基于CATIA石溝水庫重力壩三維設計

付登輝

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

傳統重力壩設計成果以眾多復雜的剖面圖及平面圖的形式展現，設計者需將腦中的三維形體轉換為二維圖紙，在形成圖紙后再將二維圖紙還原為三維形體以檢驗是否符合原設計，且轉換過程中可能導致設計信息丟失[1]。受限于技術本身難以突破其固有瓶頸，設計方案存在方案表達不直觀、工程量計算工作量大、設計修改優化費時費力、設計盲點較多等問題，導致施工期變更、工期、工程量、后續安全等超出原計劃，造成很多不必要的浪費并影響項目整體進度。

目前水利水電行業，BIM三維并行設計在工程中已逐漸推廣應用，對傳統二維CAD設計存在問題能夠為系統解決。其在可視化協同工作環境中，利用骨架控制、參數化關聯設計、模板設計等工具，能夠快速實現方案設計、優化及獲取工程量、坐標；能夠通過協同設計環境在設計中及時發現專業間的碰撞、錯誤、遺漏等問題并快速實現方案調整。

本文主要探討基于BIM軟件CATIA進行施工圖階段重力壩三維設計及施工圖交付。對石溝水庫重力壩應用三維設計完成基本體型及大壩開挖設計、各壩段細部體型設計、壩體分區及廊道設計等。

1 CATIA三維設計

CATIA三維并行設計是基于傳統二維CAD技術發展起來的，是一種多維度的模型信息集成技術，借助其可視化、參數化關聯設計、模板設計、知識工程等工具和協同工作環境，可實現項目所有數據的統一管理與專業間的互通共享，其注重系統集成和整體優化，并不追求單個專業的最優，能夠盡可能消除傳統CAD設計時部門和專業間的壁壘，使彼此之間協同一致，從全局出發優化項目。對有關專家和參與人員提出的合理建議，能夠快速、精確實現修改調整，對于提高設計質量、縮短設計周期，控制工程成本均可以起到重要作用[2]。

1.1 模型可視化技術

快速、精確建立水利水電工程三維可視化模型是推進水利水電工程建設現代化、數字化的關鍵一環，并行設計CATIA可視化建模是實現這關鍵需求的有力工具。模型可視化能夠結合設計人員模型構建的實際思路，不需要反復地在設計對象的二維投影和三維實體之間進行切換，設計成果能夠全面而準確地反映設計產品信息以及建筑物和各專業間的關系；模型可視化能夠在設計過程中，及時發現專業間的錯漏碰等交叉干涉問題，提高產品設計質量。

1.2 骨架技術

骨架也可稱為主控線框，由控制性的點、線、面構成，如樞紐建筑物的軸線、高程、定位尺寸等控制基準點、基準線和基準面[3]。其作用類似人體骨骼支撐整個項目模型，充分結合各專業劃分確定。樞紐區包含大壩、電站廠房、輸（泄）水建筑物、道路等所有專業的細部設計，都要直接或間接依賴于骨架進行定位。骨架從功能上分為定位骨架和定型骨架；從層次上分為總體骨架、專業骨架和更細的構建骨架[4]。通過對骨架參數驅動，能夠從宏觀較快完成方案調整，而無需像傳統二維牽一發而動全身，更改控制點后，相關開挖、建筑物等可能需重新設計。

1.3 模型參數化技術

參數化設計是并行設計CATIA較傳統二維CAD設計主要技術優勢之一。傳統二維設計中，一般對建筑物尺寸等幾何參數進行固定設計，后期方案調整優化，占用設計過程大量時間。參數化設計技術也稱為尺寸驅動技術，通過建立參數與模型之間的對應關系，即可得到不同的模型。其核心思想以約束來建立模型的形狀特征，通過以模型中建筑物的尺寸、位置作為自定義變量，修改變量帶動模型尺寸、位置及其關聯方程的更新，從而完成模型更正并可以方便地創建一系列形狀類似的設計產品。能有效減少設計人員時間成本，使其有足夠時間用于產品優化，提高產品設計質量。

1.4 VPM協同技術

傳統的本地化離線設計方式（即二維CAD設計）需要設計人員之間更多的面對面溝通交流，流程較為復雜，效率和質量由于溝通不足等原因得不到保證；采用VPM協同平臺，它集數據管理、過程控制與網絡通信能力于一體的數據管理技術的集成，使所有設計者都在同一服務器下在線工作，設計數據同步上傳且專業間共享，不同專業間能夠及時查看相關上下游專業變化對自身帶來的影響，及時溝通調整方案，降低溝通成本，減少專業間碰撞，指導優化方向，使項目數據在全生命周期內保持一致。

