基于CATIA的面板壩趾板三維設計研究

王 蒙，張合作，程瑞林

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

0 引 言

面板壩是當今壩工建設中最常見的壩型之一，也是發展較快的一種壩型[1]。在設計階段趾板通常為整個大壩設計過程中的基準之一；在施工期作為防滲灌漿的施工平臺，作為面板澆筑施工滑模的起點支撐，又是周邊縫止水的基礎[1]；在運行期又連接面板與地下防滲帷幕，與二者組成封閉的防滲體。由于趾板斷面尺寸及走向布置由水頭和地形地質條件決定，走向及尺寸都可能變化，故其空間結構復雜。

面板壩趾板的現有設計方法總結起來主要包括趾板初步定線、趾板布置形式擬定和趾板體形尺寸設計，一般以面板底面與趾板基礎的交線——“X”線作為趾板設計的控制線。目前的趾板設計方法存在一些局限性，總結起來主要包括以下4點：①當趾板走向與壩軸線大角度相交或者已經垂直，“X”線會偏離到趾板斷面以外，或根本不存在；②趾板在轉折處，相鄰兩段趾板的基礎面會出現“錯臺”的情況，設計過程中的處理方式不統一；③往往初選的趾板軸線布置不能滿足要求，需要重新調整布置，這樣趾板的開挖、趾板結構等需要重新設計，重復多，效率低；④趾板的開挖或者結構控制點都需要根據空間幾何關系以及局部與整體坐標系的計算得到，過程繁瑣、易出錯。

本文根據趾板傳統二維設計的缺點以及目前面板壩趾板的三維設計水平，提出一種基于CATIA的趾板參數化的設計方法，旨在提高面板壩設計效率與質量。

1 基于CATIA軟件的趾板三維設計思路

由于平趾板適合機械化施工[1]，在實際工程中應用廣泛，本文主要闡述基于CATIA軟件的平趾板三維設計思路和方法。

基于CATIA的趾板三維設計思路主要為：創建大壩坐標系→骨架定位→趾板軸線布置→典型斷面草圖設計→趾板實體生成。

(1)創建大壩坐標系。整個樞紐作為一個產品，大壩即為該產品的一個零件，所以大壩坐標系和樞紐產品坐標系存在一定的約束關系。通常為了方便大壩各個結構的建模，大壩坐標系的XOY面即為零高程面，其中，Z軸為高程方向，X軸或Y軸為壩軸線方向，坐標系原點即為壩軸線與河床中心線的交點。

(2)骨架定位。為方便整個大壩的后續調整以及參數化設計，首先確定壩體總體骨架，即壩軸線的位置方向、壩頂高程面以及作為趾板軸線支持面的面板上(下)表面等。

(3)趾板軸線布置。結合地形地質體模型、趾板建基面要求和趾板寬度來布置趾板軸線。基于選定的趾板軸線類型來確定趾板軸線支持面為面板上表面還是面板下表面并繪制初步軸線，如圖1所示。這里，趾板軸線段數以及各段走向應結合地形地質模型。

圖1 趾板骨架示意

(4)趾板典型斷面設計。趾板斷面三維設計與常規趾板斷面設計思路相同，本文不再贅述。

(5)生成趾板實體。基于各段趾板的典型斷面草圖，利用CATIA軟件“零件設計”模塊中的“多截面實體”命令生成各段趾板實體[6]。

2 關鍵技術問題

2.1 趾板軸線的選取

在我國面板壩的設計過程中，一般選取“X”線作為趾板設計的軸線[7]。“X”線為面板底面延伸線與趾板建基面的交點所組成的線[1]，該線常作為趾板的開挖或模板架設施工放樣線。但當岸坡坡度較陡，甚至趾板走向與壩軸線垂直時，“X”線就會偏離至趾板建基面以外，或者根本不存“X”線。所以采用“X”線作為趾板設計、開挖或模板澆筑施工的軸線具有一定的局限性。

考慮到趾板“Z”線為面板下表面與趾板下游斜面的交線，在各段趾板之間是連續的。筆者認為，采用“Z”線作為設計軸線是可行的。

2.2 趾板布置

2.2.1 趾板布置原則

趾板的布置原則為在保證趾板基礎滿足滲透穩定要求情況下，盡量減小基礎和邊坡開挖規模，趾板走向盡量保持平順[1]。河床段趾板作用水頭最大，對趾板建基面地質條件要求高，相應的趾板較寬；隨著高程增加，水頭減小，趾板寬度可適當減小。

2.2.2 基于CATIA的趾板布置調整方法

基于趾板布置原則，趾板沿軸線的變化主要包括斷面尺寸變化和走向變化。故在趾板斷面和走向發生變化的地方設置控制點，將趾板軸線分割為若干段，這樣就可以通過調整這兩類控制點的位置來控制趾板軸線的布置。

本文介紹的方法主要包括5個步驟：步驟1，在進行趾板軸線布置之前首先完成三維地質模型。步驟2，根據趾板布置原則，將趾板軸線各控制點與初步設計的高程面約束。步驟3，根據趾板軸線控制點與地質面相對關系移動各控制點的水平位置，該步驟為“粗調”。步驟4，在“粗調”后的控制點附近創建相應的壩橫0+***橫剖面支持面并將其與控制點約束。步驟5，通過壩橫樁號以及高程來實現趾板軸線控制點的精確調整，該步驟為“精調”。

如圖2和圖3展示了步驟3～步驟5中所述的控制點調整過程。控制點3以下趾板需置于弱風化下部，圖中背景即為弱風化底界面；此外，可通過沿特定高程作平切圖的方法來校核趾板建基面是否合適。

圖2 趾板軸線控制點“粗調”示意

圖3 趾板軸線控制點“精調”示意(單位:cm)

