CATIA在某水利樞紐導流洞中的建模與應用

高乃東 許經宇 陳中竹 寧鵬飛

（吉林省水利水電勘測設計研究院 吉林長春 130021）

前言

三維軟件已經廣泛應用于各個領域，CATIA是法國開發的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一體化軟件。目前，水利水電行業已經應用CATIA軟件到水電站、廠房、大壩等水利建筑物的建模與設計中。

楓林水利樞紐導流洞工程是施工專業導流設計的重點，采用 CATIA軟件進行三維設計導流洞，能夠準確地表達技術人員的設計意圖，能夠通過著色和渲染功能得到設計方案的三維效果圖，使得設計人員和決策人員能全面準確地了解其外觀，有助于設計的決策。

根據工程的總體布置，楓林水利樞紐導流洞進口位于大壩上游右岸，進口底高程 750.00m，由進口段、洞身段、漸變段、閘室段、豎井及出口挑流段組成。導流洞洞徑8×8m城門洞型，閘門井后平洞段洞底坡度為 1%。導流洞全長267.5m，其中襯砌段 80m，襯砌厚度 50cm；噴混凝土段 187.5m， 噴護厚度 15cm。導流洞前是引渠段及閘門段，長85m，進口閘門采用鋼閘門，閘門尺寸為8×8m，閘門采用固定卷揚機啟閉；后為出口挑流消能，出口段長30m。

1 應用模塊

施工導流洞作為水工結構物，其建模主要用到CATIA軟件的草圖設計模塊（Sketch Design）、零件設計模塊（Part Design）、裝配式設計模塊（Assembly Design）、創成式外形設計模塊（Generative Shape Design）、創成式出圖（Drafting）、知識專家（Knowledgeware）提供的基本知識管理功能等。

草圖設計就是一個二維輪廓的曲線集合，是整個設計的最初概念。在 CATIA中，草圖是最基本、最簡單易學的，但也是比較重要的部分。草圖質量的好壞，關系到整個模型質量的優劣。零件設計能夠讓用戶在一個直觀、靈活的界面上從簡單入手，逐步精確地設計出滿足設計要求的復雜3D幾何模型。一般實體建模有兩種模式：一種是以草圖為基礎，建立基本的特征，再通過添加修飾特征等創建復雜實體；另一種是以基本形體為基礎，如立方體、球體等，通過并、交、差等布爾運算相結合，生成最終實體零件。

裝配設計是將零件或子裝配整合的過程。各種結構（設備）通常由諸多的零件裝配而成，復雜的結構可能由很多的部件（子裝配）構成，這些子裝配又由更下一級的子裝配或零件組成。在實際的產品開發中是一個把零件裝配成部件（子裝配），再把部件裝配成產品的過程。在裝配過程中，引用零件的幾何體，并通過建立部件之間的約束來確定部件之間的鏈接關系和部件在產品中的空間位置。裝配是整個結構（設備）完整呈現的必要步驟，也是零件設計的完善和深化。

創成式外形設計是線框和曲面造型功能的組合，是一套應用廣泛、功能強大、使用方便的工具集，以建立和修改用于復雜外形設計所需的各種曲面。創成式外形設計是一種基于特征的設計方法，采用了全相關技術，而且在設計過程中還能有效地捕捉設計者的設計意圖，為后續設計更改提供了強有力的技術支持。

創成式出圖可以很方便地從三位零件和裝配件生成相關聯的工程圖紙，包括各方向視圖、剖面圖、剖視圖、局部放大圖、軸測圖的生成；可自動標注或手動標注；剖面線的填充；生成企業標準的圖紙；生成裝配件的材料明細表等。

知識工程專家模塊是設計人員可以把在產品設計中涉及的行業設計標準、尺寸關聯、尺寸約束、特征關聯等信息，用模塊本身提供的公式、規則和檢查等工具表達成模塊化的面向對象的高級語言代碼，其中公式用于通過函數公式表示待定變量與自定義變量和其他一些參數之間的關系；規則用于過編寫程序代碼，有條件地改變尺寸的值，有條件地激活或隱藏特征；檢查選項用于著重標明在校驗過程中涉及的參數，從而方便地確認。

導流洞模型建成之后，需要結合地質情況，布置到實際的地質地形中。需要用到數字化外形編輯（Digitized Shape Editor）、快速曲面重建（Quick Surface Reconstruction）、外形雕刻（Shape Sculptor）。

數字化外形編輯提供數字化數據的輸入、清理、組合、截面生成、特征線提取、實時外形及指令分析等功能。此模塊用于逆向工程的前期，即在數字測量之后，CATIA其它過程之前。

快速曲面重建不僅可以構造諸如不具有平面、圓柱面和倒圓角特征的自由曲面，還可以構造包括自由曲面在內的其他具有機械特征如凸臺、加強筋、斜度和平坦區域的特征曲面。使用QSR模塊可以直接依據點云數據重建曲面，也可以將原有實體修改后通過數字化處理成點云數據利用QSR重建原有的CAD模型上需修改的曲面。QSR模塊可以讓設計者決定是注重重建曲面的效力還是重建曲面質量或兩者都綜合考慮以滿足不同需求。QSR構造的曲面還可以有參數以適應修改的需要。

