基于CATIA三維設計軟件的料場開采設計方法

王勇勝，張偉鋒(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

料場開采規劃是施工組織設計中的重要內容，如何快速、精確地獲得料場開采參數一直困擾著工程設計人員。在料場開采的設計過程中，需要多次進行料場比選和調整工作，而對于每一種方案都需計算其料場開采量，獲得一系列的料場開采參數[1]。傳統的設計計算方法主要是“剖面法”，通過在二維的地形圖中切多個剖面估算料場開采量，進行方案設計調整。該方法計算工作量較大，設計效率和精度偏低，后期調整需重新切剖面，方法耗時費力，嚴重制約設計工作效率。而采用基于CATIA軟件的料場開采設計方法可以克服上述缺點，不但能直觀形象地展示出料場開挖的最終面貌，而且可以快捷地得到料場開采量、料場開口線位置、邊坡高度、占地范圍及面積等一系列設計參數，同時其設計的計算精度也大大提高。

CATIA軟件是法國達索公司開發的CAD/CAE/CAM商業軟件系統，因其具備強大的地形曲面處理和三維參數化造型功能，已廣泛應用于航空、航天和汽車制造等行業，但在水電工程中的應用尚處于起步階段[2]。本文結合某水利水電工程料場開采設計，基于CATIA 軟件建立起三維地形面，通過放坡面與終采面控制點坐標建立智能關聯，實現料場開采區域的三維動態化設計。即當料場開采量發生變化時，可通過調整終采面的控制點坐標快速實現料場開挖三維設計實體的動態修改，直到方案滿足工程設計要求為止。

1 方法設計流程

(1)首先收集料場開采設計的基礎資料以及前期規劃設計成果。如料場開采的位置、范圍、規模、開采邊坡坡比及料場的規劃開采量等資料。

(2)基于Catia設計軟件建立三維地形面。根據收集的工程地形資料，運用“DtoA.exe”程序將地形高程點及等高線數據轉換成*.asc格式的點云數據[3]。利用CATIA軟件中DSE模塊下的“IMPORT”生成點云，再運用“mesh creation”生成mesh面，最終建立起可進行布爾運算的三維地形面。

(3)建立料場開挖放坡面。初步擬定料場開采邊坡坡比、終采平臺面高程及控制點坐標等設計參數；在Catia的“零件設計”模塊中，通過終采平臺的控制點坐標建立終采平面輪廓，運用成都院開發的“Slopesmart邊坡設計”插件進行放坡，將放坡線與擬定的終采平臺控制點進行智能關聯，生成料場開挖放坡面。

(4)進行布爾運算，建立料場開挖三維實體。在“創成式外形設計”模塊中，運用分割和修剪命令對三維地形面和料場放坡面進行運算，得到料場開挖面；再利用封閉曲面命令，將料場開挖面生成三維實體。

(5)料場開采動態調整設計。運用Catia中的“測量”工具，獲得料場開采量、占地面積、最大開挖邊坡高度等設計參數。若獲得的設計參數不滿足設計要求，調整終采平臺的控制點坐標或終采平臺高程，料場開采三維實體隨之動態更新，再次運用“測量”工具查看料場開采的設計參數是否滿足設計要求。

2 工程應用

某水利水電工程料場位于壩址上游左岸北溝溝口，分布高程約3 000～3 580 m，屬高中山地貌，平面面積約90 萬m2，地表自然坡度一般40°～50°。該料場巖性主要為片麻巖，僅在低高程有少量角閃巖，風化不強烈，巖質堅硬，試驗指標片麻巖和角閃巖均滿足堆石料原巖質量要求。弱風化-微新巖體可作為有用層，厚度一般400～800 m，初估有用層儲量約15 400 萬m3，該料場的規劃開采量約10 100 萬m3。

2.1 生成三維地形面

根據收集的工程地形資料，運用“DtoA.exe”程序將cad的地形高程點及等高線數據轉換成*.asc格式的點云數據，轉換時注意坐標的初始值。利用CATIA軟件中DSE模塊下的“IMPORT”生成點云，再運用“mesh creation”生成mesh面，生成的料場開采區域三維地形面如圖1所示。

2.2 建立料場開挖放坡面

初步擬定料場開采邊坡坡比、終采平臺面高程及控制點坐標等設計參數，并在Catia“零件設計”模塊中，以擬定的終采平臺控制點坐標建立料場終采平臺的輪廓線[見圖2(a)]，利用Slopesmart邊坡設計插件進行放坡線設計[見圖2(b)]，為了便于后期進行邊坡的調整，將放坡線與料場的終采平面控制點進行智能關聯，再將放坡面與終采面接合[見圖2(c)]，生成料場開挖放坡面。

圖2 生成料場開挖放坡面

2.3 生成料場開挖三維實體

在Catia“創成式外形設計” 模塊中，運用分割和修剪命令對三維地形面和料場開挖面進行運算，得到料場開挖面；再利用封閉曲面命令，將料場開挖面生成料場開挖三維實體(見圖3)。

圖3 料場開挖三維實體

2.4 料場開挖設計的動態調整

運用Catia中的“測量”工具，獲得料場開采量、占地面積及最大開挖邊坡高度等設計參數。若獲得的設計參數不滿足設計要求，需調整終采平臺的控制點坐標或平臺高程。由于將料場的終采平面控制點與放坡線進行智能關聯，故料場開采三維實體隨之動態更新，設計人員無需從頭開始重復以前的工作，這樣能夠節省大量的時間、減少設計工作量[4,5]，大大提高了設計工作效率。通過數次終采平臺的控制點坐標和平臺高程的調整，得到滿足工程設計要求的料場規劃。料場開采成果全貌如圖4所示，相應的料場開采參數輸出如圖5所示。

圖4 料場開采成果全貌

3 結 語

本文依托某水電工程料場開采設計，基于CATIA三維設計軟件生成三維地形面，利用Slopesmart邊坡設計插件快速生成料場的開挖放坡面，通過將放坡面與終采面的控制點坐標建立智能關聯，實現料場開采區域的三維動態化設計。該方法不但克服了傳統切剖面法工作效率低、精度差的不足，而且實現了料場開采的參數可視化設計，并快速獲得料場規劃開采量、征地面積及最大邊坡高度等設計參數，明顯提高了其計算精度和設計效率。同時，該方法也成功運用于施工組織設計中的場地規劃和渣場調整設計中。

圖5 料場開采參數輸出

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[1] 黃少華，萬 軍，王進豐.CATIA軟件在道路三維動態規劃設計中的應用[J].人民長江,2014,45(14):61-63.

[2] 張治軍，陳敦科，蘇利軍，等.基于CATIA平臺的水電工程料場開采三維設計[J]．人民長江，2012，43(19):20-22.

[3] 藺志剛, 王大川, 王 陸,等. CATIA在水工隧洞三維設計中的應用[J]．人民黃河，2011，33(5):143-144.

[4] 王秋明，胡瑞華．基于CATIA的三維地質建模關鍵技術研究[J]．人民長江，2011，42(22):76-78.

[5] 王進豐，李小帥，傅尤杰．CATIA軟件在水電工程三維協同設計中的應用[J]．人民長江，2009，40(4):68-70.