基于CATIA軟件的道路三維建模方法

張　波

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽　550081)

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基于CATIA軟件的道路三維建模方法

張波

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽550081)

CATIA作為一款功能強大的三維協同設計軟件在水利水電工程領域已得到廣泛應用。進場道路、場內施工道路的設計是水利水電工程三維協同設計的重要組成部分，本文根據某水電站工程進場道路的建模，介紹了一種以二維平面設計成果為基礎，應用CATIA軟件建立道路三維模型的方法。

CATIA； 道路； 三維模型； 水利水電工程； 參數化

1　引言

水利水電工程具有投資規模大、設計建設周期長、參與設計專業眾多、系統構造復雜等特點。為提高設計效率和水平、增加企業核心競爭力，水利水電設計行業正逐步完成從傳統的二維平面設計到多專業三維協同設計的轉變。水利水電工程建設中，進場公路、施工道路、營地公路串聯整個工程建設區，對于一個完整的水利水電項目三維設計，道路的三維建模必不可少。相比傳統的平面設計僅依靠平、縱、橫二維數據來表達道路的三維空間結構和位置，道路三維設計精度更高，設計成果更加直觀可視。

目前，國內外已有多款軟件具備道路三維建模功能，如德國IB&T軟件公司的CARD/1、美國Autodesk公司的AutoCAD Civil 3D、法國達索公司的CATIA、西安經天交通工程技術研究所的緯地道路設計軟件、南京狄諾尼科技有限責任公司的EICAD、鴻業科技的鴻業Roadleader軟件等。CARD/1、緯地、EICAD、鴻業設計軟件可實現道路三維模型的建立及圖紙、表格資料的輸出，其利用道路幾何設計的基礎數據和地形數據，可快速準確的構建地面、道路、橋隧等構造物的三維實體模型。這幾種專業的道路設計軟件結合規范緊密，具有參數化、模板功能，在單一的道路三維建模方面具有優勢，但這些軟件的參數化關聯設計及地形曲面處理功能有限[1]，也無法滿足水利水電等大型復雜工程的多專業協同設計的要求。AutoCAD Civil 3D是一款專業的三維設計軟件，可完成道路工程、排水管網系統以及場地規劃等設計，它的道路建模功能可以將水平和垂直幾何圖形與定制的橫截面組件相結合，為公路和其它交通運輸系統創建參數化定義的動態三維模型。但其在建筑模型、機電裝配等設計中需結合其他軟件，在水利水電工程施工總布置三維設計中存在不足[2]。

CATIA是法國達索公司開發的大型高端CAD/CAE/CAM一體化設計軟件，其能將地質、工程樞紐、施工布置、場內交通、金屬結構及機電裝配等專業結合在一起進行水利水電工程三維設計，利用其協同設計平臺VPM可將零散的各自設計轉變成集中在線設計，并實現設計模型、結構、骨架、參數、關聯信息的有效管理[3]。CATIA具有強大的參數化設計功能及完備的知識工程功能，可建立道路橫斷面、附屬結構的通用模板庫，實現知識重用及模型的關聯更新。由于CATIA軟件在水利水電工程多專業協同設計及道路三維建模方面有諸多優勢，其已廣泛應用于水利水電工程項目的總體設計中。本文根據國內某水電項目三維協同設計中進場道路的建模，介紹了一種以二維道路專業軟件設計成果為基礎，應用CATIA軟件建立道路三維模型的方法和流程。