2.3 相鄰兩段趾板連接處理

受趾板空間布置特點決定，趾板寬度或走向變化處相鄰兩段趾板會出現不連續的情況，如圖4所示，會出現的侵入、缺口或錯臺的現象，相鄰兩段趾板合理連接是基于CATIA的趾板設計的關鍵問題之一。

圖4 趾板不連續示意

筆者研究發現，在趾板走向和寬度發生變化處增設“異型趾板”可以解決上述問題。具體實施方式為：步驟1，將距離趾板走向或寬度變化處的1～5 m范圍內的標準趾板截斷，該距離視趾板寬度或布置形式而定。步驟2，將相鄰兩段趾板端部截面的對應點連接，形成封閉實體，生成該部位的異型趾板段，如圖5所示。

圖5 異型趾板示意

2.4 趾板優化調整參數化

為減少重復工作量，提高趾板三維設計效率，筆者針對趾板三維設計實現了參數化。趾板設計參數化包括軸線設計參數化和趾板斷面尺寸設計參數化。

(1)趾板軸線參數化。如前文所述，軸線控制點空間位置的控制參數包括高程和壩橫樁號兩個參數，通過調整這兩個參數來更新趾板軸線布置。但是趾板軸線包含多段，兩岸相鄰兩段趾板走向可能相同亦可不同，因而相鄰兩個控制點位置不完全獨立，單純調整各控制點的高程和壩橫樁號參數，可能導致模型出錯。經研究，筆者提出創建布爾參數來控制相鄰兩段趾板走向關系。首先創建布爾參數“BL1”、“BL2”、“BL3”…，布爾參數的個數由趾板軸線段數決定；上述布爾參數分別判斷相鄰兩段趾板的走向關系，若走向相同則BL*為“真”，則高高程的控制點的高程和壩橫樁號由低高程控制點根據趾板走向計算得到，用戶輸入的高程和樁號無效；反之為“假”，則保持用戶輸入的高程和壩橫樁號。

(2)趾板斷面尺寸參數化。趾板標準斷面尺寸的控制參數可以為趾板寬度IE、趾板厚度IH、長度EF和面板下部堆石體高度ZY或者長度XI、長度XE(見圖6)。通過調整斷面尺寸的各參數達到調整趾板斷面的目的。通過對上述樁號、高程和尺寸進行參數化，再配合布爾參數的控制即可實現趾板三維設計完全參數化。當設計方案變化時，可通過修改各參數來實現趾板模型的時時更新，工作效率驟然提高。此外，由于本文所述的趾板設計參數化中趾板軸線的參數化設計具有通用性，不僅僅局限于特定的工程，僅需根據工程具體情況調整相應參數即可，較大程度提高了模型的可重復利用率，減少了設計工作量，提高了設計效率和設計水平。

圖6 趾板標準斷面示意

2.5 設計成果快速輸出

完成趾板的三維模型后，需對設計產品進行成果輸出。

(1)趾板結構圖輸出。基于已完成的趾板三維模型采用CATIA軟件自帶的“工程制圖”模塊可直接進行趾板結構的成果輸出(見圖7)。

圖7 趾板輸出結構

(2)趾板相關工程量輸出。利用CATIA軟件自帶的測量函數，創建測量參數，如基礎處理參數、含筋率參數和混凝土體積參數，將測量參數、測量函數與測量的部位相關聯，即可得到趾板相關工程量，結構調整后工程量能自動更新。

(3)趾板建基面控制點輸出。趾板建基面控制點坐標可通過CATIA軟件測量功能測出控制點坐標并輸出到Excel，根據大壩坐標系原點的大地坐標將模型坐標轉化為控制點的大地絕對坐標。

3 應用實例

某工程擋水建筑物為面板壩，大壩壩高201 m，上下游壩坡分別為1∶1.45和1∶1.4，壩頂寬15 m，壩體分區由上游到下游分別為墊層料、過渡料、上游堆石料、壩頂增模區和下游堆石區。

趾板為平趾板，采用不等寬設計，由河床至壩頂趾板寬度分別為10、8 m和6 m，厚度相應為1.0、0.8 m和0.6 m。采用本文介紹的趾板三維設計方法創建的趾板三維模型如圖8所示，趾板控制點坐標如表1所示。

圖8 趾板結構布置(單位：cm)

4 結 論

本文研究了一種基于CATIA軟件的面板壩趾板三維設計方法，解決了基于CATIA軟件進行趾板三維設計的關鍵性問題，提高了面板壩三維設計效率和水平。

表1 趾板建基面控制點坐標 m

注：表中控制點坐標為局部坐標，保密需要未給出大地坐標。

(1)本文分析了采用趾板“X”線進行三維設計在特殊情況下的缺點與改用趾板“Z”線作為趾板設計軸線的可行性，并系統闡述了一套采用“Z”線作為趾板設計軸線進行趾板三維設計的思路和方法。

(2)基于三維地質模型，實現了通過“粗調”和“精調”的方法進行趾板建基面選擇布置，實現了完全意義上的趾板三維設計。

(3)通過設置異型趾板段解決了相鄰兩段趾板之間出現缺口、侵入或錯臺的現象。

(4)趾板設計的參數化，實現了通過參數來調整趾板布置和斷面尺寸的目的，滿足各設計階段對趾板進行快速調整的需求，使得從前期設計階段到施工詳圖階段僅用一套三維模型即可，提高了三維設計模型的重復利用率，避免了后期調整重新建模的情況，提高了工作效率。

(5)利用CATIA軟件自帶的“工程制圖”模塊以及測量函數，實現了趾板結構圖、工程量和控制點坐標輸出；此外，趾板三維模型調整后，二維結構圖能同時自動更新，相比傳統的二維設計要重新繪圖節省了大量的時間，提高了設計效率。