2 石溝水庫重力壩CATIA三維設計

2.1 石溝水庫簡介

石溝水庫地處陜西省寶雞市太白縣境內，壩址位于太白縣咀頭鎮涼峪村，漢江二級支流紅巖河支流石溝河下游。石溝水庫是《陜西省水庫建設規劃》確定的太白縣咀頭鎮重要水源工程之一，能夠增強太白縣城生活、工業用水的供水能力，對太白縣域經濟發展提升具有重大意義。

本工程為Ⅳ等小（1）型工程，永久性主要建筑物包括攔河大壩、泄水建筑物、放水建筑物，按4級設計；施工導流及臨時房屋建筑等臨時建筑物按5級設計；樞紐區的邊坡按5級設計。

2.2 大壩開挖設計

2.2.1 開挖方式選擇

開挖方式分為傳統“剖面”開挖法及“馬道”開挖法，其區別主要取決于壩肩縱剖面邊坡設計坡度。當坡度較緩時，應用橫剖面可以較好控制剖面間開挖面的邊坡坡比、坡高、馬道寬度，完成開挖設計；當坡度較陡時，應用剖面法設計時，剖面間的實際開挖坡比、馬道寬度則會與剖面邊坡設計參數偏差較大，隨壩肩縱剖面坡度變陡開挖坡變陡、馬道寬度變小。某項目壩肩縱剖面較陡，應用傳統“剖面”開挖法開挖結果見圖1，后選用“馬道”開挖法開挖結果見圖2。

圖1 傳統“剖面”開挖法

圖2 “馬道”開挖法

2.2.2 基本體型及開挖設計

開挖受制于地形地質條件，依附于基本體型，為確保基本體型范圍內開挖面連續完整、地質條件滿足基礎要求，體型范圍外結合施工永、臨道路、場坪、馬道等保證開挖邊坡（土質、巖質）穩定、連續且便于施工。

石溝水庫左岸山梁較陡且邊坡高度較高（約100 m），為減少開挖量且滿足壩體抗滑穩定采用傳統“剖面”開挖法開挖為“窯洞式”；右岸坡度較緩，根據地形地質條件參考類似工程開挖方式，采用傳統“剖面”開挖法。

在CATIA可視化工作環境中將建基面處壩軸線作為樞紐骨架，開挖基于該發布骨架進行設計，通過更改建基面高程，調整基礎開挖深度以適應地質條件；其次，按規劃樁號依次創建左岸擋水壩段、取水壩段、表孔壩段、底孔壩段的基本體型剖面，開挖剖面適應各壩段基本體型基礎輪廓并連續，參數化設計對于各壩段基本體型及壩肩開挖坡比、馬道寬度、高程變化等可隨時調整其相關參數；對于縱剖面右岸壩頂處上壩道路及其上邊坡開挖，結合實際地形地質條件，對道路中心線、開挖剖面等參數不斷優化調整，模型自動更新，實時查看可視化的設計方案。

初次模型創建完成后，從全局檢查開挖設計成果，對剖面間的連續性、開挖面開口及道路中心線的走向等結合地形地質條件依次檢查，通過對相關參數的不斷修正，確使開挖面連續、開挖工程量相對最優、相關坡比、坡高滿足邊坡穩定要求。最后，結合所有開挖面，與地形模型聯合修剪等生成開挖模型并創建開挖體?？闪咳∪我庑枨簏c坐標、獲得二維開挖平面圖、剖面圖、開挖總量。

圖3 與地形模型修剪后大壩開挖面

圖4 大壩開挖體（開挖總量78762m3）

2.3 大壩各壩段細部體型設計

2.3.1 各壩段分區原則

石溝水庫為堆石混凝土重力壩，按壩段功能劃分，分為左、右岸擋水壩段、泄洪表孔、泄流底孔、放水壩段。壩體混凝土不同部位因所處環境、受力情況不同，需結合實際工作環境對強度、抗滲、抗凍、抗沖磨等要求進行分區設計。在確保工程質量前提下，為提高施工效率，設計中盡可能減少混凝土標號的分區種類，盡可能擴大堆石混凝土范圍。