2　CATIA道路三維模型設計流程

(1)收集道路設計基礎資料，如地形、地質資料。收集道路二維平面設計成果，如道路平面線、縱斷面線、逐樁坐標表、路基標準橫斷面等；

(2)根據地形資料建立地形三維實體模型；

(3)在CATIA地形三維模型中根據二維平面設計成果建立道路中心線，該中心線為一空間曲線；

(4)建立路基橫斷面三維參數化模板，模板中路基寬度、邊坡坡度、坡高、馬道等均采用參數化設置，以方便調用和修改；

(5)在CATIA創成式外形設計界面下利用路基橫斷面模板沿道路中心線建立整條路線的路基輪廓曲面模型；

(6)將道路的路基輪廓曲面模型與地形三維實體模型進行相交運算，生成道路的填方體與開挖體，以及經過道路開挖與回填后的地形三維實體模型；

(7)在道路開挖、回填后的地形三維實體模型上，建立邊溝、護欄等道路附屬結構的三維模型，得到完整的道路三維模型；

(8)利用CATIA軟件工程量計算功能統計路基填方量、挖方量及各附屬結構工程量，據此與二維設計軟件計算所得道路工程量進行相互校核。

3　道路三維模型的建立

3.1基本原則

建模時世界坐標系采用右手笛卡爾坐標系，XY平面為水平面，Z向為高程方向。建模單位統一為米。

3.2地形三維模型的建立

在CATIA中建立地形模型可以利用自身的網格模型建立、編輯的功能實現，也可導入其他軟件建立的地形模型文件[4]，下面介紹幾種常用的CATIA地形模型的建立方法。

(1)根據測繪部門提供的工程區地形圖，將地形等高線生成的點云數據導入CATIA中，創建地形三維網格模型。

(2)利用地質軟件GOCAD建立三維地質模型，將GOCAD軟件生成的TS格式、STL格式和3DMAX格式文件導入CATIA軟件中生成地形模型。

(3)利用GIS軟件如ArcGIS建立地形數字模型，將ArcGIS的三角網模型tin文件轉換為STL文件并導入到CATIA中生成地形模型。

將CATIA生成的地形三維曲面模型與同范圍大小的長方體三維實體模型做布爾運算，即可得到地形三維實體模型。地形體三維模型的建立將整個水利水電工程樞紐的三維模型精確定位，并為工程區的道路、壩體等建筑物的基礎填筑及開挖做好準備，地形體將與各工程結構物一起構成完整的水利水電樞紐三維模型[5]。

3.3路線的建立

道路是一條三維空間的帶狀實體，該實體表面的中心線為中線，道路中線的空間位置為路線。路線是一條空間曲線，CATIA軟件中路線的建立的方法主要有以下兩種：

(1)空間點直接生成

根據二維道路設計軟件成果即道路逐樁坐標表及路基設計表，得到從路線起點沿路線走向至路線終點的若干個三維點坐標(X、Y、Z)，在CATIA軟件中利用三維點坐標依次建立空間坐標點，或采用Excel表格文件從外部文件導入道路路線上各點的坐標序列得到空間坐標點，將空間坐標點用樣條曲線從路線起點到終點順次相連接即得到路線。這種方法建立路線操作簡單，但路線較長時需要輸入多個空間點，且利用樣條曲線連接空間點模擬的路線精度不高。

(2)二維曲線導入合成

該方法將二維道路設計軟件生成的道路平曲線及道路縱斷面線導入CATIA中通過拉伸、展開、展開轉移等命令生成路線。首先建立路線起點，并導入dwg或dxf格式的道路平曲線，沿坐標軸Z方向(道路高程方向)拉伸平曲線得到拉伸曲面并展開拉伸面。然后在展開的拉伸面上導入道路縱斷面線，利用展開轉移命令在拉伸曲面上得到一空間曲線，該曲線即為設計路線。這種方法建立路線操作過程較空間點直接生成法復雜，但路線由兩條二維曲線即道路平曲線和縱斷面線合成，路線走向與高程均與實際設計線路完全吻合，精度高。CATIA中路線模型如圖1所示。

3.4標準橫斷面參數化模型

道路橫斷面是指道路中線上任意一點的法向切面，它由橫斷面設計線和地面線組成。路基橫斷面的典型形式可歸納為路堤、路塹和半填半挖三種類型[6]，路基橫斷面形狀主要有梯形(直線型)、折線型及帶馬道的臺階型三種。本次設計的道路標準橫斷面為臺階型，包括路基開挖及填筑橫斷面。道路中線上的任一點的路基橫斷面，路面以上部分為挖方斷面，路面以下部分為填方斷面。為方便路基橫斷面設計方案的檢查與修改，將路基橫斷面輪廓進行參數化設置，包括路面寬度、路基填方坡度、路基開挖坡度、坡高、馬道寬度等。道路標準橫斷面輪廓模型如圖2所示。

圖1　道路路線模型

圖2　道路標準橫斷面輪廓模型

3.5路基、路面三維模型的建立

CATIA中建立路基三維實體模型主要通過布爾相交運算。即建立路基三維網格模式路基標準輪廓曲面(或路基標準三維實體)，并與已建好的地形面(或地形體)模型做布爾相交運算，得到路基結構CATIA三維模型。下面簡要闡述CATIA路基三維模型建立的步驟：

