基于CATIA的拱壩泄洪建筑物三維設計

程漢鼎 毛擁政

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 引言

三維設計的出現是工程設計的必然趨勢，三維設計能更準確地表達技術人員的設計意圖，更符合人們的思維方式和設計習慣。CATIA平臺是一款功能強大的CAD/CAE/CAM一體化終端，其設計技術和解決方案在世界上處于領先地位，目前已廣泛應用于航空航天、機械制造、電器電子、土木工程等領域，并逐漸向水利水電工程、巖土工程、地理信息、資源環境等領域發展。

本文以三維設計軟件CATIA為平臺，利用其強大的三維設計功能，實現了三河口水利樞紐拱壩壩身泄洪建筑物設計，解決了泄流表孔、底孔曲面結構及同拱壩曲面復雜的相交問題，實現了泄洪建筑物快速、精確的設計。

2 CATIA軟件的特點

CAT IA是基于特征的參數化實體建模軟件，它的草圖設計與傳統的CAD二維繪圖技術區別關鍵在于采用了參數化造型系統，可使產品的設計圖隨著某些結構尺寸的修改而自動修改圖形。CATIA的內容涵蓋了產品從概念設計、工業設計、三維建模、分析計算、動態模擬與仿真、工程圖的生成到人機交換等實用模塊。其特點表現在：

（1）三維參數化設計功能。拱壩泄洪建筑物形狀復雜、參數嚴密，可以完全拋開傳統的曲面建模方式，直接輸入參數公式，利用法則曲線生成泄流表孔的堰面曲線，通過變量和參數化混合建模方法建立精確的三維模型，達到與實物完全一致的效果，并能夠用于各種后期的受力分析研究。采用的參數化造型系統，可使產品的設計圖隨著某些結構尺寸的修改而自動修改圖形。

（2）裝配設計功能。CATIA中的裝配模塊是基于各個零部件之間的約束關系將各個零部件組裝起來。裝配過程完全體現了設計者對零部件之間的約束關系的理解，能方便的定義裝配件之間的約束關系，實現零件的自動定位，并檢查裝配件之間的一致性。水電工程中絕大多數的模型都包含多個零件或組件，需要通過裝配達到設計的最終目的。

（3）知識工程模板功能。可以將隱形的設計實踐轉化為嵌入整個設計過程的知識存儲起來，在參數和特征之間建立各種簡單或復雜的規則。用戶通過公式、規則、分析和檢查，將其知識嵌入到設計中，實現設計的知識化，并建立可交互式的用戶特征，可在設計的任何文件中調用。

（4）三維輔助設計功能。在整個產品周期內CATIA具有方便的后期修改能力，無論是實體建模或曲面造型，根據CATIA提供的智能化樹結構，用戶可方便快捷地對產品進行重復修改及各種比較方案的設計。

3 泄洪建筑物三維設計方法

本次采用了自上向下的設計過程，即遵循概念設計、結構設計、詳細設計的設計順序，即在零件設計的初期就考慮零件與零件之間的約束和定位關系，在完成產品的整體設計之后，再實現單個零件的詳細設計。

根據泄洪建筑物的功能，先設計出初步方案及結構草圖，并建立由約束驅動的產品主模型，主模型是一些簡單的點、線、面組成的一個模型的骨架或軀干，在各零部件的建模過程中，僅是引用了主模型中的某些點、線、面作為各零部件建模時的參考元素；通過設計計算，確定設計參數，然后進行零件的詳細設計，并建立用戶特征，通過幾何約束求解及調用用戶特征將零件裝配成產品；對設計方案進行分析，并與相關專業協調修改后，完善產品設計。

圖1 泄洪建筑物三維設計流程圖

圖2 三河口水利樞紐總布置圖

圖3 泄洪建筑物骨架圖

圖4 泄洪建筑物零部件圖

圖5 拱壩及泄洪建筑物模型圖

4 工程應用

4.1 泄洪建筑物布置

三河口水利樞紐大壩泄洪建筑物采用了“壩身分層出流、消力塘消能”的布置型式，由壩身泄洪表孔、放空泄洪底孔及下游消能防沖建筑物等組成。泄洪表孔及泄洪底孔均布置在拱壩壩身，泄洪表孔采用淺孔布置形式，泄洪底孔相間布置在三個表孔之間，形成三表孔、兩底孔的布置格局。泄洪表孔由堰頂上游段堰面曲線、堰頂下游段堰面曲線、反弧段、出口挑坎組成。底孔由進口段、中部有壓流段和出口消能段三部分組成。三河口水利樞紐總體布置如圖2所示。

