试论三维CAD 技术在水利水电工程设计中的应用

吕书文

（广西壮族自治区柳州水利电力勘测设计研究院，广西柳州 545000）

0 引言

水利水电工程是国家基础设施建设的重要组成部分，也是一个涉及多学科综合的工程领域。传统的水利水电工程设计主要采用二维CAD 技术，该技术能够满足一些基本需求，但是在处理大量数据和复杂情况时存在一些不足[1]。随着计算机技术的快速发展，三维CAD 技术在水利水电工程设计中得到广泛的应用，目前，我国正在大力推广三维CAD 技术，因此，要使CAD在全国范围内推广应用，就必须对CAD 技术有一个全面的认识。

1 三维CAD 技术概述

三维CAD 制图是利用CAD 软件来辅助设计者完成设计任务，它是工程设计历史上的一个重要转折点。三维设计是目前二维技术发展的一个新方向，而三维技术又具有许多二维技术无法比拟的优点，三维设计能有效地改善目前的结构设计精度和可靠性，对于目前的水利水电工程设计具有现实的指导作用[2]。随着CAD 系统在工业领域的广泛应用、现代设计问题的复杂化、计算机图形学、人工智能等基础技术的发展，三维建模技术在市场需求的推动下应运而生。随着科学技术的不断发展和工程应用的不断发展，人们对建模技术的要求也越来越高。我国目前大部分的三维CAD制图都是基于国外CAD 的基本原理而发展起来的，而近年来，随着世界范围的不断变化，三维CAD 制图技术的发展也使传统CAD 的功能得到了进一步的发展。

2 三维CAD 技术在水利水电工程设计中的应用优势

2.1 使整个水利水电制图更加精准

在水利水电工程设计中，由于其本身的特殊性，使其在设计中的工作变得更加困难，而且由于其本身的特点，使得其在设计时不能很好地反映出其结构。三维CAD 技术的问世，为这个难题提供了很好的解决方案，而且三维CAD 技术具有很强的运算能力，可以完成水利水电工程中的某些比较复杂的运算，提高运算速度和精度，符合目前水利水电项目的精度要求。再者，传统的二维设计存在一定的局限性，难以准确模拟和预测水力过程。而三维CAD 技术可以更准确地分析水力特性，通过仿真模拟等手段，提高设计的精度。比如，可以实时监测水流的流动情况、水压的变化，对水电站的稳定性和安全性进行评估，为设计提供科学依据[3]。

2.2 使制图过程更加快捷

在水利水电工程设计中，设计人员会根据具体的工程需要，对所需的工程资料进行分析，然后再依据所得到的结果，绘制出相应的图纸。因此，在水利水电工程中，由于需要大量的资料支持，所绘出的设计图纸体积庞大、难以保存、易遗失，而且由于传统的绘图技术存在着很大的差错和误差，给水利水电工程带来了很大的负面难度。三维CAD 技术具有自动求解的能力，它可以对工程资料进行直接的计算、处理和分析，从而提高工程设计的效率，提高设计精度，使设计周期进一步减小。而且，三维CAD 技术可以将多种设计要素整合到一个模型中，提供全方位的设计环境。设计人员可以通过模型的快速修改、重新设计等功能，快速实现设计方案的调整和优化，节省人力和时间成本[4]。

2.3 便于携带，容易保存

传统的工程图制作要求设计者携载很多的设备和工具，这不但增加了设计的难度，而且耗费了设计者大量的时间和精力，导致了工作效率的下降，同时也造成了设备的损耗。信息化技术是伴随着因特网信息技术的不断发展而逐步完善的。三维CAD 技术能够存储设计图纸和资料，减少数据丢失的可能性，同时也避免了纸张上的线条表达不清楚。

2.4 便于多学科协作

水利水电工程设计涉及多个学科的知识，如土木工程、机械工程、水力学等。通过三维CAD 技术，可以将各个学科的专业知识整合到一个模型中，方便不同学科之间的协作和沟通。不同学科的专家可以在同一个模型中进行设计、修改和审核，实现更高效的团队合作。

