、实际距离、非重复编号；二是可以采用参考坝段的方式进行布置,将后续坝段自动装配至已有坝段部件的左侧或者右侧,2 个坝段合并成1 个整体,此时主坝段、桩号、组号分别为假、0 m、与参考坝段相同的编号。

3.5 布置优化

布置优化主要是对初步布置的坝段进行调整,实现对坝段几何实体的“增、改、删”。对于“增”,可采用初步布置中后续坝段布置的方法。对于“删”,提供“整组删除”“组内删除”2 种删除功能。对于“改”,提供“组移动”“组合并”“组拆分”“组插入”“组内调序”等功能。各功能具体如下。

(1)“组移动”功能。在可视化环境下对坝体进行动态移动,根据最新坝段位置更新桩号,见图6。鼠标左键按住坝段上方的箭头可以动态移动坝段至合适的空间位置,之后在桩号对话框内输入数值,将坝段调整至合适的位置。操作之后,3D 形状内的桩号数值与输入的数值相同。

图6 “组移动”功能展示

(2)“组合并”功能。“组合并”功能是指将2 个坝段部件合并为1 个整体,选择的第一个坝段在空间位置上自动装配到选择的第二个坝段左侧或者右侧。同时,第一个坝段的3D 形状中主坝段值变为假,桩号值变为0 m,组号变为与第二个坝段相同的组号。合并后整体结构的空间位置由第二个坝段与大坝左岸基准的距离进行确定。

(3)“组拆分”功能。“组拆分”功能是指将多个基本坝段拆分为2 个组合坝段,见图7。执行该命令后左侧列表和右侧列表中显示的坝段分别成为2 个新整体坝段,左侧列表和右侧列表中的坝段部件按列表从上至下的顺序确定几何实体沿坝轴线方向从左至右的顺序,设置每个坝段3D 形状中的组号相同,且只有1 个坝段的主坝段值为真,确定该坝段距大坝左岸的距离,其余坝段的主坝段值为假。2 个新整体坝段的组号不相同,且不与其余坝段组号重复。

图7 “组拆分”功能展示

(4)“组插入”功能。“组插入”功能是指将一个坝段部件插入到另一个含多个坝段部件组合内部。执行该命令后待插入的坝段部件与原坝段部件组合形成新整体,待插入的坝段部件3D 形状中组号设置为与原坝段相同的组号,待插入的坝段部件的左侧、右侧标识分别与坝段部件组合内最左侧坝段部件的右侧标识、最右侧坝段部件的左侧标识进行装配。

(5)“组内调序”与“组内删除”功能均根据一定的顺序重新自动更新坝段装配关系。“整组删除”将基本数据结构的组合整体删除,既删除几何实体产品,也删除相关的工程链接关系。

3.6 挡水坝段自动填补

沿坝轴线从左岸到右岸,分析所有坝段部件以及坝段部件组合的左侧空间标识和右侧空间标识,程序认为这2 个标识之间的空间被本组坝段几何实体占据。左侧空间标识和右侧空间标识总是成对出现,如果坝轴线范围内只有一组左侧、右侧空间标识,则代表坝轴线被一组坝段部件分割为两段；如果坝轴线范围内有N组左侧、右侧空间标识,则代表坝轴线被N组坝段部件分割为N＋1 段。在对应的N＋1 段空间内,可进行挡水坝段的自动填补。

4 工程应用

几内亚苏阿皮蒂水利枢纽工程重力坝为碾压混凝土重力坝,坝长1 156.0 m,坝高116.5 m,主要建筑物有引水发电坝段、导流底孔坝段、泄洪底孔坝段、溢流坝段、左右岸挡水坝段和河床挡水坝段。

采用重力坝自动化装配程序进行三维设计。引水发电坝段单独为1 组,组号为1,桩号为423.45 m；高位导流底孔坝段、低位导流底孔坝段、泄洪底孔坝段以及溢流表孔坝段合并为1 组,组号为3,主坝段为高位导流底孔坝段,其主坝段值为真,桩号为520.45 m,其余坝段的主坝段值为假。左岸挡水坝段1 为1 组,内部有17 个零件(坝段),组号为2,桩号为0 m。河床挡水坝段2 为1 组,内部只有1 个零件(坝段),组号为5,桩号为499.45 m。右岸挡水坝段3 为1 组,内部有15 个零件(坝段),组号为6,桩号为779 m。枢纽布置成果见图8。

图8 重力坝枢纽布置成果

采用传统的设计手段完成该重力坝枢纽布置、工程量计算及图纸编辑需要7 个工作日,采用本文设计的参数化模型及自动化装配程序需要4 个工作日,并且设计成果保留动态链接,后续编辑和优化方案非常便捷。该工程的应用验证了重力坝自动化装配程序的可行性与合理性,相比以往骨架装配方式更加灵活,自动化装配效率明显提升。

5 结论

本文构建了按每10 m 坝高间隔的系列化常用坝段参数化模型库,可根据实际坝高进行坝段选型,选出的初始模型更加接近工程实际需求,同时减小了用户参数值变化范围,避免参数值大幅度修正,降低了参数修正时模型错误发生的概率；定义了一种坝段部件基本数据结构,利用这种结构化部件结构可灵活自定义坝段几何实体,提高坝段实体模型的普适性；开发了重力坝自动化装配程序,提高坝段装配效率,减少重复性工作。

本程序目前只能适用于直线型坝轴线,还不能在折线型坝轴线上使用,下一步将进行适用于折线型坝轴线的程序开发。