基于CATIA的堤防三維參數(shù)化設計

朱飛 肖華 高力 徐俊

摘要：堤防工程具有線路長、地形地質條件變化大、工程措施多變等特點，利用傳統(tǒng)二維方法來完成設計會十分繁雜，難以提高工作效率。三維設計是水利工程勘測設計發(fā)展的必然趨勢，基于CATIA軟件進行了堤防工程三維設計的探索研究。首先介紹了利用CATIA軟件進行堤防工程三維設計的基本思路與技巧，并以洪湖東分塊蓄滯洪區(qū)蓄洪工程的腰口隔堤為例進行了地質三維建模、堤防參數(shù)化模板構建、堤防三維設計建模;隨后基于三維勘測設計模型進行了方案比選、工程量計算、二維出圖等初步工程應用。結果表明：相比于傳統(tǒng)二維設計，基于CATIA的三維設計可以顯著提高工作效率，便于直觀表達設計意圖，在堤防工程等長線路工程中的優(yōu)勢十分明顯，具有廣闊的應用前景。

關 鍵 詞：堤防工程; 三維設計; CATIA; 參數(shù)化模板

我國的水利工程建設已處于世界領先地位。但是，目前水利行業(yè)勘察設計仍然采用傳統(tǒng)的平面二維方法，地質、水工、施工、機電等專業(yè)均采用二維出圖的方式來表達設計意圖，這不僅導致各個專業(yè)繪圖工作繁重，而且難以直觀表達工程，極大地限制了設計效率。

隨著信息技術的不斷發(fā)展，實現(xiàn)三維協(xié)同設計、提供空間三維模型來展示設計產(chǎn)品越來越受到水利工程設計、施工和管理各方的關注[1-2]。三維協(xié)同技術的優(yōu)點在于：① 可以一目了然地呈現(xiàn)工程區(qū)域真實地貌以及工程面貌;② 采用參數(shù)化建模，可以方便修改模型;③ 基于網(wǎng)絡環(huán)境的多專業(yè)協(xié)同工作，可提高設計成果質量和工作效率，縮短設計周期;④ 將三維勘測設計成果向水利工程后續(xù)的施工管理和運維管理延伸，可以提升水利工程管理的信息化水平[3-5]。

本文充分發(fā)揮三維協(xié)同技術的優(yōu)勢，基于CATIA三維設計軟件進行了堤防參數(shù)化模板構建、三維建模，并介紹了初步工程應用。

1 CATIA及在水利工程中的應用現(xiàn)狀

目前，國內外流行的三維設計軟件很多，其中CATIA是法國Dassault公司開發(fā)的一套完整的三維計算機輔助設計、制造和工程應用一體化軟件[2]。它的功能涵蓋了設計、分析、模擬、組裝到維護整個工業(yè)設計流程。由于強大的實體建模功能和參數(shù)化建模思路，使得該軟件在航空、汽車、機械制造等領域應用廣泛。

在水利行業(yè)，CATIA也正在快速運用于水電項目的設計、施工與管理。鐘登華等搭建了基于CATIA的堆石壩施工動態(tài)仿真平臺[6]。王天興等基于VB對CATIA進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了基于CATIA的土石壩的邊坡穩(wěn)定計算[7]。李小帥等以CATIA與3DS MAX為平臺，結合CG知識庫，構建了水電工程三維可視化仿真場景[8]。黃志澍等提出了基于CATIA創(chuàng)建三維水電標準件模板庫的一般步驟，通過靈活應用模板庫構件模型，可以大大提高設計效率和精度[9]。王曉龍等提出了基于CATIA的水電站引水系統(tǒng)三維設計方法，并結合CFD有限元計算，進行設計優(yōu)化[10]。此外，諸多學者還進行了基于CATIA的水電站樞紐工程三維設計與應用的相關研究 [11-13]。

2 基于CATIA的堤防工程設計建模

2.1 堤防工程的設計特點

堤防工程作為防洪工程體系的重要組成部分，是防御洪水的最后一道屏障。堤防工程一般具有線路長、沿線地形地貌變化大、堤身填筑斷面標準化等特點。正是如此，不同堤段的工程措施可能多變，需根據(jù)不同的地形地質條件采取相應的治理措施，比如反壓平臺、堤外硬護坡和堤身堤基防滲等。

目前堤防工程設計仍然以傳統(tǒng)的二維設計為主，尚未見到三維設計的相關研究。由于堤防工程線路長、工程措施多變的特點，傳統(tǒng)二維設計工作十分繁雜，特別是在施工圖階段，一般需要每隔50 m繪制橫斷面來進行工程設計和工程量統(tǒng)計，一旦設計方案調整或優(yōu)化，圖紙修改工作量巨大，嚴重影響工作效率，成為困擾設計人員的一大難題。

第7期? ?朱 飛 ，等：基于CATIA的堤防三維參數(shù)化設計? ? 人 民 長 江2019年 2.2 建模思路

為了提高效率以及產(chǎn)品精度，開展三維堤防建模的研究與應用勢在必行。三維堤防建模的兩個關鍵點在于：① 構建滿足施工圖精度要求的三維地質模型;② 建立參數(shù)化堤防實體模型，便于批量化建模及修改。因此，堤防工程三維建模需要各個專業(yè)協(xié)同設計完成，其一般思路可以概括如下（見圖1）。