2.5 增强工程展示效果和宣传效果

三维CAD 技术可以将设计的水利水电工程以逼真的三维效果呈现出来，将设计思路和想法更直观地展示给客户和决策者。这不仅提高了设计的可视化效果，也方便了客户和决策者对工程方案的理解和评估。

2.6 提升水利水电工程质量

在水利水电工程中，由于经常要修改和变更设计方案，因此操作较为烦琐，涉及大量的相关资料，很可能会造成计算误差，从而影响项目的施工。而三维CAD绘图则具有较强的直观性，能从三维空间的视角来检查设计是否合理，并能及时发现不合理的地方，并对其进行改进，从而能有效地减少施工中的安全隐患，从而在根本上改善工程质量。

3 三维CAD 技术在水利水电工程中的应用

3.1 CAD 技术的应用范围

3.1.1 在水工设计中的应用

在水利水电工程设计中，因为工程的复杂性，它需要和各个领域相互合作、相互协调。为了改善设计的灵活性，减少设计的缺陷，有必要改善框架设计模块在设计中的应用，明确设计权限，实现并行性和设计的协同效果。此外，在这项研究中，使用相应的方法来选择和确定设计模板的参数，构建三维形状结构，并引入计算机辅助设计分析软件CAD，更快速地绘制出立体的设计草图。在草图设计结束后，按照CAD 的剖面和平面设计图纸，进行立体建模，以加深对空间的认识，并对平面设计图纸进行反复校核。在进行设计时，应加强与各方面的沟通与交流，以达到改善设计效果的目的。

3.1.2 在地形地质中的应用

利用等高资料，使三维地貌的数字化更加准确、快捷，并能建立水工建筑物大坝、原始地貌、开挖边坡、引水洞等立体地貌。采用电脑进行设计，模拟效果好，能及时调整原图，使实物与图形更符合。由于三维地形具有较高的拟真度，可以计算出各种复杂部位的容积，并能按实际需要进行开挖、转动，利用测量数据快速准确的计算出土方。

3.2 水利水电工程中三维CAD 技术应用说明3.2.1 处理EXCEL 数据

在进行数据处理之前，首先要确保资料的正确性，对前期搜集到的资料进行分析和验证，最后才能录入，转换为特定的坐标。例如，在EXCEL 中执行spline 命令，在EXCEL 中拷贝并粘贴曲线坐标，然后按下Enter键来完成。

3.2.2 绘制水位/库容曲线

首先，输入相应的水位，以及相应的库容，并通过表格本身的计算，快速准确的计算出库容差，并将其转化为实际的数据，进行后续的输入。当全部输入完毕，放大视觉效果和识别效果，调整坐标，执行指令，并按下完成键来完成曲线的绘制。

3.2.3 三维立体渲染

通过使用CAD 技术，不仅可以绘制三维效果图，还可以将数据转换为适用于多个计算机的数据来分析和计算。以更及时的方式可以找到现有的问题和缺陷，也可以调整和改进问题。

3.3 应用CAD 技术设计模型图

（1）在水利水电工程设计中，设计模型图起着非常重要的作用。传统的设计图纸需要手工绘制，存在效率低、易出错等问题。而三维CAD 技术可以在设计过程中，通过快速绘制和修改设计模型图，节省了大量的时间和精力。通过三维CAD 技术，设计师可以方便地在设计过程中进行多种可能性的尝试，通过对模型图的修改和调整，得到最佳的设计方案。并且，在模型图的设计中，可以根据具体的需求设置参数，进行精确的计算和分析。这大大提高了设计的效率和准确性。

（2）首先，工程模型的建立。三维CAD 技术允许工程师在设计过程中建立精确的三维模型。这些模型包括了工程的各个方面，从地形和地质特征到结构和管道系统。通过建立这些模型，工程师可以更好地理解工程的空间布局和相互关系，有助于提前发现潜在的问题并做出相应的调整。其次，可视化和仿真。三维CAD技术还可以用于工程的可视化和仿真。工程师可以使用CAD 软件进行虚拟漫游，以模拟在实际施工中的操作流程。这种仿真有助于识别潜在的冲突和问题，并优化工程设计。此外，三维CAD 还可以用于模拟不同条件下的水流、水压和水位等因素，以评估工程在不同情况下的性能表现[5]。