外形雕刻提供了快速造型工具，可以從概念設計或現有的物理模型快速生成、編輯或提高產品外形。它可以用于由曲線和曲面生成外形，在模型上增加細節，對現有模型進行雕刻，然后把這些特征復制并粘貼到另一個模型上，或簡單地在由CATIA Digitized Shape Editor 2 (DSE)得到的多邊形模型上進行工作。

在結合地形、地質等其他專業的設計中，要應用CATIA協同設計(ENOVIA V5 VPM)，調用其他專業的成果完成施工導流洞的設計。

2 導流洞建模

2.1 導流洞骨架

根據工程的總體布置，導流洞進口位于大壩上游右岸，進口底高程750.00m，由進口段、洞身段、漸變段、閘室段、豎井及出口挑流段組成。導流洞洞徑8×8m城門洞型，閘門井后平洞段洞底坡度為1%。

（1）按照導流洞與大壩樞紐的相對位置，確定建模模型的坐標原點及坐標 X、Y、Z軸。坐標原點采用導流洞洞軸線上進口已知的坐標點D。坐標X軸以洞軸線水平投影為正方向，坐標Y軸以垂直X軸向左為正方向，坐標Z軸以垂直X、Y軸向上為正方向，見圖1。

圖2 導流洞骨架圖

（2）定義導流洞建模工作面。導流洞進口底板高程為750m，導流洞每個洞段均以長度分，按照每個洞段與坐標原點的相對位置，在零件設計工作界面，建立每個洞段的初始、末端工作面，為下一步草圖設計做好準備工作。

（3）定義閘門井建模工作面。由于閘門井軸線位置與導流洞軸線垂直，以閘門井軸線與導流洞軸線交點為原點，垂直閘門井軸線建立閘門井基礎工作面。由于閘門井也有截面變化，按照導流洞工作面的建面原則，建立閘門井各個工作面。

2.2 導流洞實體建模

導流洞實體建模時，以骨架工作面為基礎，按照不同洞段的斷面，建立定位草圖。每個洞段前后斷面建立完成后，在建立實體時，如果前后斷面相同，采用外輪廓拉出凸臺，然后用內輪廓進行凹槽操作即可；如果前后斷面不同，比如漸變段(由城門形斷面變為方形斷面)，則用兩個斷面的外輪廓，應用多截面實體操作，并且合理設置耦合線，拉出實體，然后用移除的多截面實體命令，按照多截面實體相同的步驟，即可做出漸變段實體，見圖2。

圖2 導流洞漸變段建模圖

在進口平洞段實體建模時，由于此洞段洞頂高程為橢圓曲線漸變變化。這就需要在此洞段兩個斷面草圖設計完成以后，在創成式設計環境下，定義兩個斷面變化的引導軸線及洞頂變化的耦合線，然后按照多截面實體的操作，生成洞口平洞段模型。見圖3。

2.3 導流洞開挖面

開挖面用于導流洞模型與地質地形結合以后的開挖工程量計算。

整個洞段實體生成以后，隧洞進出口及閘門井平臺的開挖，以不同地質分界，按照每層巖石（土層）的開挖設計坡比，設計開挖面，在外形雕刻環境下，對地質模型進行布爾運算。并應用CATIA的測量項按鈕，對開挖的各個巖層（土層）分別進行工程量統計。

導流洞封閉洞段開挖，在創成式設計環境下，提取實體的外輪廓面，然后對外輪廓面進行結合。同樣在外形雕刻環境下，對地質模型進行布爾運算，并計算工程量。

開挖模型生成之后，即可利用創成式出圖模塊進行二維出圖。

3 導流洞協同設計

協同設計主要是指企業內部不同設計部門、不同設計專業或者同一項目不同設計企業之間進行協同和配合。楓林水利樞紐導流洞工程參與專業眾多，有測量、地質、施工導流、施工布置、金屬結構等專業。協同設計是一個系統工程，除了單獨的設計功能外，還有相應管理功能。

在引用導流洞地質地形模型時，進入CATIA協同設計平臺。在VPM平臺下可以利用導流洞地質地形發布成果，做出導流洞開挖模型。

當導流洞開挖模型全部做完之后，按照VPM權限，對導流洞成果進行發布，提供給總圖設計及其他專業設計人員引用。

4 結論

隨著工程項目設計周期的加快，越來越多的領域已經應用三維軟件進行工程設計。二維構思，三維實踐，結構復雜的建筑物，三維才能形象的表達，讓實際施工人員看的明白。

CATIA三維軟件應用到水利水電行業日趨成熟，施工專業的結構物用三維軟件設計后，不僅可以使本專業設計高質量、高效率，而且施工專業作為設計過程的中間專業，對整個項目的三維設計也是支撐和保障。

CATIA軟件在施工專業的應用已不僅僅局限于施工結構物的建模，將來三維設計對施工過程控制時，可以進行三維模擬施工開發，三維施工動態開發等。

1 詹熙達. CATIA V5R20快速入門教程[M]. 北京機械工業出版社, 2012.

2 丁源, 劉慶偉. CATIA V5R21從入門到精通[M]. 北京清華大學出版社, 2012.

3 王智明, 楊旭, 平海濤. 知識工程及專家系統[M]. 北京化學工業出版社, 2006.

4 盛選禹, 李明志. CATIA有限元劃分網格教程[M]. 北京機械工業出版社，2011.

5 盛選禹, 李明志. CATIA V5R17有限元分析實例教程 [M].北京械工業出版社, 2009.