4.2 泄洪建筑物三維設計過程

在本次設計過程中，將泄洪建筑物的整體模型分為五個零部件：左表孔、左底孔、中表孔、右底孔及右表孔。

4.2.1 模型骨架設計

骨架是三維設計的核心，能確定水工建筑物空間定位和相互關系，是設計的基礎平臺。泄洪建筑物骨架設計是對其進行充分認識和分解后，結合設計流程，運用控制元素對整個模型結構進行有效的總體控制，形成類似樹干狀的結構，并建立有效的參數信息傳遞線框及流程的自上而下的設計方法。本次建立的泄洪建筑物骨架如圖3所示。

4.2.2 零部件設計

在草圖繪制器中進行輪廓設計，利用繪制的輪廓圖構造實體零件對象或曲面特征。零部件設計的主要思路是由整體設計到局部設計，由結構設計到詳細設計。即通過草圖中所建立的二維輪廓，利用零件設計所提供的功能，創建三維實體。根據泄洪建筑物的設計參數，對三維實體加以編輯修改及細部的外型設計，如開槽、鉆孔或倒角等，從而完成泄洪建筑物的零部件設計。整個設計過程從整體到細節逐步加深，根據設計參數及設計者的意圖，控制零部件的體型。

4.2.3 模板設計

應用CATIA的知識工程模塊，創建泄洪建筑物五個零部件的標準件模板UDF，將零件內部的某些幾何特征的創建過程記錄下來，如實體特征或曲面特征等，具體分為超級副本和用戶自定義特征。本次采用的用戶自定義特征創建了泄流表底孔的特征模板，可作為相似工程設計時的零件直接調用。而且，調用模板的時候，只需修改模板設計參數即可實現快速建模。

4.2.4 裝配設計

水工專業通過骨架及模型實現了零部件的定位，金結、機電及其他專業可通過裝配關系，采用約束的方法實現專業協同。將所需要裝配的零件導入裝配模型中，根據各零件間的裝配關系施加適當約束，通過裝配空間分析發現零件的缺陷及與其它建筑物之間的裝配沖突，并做進一步的修改后完成零件的設計。

4.3 泄洪建筑物成型

根據泄洪建筑物的層次化結構、整體控制骨架和主要設計參數，通過發布/引用功能管理各個結構的關聯性，并在骨架控制元素（點、線、面）的基礎上，將設計好的泄洪建筑物零部件模板通過調用的方式進行組裝。建立的泄洪建筑物泄流表底孔零部件設計成果如圖4所示。

本次設計運用了三維協同設計，采用統一數據源，實現了動態實時在線設計，并對設計成果進行集中管理，以泄流表底孔與拱壩壩體的設計為例，協同設計實現了壩體與泄洪建筑物之間相互關聯及完美結合。最終，建立的三河口水利樞紐大壩壩身泄洪建筑物三維設計模型如圖5所示。

5 結論

（1）應用CATIA軟件的三維設計手段，對水工拱壩泄洪系統設計進行了研究，探索了建模方法、參數化技術、模型裝配以及模塊化設計等在復雜工程設計中的應用，完成了三河口水利樞紐壩身泄洪建筑物的三維設計。

（2）三維參數化設計，在模型建立之后，只需要對設計參數進行修改，即可自動更新整個模型，達到快速、精確、方便地修改模型的目的。

（3）在可視化設計的基礎上，可以達到簡化設計的目的，如工程量和設計坐標的的快速量取、壩體砼分區設計等。

（4）采用骨架和模板化設計思路，實現了設計方案的快速調整，提高了工作效率。

本文論述了CATIA軟件的特點和三維參數化設計方法，并基于CATIA平臺，實現了三河口水利樞紐大壩壩身泄洪建筑物三維參數化設計。實踐證明，三維設計能更直觀、更高效、更精細地完成項目設計，是工程設計的必然趨勢，CATIA軟件在水利工程設計中具有良好的應用前景。陜西水利

[1]黃艷芳，李小帥.CATIA軟件在雙曲拱壩設計中的應用初探[J].人民長江，2009，40（21）：26～28.

[2]董甲甲，楊磊，杜燕林，等.基于CATIA的重力壩可視化設計水利水電科技進展[J].2010，30（5）：57～60.

[3]房穎.CATIA軟件在水利水電工程中的應用[J].吉林水利，2009，11（330）：41～42.

[4]顧巖.三維設計在水利水電行業中的應用探討[D].天津大學，2006.

[5]李斌，宗志堅，郭莉莉，等.基于CATIA的水利水電工程三維設計應用教程 [M].鄭州：黃河水利出版社，2011,8.

[6]汪逸.工程設計CAD應用面臨新技術的選擇[J].工程設計CAD與智能建筑，1999，1.

[7]陳伯雄.三維設計是CAD技術應用的必然趨勢 [J].計算機輔助設計與制造，2000，（8）：11～13.

[8]余軍，田永生，胡燚，等.拱壩三維設計技術應用與研究 [J].人民黃河，2013，35（3）：79～81.

[9]黃艷芳，李小帥.CATIA軟件在雙曲拱壩設計中的應用 [J].人民長江，2009，40（21）：26～28.