(1)在道路起點建立道路標準橫斷面輪廓模型并進行參數化設置。

(2)通過掃掠命令將路基標準橫斷面輪廓擴展到整個路線，得到全線路基標準輪廓曲面(不包含起終點端面輪廓面)。

(3)建立起、終點路基標準斷面，并將其與不含起、終點端面的全線路基標準輪廓曲面接合得到一完整的、閉合的全路段路基標準輪廓曲面模型。

(4)通過鑲嵌命令將填方路基標準輪廓曲面模型轉化為實體模型。將該實體模型與地形面做布爾運算，地形面以上的路基三維體即為路基填方三維實體模型，如圖3所示。將路基挖方標準輪廓曲面作為切割面對地形體進行切割，切割面以上的地形三維體即為道路開挖體，切割面以下的地形體即為道路開挖后的地形三維體，經開挖回填后的路基三維模型如圖4所示。

圖3　路基填方三維實體模型

圖4　經開挖回填后的路基三維實體模型

利用多重提取命令提取路基標準輪廓面頂面并形成厚度與路面設計厚度一致的厚曲面，該厚曲面即為路面結構模型。

3.6工程量統計

在道路三維設計過程中，將地形開挖體、道路填方體、邊溝、護欄等三維實體設計模型分別放入相應的幾何體中，再利用CATIA的體積測量工具可統計路基開挖量、填方量及各附屬結構工程量。據此可與二維道路設計軟件(如緯地、海地等)所計算的工程量進行相互校核。

4　結語

CATIA軟件具有強大的知識工程和參數化建模功能。水利水電工程領域中利用CATIA建立道路三維模型不僅可以完善整個工程樞紐的三維設計，而且可以更直觀地了解進場公路、施工道路、營地公路等道路的走向以及沿線的路基狀況。實踐表明，通過本文所述方法可以在CATIA中快捷、精確的建立以二維平面設計成果為基礎的道路三維仿真模型，該方法適用于水利水電、風電等所有基于CATIA軟件的三維協同設計項目中道路模型的建立。在大型復雜工程項目總體設計中利用CATIA建立道路模型具有以下優勢：

(1)可實現從建立地形模型、道路三維模型到生成二維設計圖、工程量的整個設計過程；

(2)在同一平臺能夠實現多專業的在線協同設計，其模型實時更新，多專業數據共享，既可協同工作，又不互相牽連，可顯著提高設計效率，縮短設計周期；

(3)在工程樞紐區布置道路時，可方便的檢查路線與其他專業之間是否干涉、碰撞，顯著降低出錯率；

(4)得益于優秀的參數化設計功能及知識工程功能，在CATIA中可建立道路橫斷面、附屬結構的參數化模板，可方便設計人員修改及其他工程調用；

(5)地形、道路平、縱、橫與三維模型之間具有互相聯結性，任意參數的修改均可實現模型的同步更新，可大大減少設計變更時模型的修改量；

(6)借助VPM平臺可實現設計、校核與審查同平臺完成。校核、審查人員通過網絡對設計過程中的道路模型進行實時瀏覽可及時發現問題，減少設計人員修改工作量；

(7)強大的地形曲面處理功能，可建立精準的地形模型，使道路的開挖及回填工程量更精確。

同時，CATIA軟件在道路設計中也存在著一些不足，如該軟件目前尚未開發道路工程設計模塊，不能套用現有標準和規范進行設計，若直接在CATIA中進行道路三維建模，設計校核工作量較大，故需結合道路專業軟件設計成果以快速建立符合規范要求的道路三維模型。當路線設計過長時，數據量的增加也會導致程序運行緩慢。我們期待CATIA的后續版本能夠進一步拓展空間應用，為工程建設作出更大貢獻。

[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]繆正建， 王曙東.基于Civil 3D 的水利水電工程施工總布置三維設計[J].人民長江， 2015， 46(增刊I)： 137-138.

[3]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.

[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]劉超， 楊金強，李建榮.CATIA在三維地質建模中的應用[J].現代礦業， 2012，(3)： 40-41.

[6]鄧學鈞. 路基路面工程(第二版)[M].北京：人民交通出版社， 2005.

Methods for Road 3D Modeling based on CATIA

Zhang Bo

(POWERCHINAGuiyangEngineeringCorporationLimited，Guiyang550081，China)

As a powerful 3D collaborative design software，CATIA has been widely used in the field of water conservancy and hydropower engineering.The design of access road and construction road is an important part of the 3D collaborative design of water conservancy and hydropower engineering.According to the access road modeling of a Hydropower Station，this paper introduces a method of building 3D road model by using CATIA software，which is based on the results of two-dimensional design.

CATIA； Road； 3D Model； Water Conservancy and Hydropower Engineering； Parameterize

張波(1985-)，男，工程師，碩士。主要研究方向：公路、橋梁設計。

U41

A

1674-7461(2016)01-0071-04

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.12