（1） 三維地質模型。三維地質模型一般由地質專業(yè)和測量專業(yè)負責，需要精確地反映工程區(qū)域的地形和地質情況。堤防工程的堤基地質條件是設計關注的重點，要求模型中能夠將各地層信息、透鏡體等特殊地質結構體現(xiàn)出來。為了便于水工專業(yè)提出合理的基礎處理措施，還需要模型能夠簡單快速地給出各地層的地質屬性和參數(shù)。

（2） 骨架模型。水工專業(yè)人員通過分析工程特點，建立骨架模型，骨架模型一般為模型的關鍵控制點、線和面，自頂而下控制三維設計模型。骨架為布置設計的結果，一般會隨著布置方案的調整而改變。在堤防工程中，一般可以將堤頂軸線上的控制節(jié)點作為骨架模型，一旦軸線需要調整，則只需更改骨架模型中的設計信息，就會改變整個模型，便于控制和軸線變化相關的設計變更。

（3） 堤防三維實體模型。水工人員基于骨架模型，通過導入堤防控制節(jié)點信息，生成堤防軸線，然后基于堤防斷面的參數(shù)化模板，可快速生成初步的堤防實體。為了完善結構設計，還可以通過建立護坡、墊層、堤頂?shù)缆返燃毑拷Y構的參數(shù)化模板，來快速生成細部結構實體。將三維地質模型和堤防實體結合，通過布爾運算等操作，可建立堤防三維實體模型。

（4） 工程運用。基于已建立的堤防三維實體模型，可實現(xiàn)工程量統(tǒng)計、堤防剖面二維出圖以及通過生成輕量化模型導入到便攜設備，現(xiàn)場指導施工。

2.3 模型實現(xiàn)

2.3.1 工程概況

洪湖東分塊蓄滯洪區(qū)位于長江中游北岸，湖北省洪湖市境內，是洪湖分蓄洪區(qū)的重要組成部分，是處理城陵磯地區(qū)超額洪水，保障荊江大堤、武漢市防洪安全的重要組成部分[14]。

洪湖東分塊蓄滯洪區(qū)由腰口隔堤、洪湖監(jiān)利長江干堤、東荊河堤和洪湖主隔堤組成（見圖2），其中腰口隔堤工程全長25.949 km，為新建堤防，設計蓄洪水位30.48 m，堤頂超高2.0 m，設計堤頂寬度8.0 m，內外邊坡均為1∶3，在隔堤背水坡高程28.48 m處設置寬度為3 m的戧臺。由于蓄洪區(qū)水面廣、吹程長，因此隔堤堤外坡采用植生塊護坡，護坡長度為25.469 km。根據(jù)運行特點，植生塊護坡范圍為堤頂以下高度4.0 m范圍內，護坡厚度為15 cm，堤外坡28.48 m高程設置M10漿砌石腳槽（0.6 m×0.9 m），坡頂設置C20混凝土封頂（0.2 m×0.5 m）。腰口隔堤典型斷面如圖3所示。

腰口隔堤堤基上部黏土厚度不大，下部為淤泥質土，存在沉降變形問題。針對這類軟基，擬在堤內外設置反壓平臺，堤內外坡反壓平臺高2～3 m，寬15～20 m。該工程還采用塑料排水板作為豎向排水體，砂墊層作為水平排水體來保障排水固結效果。

2.3.2 地質建模

根據(jù)堤防三維勘測設計建模的一般思路，地質建模由地質專業(yè)和測量專業(yè)協(xié)同完成。在建立CATIA水利水電三維地質建模平臺基礎上[15]，對于堤防工程，基于曲面建模的思路，根據(jù)實測鉆孔資料生成三維地質體，如圖4所示。另外，通過開發(fā)地質體屬性插件，可快速標注地質體地層巖性、物理力學性質等屬性特征及地質體典型照片，實現(xiàn)了地質及工程信息的集成，設計人員可以快速、方便地查詢地質模型的屬性，有利于提高三維協(xié)同設計效率。

地質建模過程中發(fā)現(xiàn)地形面模擬的精度直接影響到模型的精度，進而影響到工程量的計算精度。以腰口隔堤為例，假如地形面高程方向測量誤差在5 cm左右，單個堤防橫斷面占地寬度假定為80 m，則整個腰口隔堤（25.574 km）由于地形面誤差造成的土方量誤差將在10萬m3左右。因此在地形測量時，應加密工程占地范圍內的測量點，提高測量精度。

2.3.3 堤防建模

（1） 骨架及堤頂軸線。選擇腰口隔堤堤頂軸線上的關鍵節(jié)點作為骨架元素，基于骨架，擬定堤防的堤頂軸線。首先利用草圖工具進行二維堤防斷面繪制，由于堤防的各個斷面均以堤頂軸線為控制線，因此可采用基于定位草圖的方式，先繪制任意一條直線和直線上任意一點，再根據(jù)平面定義命令，繪制經(jīng)過該點的直線的法向平面，即可得到堤頂軸線上各控制點的法向平面，如圖5所示。