依據相關規范及應力、結構計算等，初步確定基礎墊層、壩頂道路、過水斷面基礎等部位采用C20W4F100常態砼，上游防滲區部位采用C15W6F150自密實砼，壩心混凝土部位采用C15W6F150堆石砼，泄流表、底孔的過水斷面采用一定厚度C40W6F150HF高強砼。

2.3.2 各壩段細部體型CATIA設計

在CATIA協同設計環境中，依據基本體型位置，首先以壩軸線左壩端為基點創建各壩段縱剖面范圍對應的樁號控制面，將其發布給各不同壩段設計人員，用以控制其位置。

各設計人員引用發布基準面，以基本體型為參考，按初定壩體分區完成各剖面體型不同分區劃分，并輸出其輪廓特征，后拉伸各輪廓特征生成對應分區實體。體型受制于地形，表、底孔壩段及左岸擋水壩段基礎部位各分區需適應開挖地形，在可視化設計環境中，可實時查看不同壩段間的連接性，快速溝通，理清初次關系，確認修改優化方向。通過對體型參數的調整，快速完成方案修改，多次反復優化后，完成體型細部設計，結果見圖5~圖7。

圖5 防滲區部位C15W6F150

圖6 壩心部位C15W6F150

圖7 常態砼部位C20W4F100

其中，表孔溢流壩段，堰面采用WES，曲線方程由橢圓、拋物線、直線段、圓弧組成，在知識工程模塊中，創建表孔拋物線堰面曲線方程，在草圖中投影拋物線并按計算方程數據繪制其余曲線，調整參數確保其連接相切，完成表孔堰面曲線設計，拉伸生成過水斷面，見圖8。分區剖面視圖見圖9。

圖8 過水斷面C40W6F150HF

圖9 分區剖面視圖

壩內廊道應為回路，避開過水斷面，且每層廊道均需連接壩體下游面浮橋，以滿足廊道交通要求。設計過程中，在可視化工作環境中，依據體型設計信息，通過對初定廊道軌跡與泄水斷面尺寸量測，選擇布設EL.1646.50 m和EL.1675.00 m兩層廊道。結合校審人員意見，調整廊道參數，完成廊道體型設計，見圖10。

圖10 壩內廊道系統設計圖

2.4 三維模型+二維圖紙施工圖交付方式

利用壩體設計模型，通過測量可以精確獲取任一分區工程量，完成工程量統計；通過切割，可以獲取任一點三維坐標；在工程制圖模塊中，可以獲取平面投影圖，上、下游立視投影圖，任何位置、方向剖面圖，通過在二維CAD中標注即可完成二維施工圖，見圖11~圖14。

圖11 可視化模型測量坐標、工程量

圖12 基于模型生成二維平面圖

圖13 基于模型生成的上游立視圖圖

圖14 基于模型生成的底孔剖視圖

施工圖交付時，采用三維模型+二維圖紙的方式。通過可視化的三維模型，可讓項目參建人員快速理解并熟識設計意圖，減少識圖難度和偏差，確保設計方案的良好實施，有效避免施工期的返工浪費，降低項目總成本，確保項目整體質量。

3 總結

CATIA三維設計是設計、施工一體化的基礎，為工程建設帶來巨大的變革。在工程設計當中運用三維設計，可以使設計人員的思路更加清晰，直接把思考的設計形象展現在設計圖紙中，從而提高設計效率，也可以形象地體現設計形態，再現各種構造之間的空間關系，方便數值計算，保證設計工作的速度，使設計工作更加簡單和方便[5]。動態的數據管理平臺、協同工作環境、骨架控制、可視化、參數化等，對涉及多專業交叉的壩體開挖、不同壩段體型設計、壩體分區、壩內交通廊道系統等，從全局考慮，減少為方便個別專業而忽略或影響其他專業功能的不合理布局，使項目得到最大優化；基于剖面創建的可視化實體模型，能夠精確測量樞紐開挖、建筑物體型工程量，較傳統二維CAD剖面迭代計算工程量更為精確；三維模型+二維圖紙的施工圖交付方式，能夠讓項目參建人員全面熟知設計意圖，大幅降低識圖難度和偏差，可以讓施工人員更精準選擇施工工藝、制定各單元工程工期，確保設計方案的良好實施，有效避免施工期的返工浪費，確保工程質量和進度。