3.4 应用三维CAD 技术绘制水位曲线

在水利水电工程设计中，水位曲线是一种重要的工程参数。通过绘制水位曲线，可以准确地了解水库的总库容、正常蓄水位、死水位等信息，为工程的水文计算提供依据。传统的水位曲线绘制方法采用平面绘图的方式，需要进行大量的手工测量和计算。而使用三维CAD 技术，可以直接在计算机中绘制水位曲线，一方面可以节省大量的时间和人力，另一方面可以提高绘图的精度和准确性。三维CAD 技术可以将水位曲线的绘制与水位的数学模型相结合，根据数学模型计算出各个水位点的坐标，并将这些数据输入CAD 软件中进行绘制。通过三维CAD 技术，可以直观地显示出水位曲线的形状和变化趋势，为水利水电工程设计提供了直观的参考和依据。

3.5 施工设计优化

在水利水电工程的施工过程中，施工设计的合理与否直接影响着施工的效率和质量。传统的施工设计方法主要依靠二维CAD 技术，对工程进行平面绘图和布置。然而，二维CAD 技术只能提供平面信息，对于工程的三维结构和空间布置无法进行全面和准确的表达。三维CAD 技术通过对工程的三维模型进行建模和优化，可以直观地显示出工程的三维结构和空间布置。通过三维CAD 技术，可以对施工设计进行全方位的考虑，避免了传统二维CAD 技术可能存在的遗漏和错误。在水利水电工程的施工设计中，三维CAD 技术可以进行工程结构的优化和调整。通过对三维模型的操作和修改，可以优化工程的结构和布置，提高工程的施工效率和质量。同时，三维CAD 技术还可以对施工过程进行模拟和预测，为施工的安全和顺利提供科学依据。

4 实际应用案例

4.1 案例介绍

钢岔管是目前水利水电工程中使用最多的一种设备，它主要由锥形、柱形和球形组成，由钢板卷焊接而成，通常可分为三梁、牙肋岔管、贴边岔管、球形岔管、无梁岔管等。由于岔管的形状复杂，其外形的展开和结构设计都有一定难度，必须进行复杂的平面几何分析，从而确定了采用三维CAD 技术进行岔管工程的设计。

4.2 计算步骤

以Y 型三梁不对称岔管为例，采用圆筒管作主管，圆锥管作分支管，管与管的肋厚18.3mm，管内直径600mm 和300mm，故设计公切球半径为300mm。根据三梁岔管结构的有关规定，将锥管的分岔支座腰线弯成11°，并给出了详细的计算程序。

（1）利用组装设计模组和部件模组，以几何参数为基础，构造出一种立体模型。岔管立体模型如图1 所示。

图1 岔管立体模型

（2）利用CAD 软件的绘图功能，利用预先函数来决定体形图，并测量出控制体形的基本参数，如图2 所示。

图2 主管和支管的体型（单位：mm）

（3）采用软件的扩展功能，将内部平面图展开，获得具体的主管和分支机构的展开图，并从主管的展开曲线中抽取数据，计算出U 梁的内缘椭圆长、腰长、短轴的具体长度，并确定具体的公式。

4.3 设计结果

采用三维CAD 技术对分叉管道进行了三维建模，其坐标值与数解方法的结果比较接近，能够达到精度要求。该设计过程没有采用任何计算公式，具有操作简便、操作简便、操作效率高、工作量少、设计成果直接输出的优点。

5 结语

综上所述，与传统手工绘图相比，三维CAD 技术在计算方便、操作简单、绘图精度高等方面有着显著的优越性。经济实用、施工速度快、施工质量相对稳定、受气候因素影响小、承载力高、操作性强、施工效率高等也是它自身的优点。然而，这也有其自身的局限性，因此，作为一名工程师，必须提高自己的工程技术能力，以满足新的发展要求。