（2） 堤防實體。腰口隔堤的堤防結構主要包括堤身、護坡、堤頂?shù)缆贰⑴潘搴蜕皦|層等結構。作為堤防工程三維建模的初步探索，本文主要介紹堤身和護坡的建模過程，具體如下。首先繪制堤防斷面模板。通過分析堤防斷面型式及工程措施，提煉出需要參數(shù)化的結構尺寸，在草圖中繪制標準斷面。繪制過程中通過約束命令對各線段進行約束，通過公式或者函數(shù)對各線段的尺寸進行參數(shù)化驅動[16]。制作知識工程模板，該模板的輸入條件為堤頂軸線及控制節(jié)點，輸出為參數(shù)化斷面模型。對于堤防橫斷面，本文將堤頂寬度、堤內外坡坡比、堤內外平臺寬度等參數(shù)化;對于護坡結構，將護坡厚度、長度、坡比、封頂和腳槽尺寸等參數(shù)化;分別構建了堤防橫斷面和護坡結構的參數(shù)化模板（見圖5）。此外，為了完善細部結構設計，本項目還制作完成了堤頂混凝土路面、砂墊層等參數(shù)化模板。

基于知識工程模板中的用戶特征，可將堤防橫斷面和護坡結構實例化到堤防軸線的各個法向控制斷面上，然后基于多截面命令，即可生成三維堤防實體，如圖6所示。從圖中可以看出，結合三維地質模型之后，堤防三維勘測設計模型可以直觀地反映堤防型式與平面布置。

2.3.4 專業(yè)間協(xié)同設計

堤防工程設計主要涉及水工和地質兩個專業(yè)，協(xié)同工作主要為堤基基礎處理。由于地質專業(yè)已經(jīng)將地層信息、鉆孔信息等存入到三維地質模型中，水工人員可通過三維模型整體把握工程地質情況，通過二維切圖了解各個斷面具體地質信息，根據(jù)實際地質情況進行堤基處理措施設計。在施工圖階段，地質專業(yè)可以根據(jù)新的勘探資料修正更新地質模型;水工人員可根據(jù)地質信息變化情況，對堤基處理措施進行調整優(yōu)化。

2.4 模型應用

2.4.1 工程量計算

工程量是工程方案比選和施工組織設計的重要依據(jù)，也是計算工程投資的重要基礎。傳統(tǒng)的堤防工程量計算是分段計算求和，施工詳圖階段一般每隔50 m統(tǒng)計一個設計斷面的堤身清基量、開挖量、填筑量、護坡工程量等，工作量巨大且存在一定誤差。該示例采用CATIA測量工具直接量算工程量，計算簡便且精度相對較高。

腰口隔堤工程在可研階段時擬定了兩個堤線方案進行比選，為了體現(xiàn)參數(shù)化建模的靈活性，對堤頂軸線參數(shù)進行簡單修改后，便可快速得到比選堤線和推薦堤線的三維模型。通過提取清基面可以繪制清基范圍線（即堤防占地線）和計算清基工程量，通過測量堤防填筑實體、護坡、腳槽封頂?shù)鹊捏w積等可得到相應工程量。表1給出了采用CATIA測量工具計算的結果和傳統(tǒng)二維設計計算的工程量比較。

表2給出了推薦堤線和比選堤線的工程量比較。可以看出，基于CATIA三維設計與二維設計的工程量基本一致，僅土方量存在一定的誤差，但已在可接受范圍內，表明CATIA模型的精度較高;另外，根據(jù)推薦堤線和比選堤線的工程量比較，可以快速地估算工程投資的差別。由于比選堤線的堤防模型可在推薦堤線的基礎上對堤軸線進行修改快速得到，從中也體現(xiàn)了CATIA在模型修改以及工程量統(tǒng)計上的效率，這是傳統(tǒng)的二維設計無法企及的。

2.4.2 二維出圖

根據(jù)已建好的三維勘測設計模型，利用CATIA的交互式工程制圖功能，繪制二維設計圖紙。在工程制圖界面下，利用CATIA水利水電三維地質建模平臺上的二維出圖功能[14]，可以快速生成包含地層、鉆孔、堤防結構等的設計橫斷面，而且設置統(tǒng)一的繪圖比例、標尺、高程、圖簽等信息，隨后只需稍作加工整理便可出圖應用，如圖7所示。

3 結 語

本文基于CATIA平臺提出了堤防三維勘測設計建模的一般思路和方法，實現(xiàn)了腰口隔堤的堤防三維建模，并進行了初步的工程應用。和傳統(tǒng)的二維設計相比，CATIA三維建模在模型修改、工作效率和直觀表達方面都具有顯著的優(yōu)勢，在堤防工程中具有很好的應用前景。下一步需要進一步豐富基于CATIA三維堤防模型的工程應用，完善二維出圖功能，指導施工，使之能夠成為提高設計水平、提高施工管理水平的利器。

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（編輯：胡旭東）