CATIA在隧道模型設計中的應用研究

高勇強

(重慶交通大學 重慶 400074)

CATIA在隧道模型設計中的應用研究

高勇強

(重慶交通大學 重慶 400074)

隨著計算機技術和現代工業的飛速進步，CADCAMCAE正經歷著由二維設計技術向三維設計技術的發展，三維CAD技術符合人的設計思維習慣。目前，在隧道設計領域也正在嘗試改變傳統的二維設計，采用建筑信息模型技術進行三維設計。因此本文采用當前世界主流的CADCAMCAE一體化軟件CATIA，進行隧道三維建模設計，文章通過對CATIA各個功能模塊在隧道模型設計中詳細應用的探討，證明了計算機輔助設計軟件CATIA在隧道三維模型設計中有很好的發展方向。

計算機輔助設計；CATIA；隧道工程；三維建模

1 引言

CATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application的簡稱，它是由法國著名航空航天企業 Dassault Aviation和 IBM 公司共同打造的CAD/CAE/CAM一體化軟件,它的集成解決方案覆蓋所有的產品設計與制造領域，在計算機輔助設計領域處于領導地位[1]。在CATIA V5中，它具有豐富而完善的設計模塊，可以對產品開發過程的各個方面進行設計和仿真，并能夠實現工程人員和非工程人員之間的電子通信。產品整個開發過程包括概念設計、詳細設計、工程分析、成品定義和制造乃至成品在整個生命周期中的使用和維護。由于 CATIA V5內的設計功能主要是針對機械產品的設計，并沒有工程建設的模塊，但根據本文的研究內容，隧道三維模型設計可以看做是模塊化零部件的建立過程，因此本文采用CATIA來進行隧道模型的設計。

2 隧道模型設計的特點

在隧道工程建設中，隧道結構主要包括洞身和洞門。按施工分部進行劃分，洞身( 暗洞) 分為超前支護、初期支護、二次襯砌和溝槽4 部分，共包含30 余個結構模型[2]。因此隧道模型的設計，可以通過模塊化理論和相似性理論，將隧道的各個子結構設計出來，如果設計中有大量的數據支撐還可建立一個零件庫，通過調用庫零件便可快速的完成模型建立，這類似一個搭積木的過程，將單個的模型通過相關命令，不斷的搭建起來，組成想要的模型，這種方法方便快捷，大大縮短了設計周期。

2.1 模塊化設計理論

所謂模塊化設計，就是指為完成一個完整的結構設計，將整個結構從最基礎的部分劃分為結構簡單且無多余的組合關系的部件，它具有多種屬性，能夠反映出整體結構的內部特性。劃分出來的每一個模塊都有自身獨特的子功能，這些模塊必須要按照某種特定的關系組合起來，才能完成整個結構所要達到的設計結果，不同模塊的不同組合關系又能設計出新的結構模型，以滿足設計人員具體功能要求。模塊化設計其目的主要是為了降低結構設計的復雜性，使整個設計過程變得清晰，子模塊的設計更加簡單方便。在結構設計過程中，子模塊是可以組合、拆解和更換的單元，這樣不僅可以使設計過程效率提高，完成的子模塊更易修改、保存，并在以后的設計中重復使用，大大減輕了設計人員的勞動力，縮短了設計周期。

3 CATIA功能模塊在設計中的應用

3.1 Part Design零件設計模塊

在CATIA的零件設計模塊中，它主要包含了二維草圖設計環境和三維實體生成平臺。用戶需要首先在二維平面上繪制草圖圖形，然后再利用三維環境中的功能將草圖生成為三維實體[3]。草圖是零件設計的基礎，它包含了三維實體特征的大體輪廓以及整個設計的最初概念。草圖質量的優劣決定了三維實體特征結構設計的合理與否，因此，在設計過程中起著十分重要的作用。

3.1.1 參數化的零件設計

作為功能全面的設計軟件CATIA V5為用戶提供了一種快速便捷的設計方式——參數化建模，用戶可通過定義特征、 公式、 規則和檢查，產生 Parameters（參數）、Design Tables（設計表）、formulas（方程）、checks（檢查）以及rules（規劃）等知識對象。這些工具可以對產品設計實施參數化，利用企業積累的設計規范或標準對產品設計進行智能檢查、實現設計標準和三維幾何模型的統一的集成化和智能化，從而有利于企業產品知識的繼承和積累，對企業新產品的開發大有裨益。如圖1

圖.1 隧道襯砌參數化二維草圖

圖.2隧道襯砌三維實體模型

3.2 Assembly Design裝配設計模塊

裝配設計的作用是表達產品或部件的結構形狀、裝配關系、工作原理和技術要求等，是進行設計、安裝、檢查、使用和維護的重要階段。CATIA V5裝配設計模塊可以方便的定義零部件之間的約束關系，實現零件的自動定位，并檢查裝配件之間的一致性。另外，裝配設計中很多屬性和設置可以為將來制作裝配工程圖做好準備。基于裝配設計的上述優勢，可將在零件設計模塊中做好的隧道模型，通過裝配約束命令如相合、接觸和移動等組裝成如圖3所示的整體模型。

3.2.1 結構樹的命名與排序

在裝配模式中還可將裝配結構樹重新命名和排序，這樣不僅使產品結構清晰，還能清楚的反應出添加部件的詳細信息，杜絕零件編號重復出現，有利于數據的管理和查詢[4]。具體信息如圖4。

圖3 隧道三維實體裝配模型

圖4 結構樹命名特征

3.3 Generative Drafting工程圖模塊

工程制圖是CATIA設計模塊必不可少的一個功能，它能自動生成多個與傳統的二維設計一樣的工程圖，用于其他參與方的使用CATIA的工程圖設計模塊由創成式工程繪圖（GDR）和交互式工程繪圖（ID1）組成。創成式工程繪圖可以很方便的從三維零件和裝配件生成相關聯的工程圖紙，包括各向視圖、剖面圖、軸測圖；尺寸可自動標注，也可手動標注；生成企業標準的圖紙。其輸出格式有CAD通用的DXF和DWG文件，如此便于在各平臺進行信息交流。CATIA V5工程圖模塊與傳統二維制圖的最大區別就在于圖中所表現的結構特點是與三維模型相互關聯的，它是在已完成的三維模型的基礎上通過必要的編輯和處理等再加工得來，具有獨立的設計流程和知識體系。隧道三維實體裝配設計的產品所生成的工程圖如圖5。

圖5 二維工程圖模塊

4 結束語

本文通過對CATIA零件設計、裝配設計、工程繪圖以及知識工程等建模功能的詳細介紹，并結合在隧道工程設計中的應用，驗證了 CADCAMCAE一體化軟件設計在工程建設領域的具有廣闊的前景，能讓個人和企業在工程設計中提高設計質量、設計效率，縮短設計周期，提高后期運營和管理的水平。因此，三維一體化設計在未來的工程發展中具有重要作用。

[1]李學志，李若松.CATIA實用教程[M].清華大學出版社，2005.

[2]王志杰，馬安震.BIM技術在鐵路隧道設計中的應用[J].施工技術，2015,18（44）：59-63.

[3]李成.CATIA從入門到精通[M].人民郵電出版社，2010.

[4]馮川，廖勇.基于CATIA的BIM在簡支T型橋梁上的應用[J].土木建筑工程信息技術，2015,2（7）：14-19.

TU7

B

1007-6344（2016）07-0105-02