基于3DE平臺的大壩分割技術研究

鄭洋 張克

摘要：計算機輔助設計技術已成為大壩施工過程中處理復雜數學模型的有力工具，為進一步實現模型信息集成、交互式設計和分析，基于已有的大壩模型，引入了3DExperience平臺，并利用該平臺的三維設計功能，使用基于部件的設計方法完成對大壩復雜施工過程中細部模型結構的劃分。通過三維數字建模，建立了基于規則的知識工程模板，可以輔助設計人員提高建模效率，便于設計人員制定合理的施工方案。研究成果可為施工組織設計提供參考。

關鍵詞： 3DExperience; 大壩施工仿真; 細部構造; 計算機輔助設計

中圖法分類號：TV512 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.004

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0017 - 06

0 引 言

大壩施工組織是一個十分復雜的過程，傳統方法中憑經驗使用類比法來安排大壩澆筑順序和施工進度極為困難，且缺乏系統的定量分析和計算。近年來，隨著計算機和系統仿真技術的迅速發展，在計算機上進行大壩施工仿真試驗及分析逐漸成為可能[1-4]。但是，目前的研究多停留在對施工動態過程的仿真計算實現上，而很少考慮仿真建模過程的簡化及仿真計算過程的直觀表達。國外很多學者通過可視化施工仿真方法解決了施工過程中的一些關鍵性問題[5]。Wang等[6]在2014年將建筑信息模型BIM與施工仿真相結合，考慮施工工期的不確定性而得到工程施工的進度計劃，建立了以BIM為基礎的4D模型。中國對水電工程施工場景三維建模方法和可視化進行了大量研究。李小帥等[7]在2012年以CATIA與3DS MAX軟件為平臺，結合CG知識庫，構建了三維可視化仿真場景。然而，水電工程三維模型多是基于3DS MAX或GIS等軟件建立的，模型精度較低，難以修改，也不利于重復利用[8]。近年來，少數學者以CATIA為基礎建立了參數化的大壩三維模型，實現了三維模型的參數化設計和快速修改，但基于施工仿真的數字模型卻無法實現施工中的仿真模型重復使用。基于上述研究的局限性，本文首次提出在3DExperience（3DE）平臺上開展大壩施工細部模型的劃分工作，利用3DE平臺的知識工程模板功能，可在大壩施工項目中進行模型復用;且結合實際工程，運用3DE平臺實現知識經驗重用，能有效提高大壩施工細部模型的設計和修改質量，精準建立大壩施工仿真模型，為施工組織提供重要的理論與技術支持。

1 3DE平臺在水電工程中的應用

3DExperience平臺提供了智能化的結構樹，而且對實體或對象，都可采用變量和參數混合的方式進行建模，并利用知識工程設計思想構建通用的模板，因此在整個建模過程中，可以快速對模型進行設計、修改和實例化。近年來，隨著軟件技術的發展和應用，利用軟件的開源和開放特性，工程師可以運用工程語言，結合模型特點，通過簡單的邏輯編輯后批量實例化工程模板。

3DE平臺是基于單一數據源（3D模型）的系統架構，能保證水利水電各專業之間數據的統一和及時更新，通過關聯設計大大減少修改工作量。知識工程模塊中的參數設計規則、文檔模版等把工程設計流程和經驗知識很好地集成在模型文件中，可快速實現不同施工方案的對比、開挖工程量的計算、數字化模擬施工過程和施工設計管理等，有助于縮短工程設計周期。高集成、大數據的特點讓3DE平臺在水電工程領域得到廣泛應用。

在3DE平臺中利用IFC設計類型和設計模板，并結合水利水電工程的規則、規范和三維設計方法進行知識工程開發，從而對大壩施工模型進行高效合理分割和提取，對提交的施工模擬方案進行各種不同方案的優化仿真。本文以拱壩施工模型為研究對象，探討了數字化高效的三維模型分割技術。

2 三維大壩施工模型分割技術的解決方案

由于拱壩的三維建模通常采用對拱壩設計方程的離散取值擬合建模，因此，在3DE平臺的三維設計軟件中，利用Civil 3D Design模塊和規則命令，設定拱壩參數，定義不同的系數后得到拱壩的三維參數設計模型，應用曲線方程，完成上游面和下游面的大壩曲面三維建模（圖1）。

大壩澆筑是水利水電工程施工中的重要組成部分，特別是對于規模大、施工強度高、工期緊的工程，澆筑問題更顯重要[9]。在完成大壩三維設計的基礎上，需要在三維模型上提取相關信息，提供施工方案設計的原始依據[10]。對大壩進行合理的分割，提取必要的距離、面積、體積信息，結合已有的施工分析體系，可以快速完成水利水電工程施工進度方案的編制，同時將計算結果反饋到三維模型中。

結合大壩模型的設計特點，大壩施工模型分割的需求是將大壩進行沿壩體軸線方向和沿壩體高程方向兩部分的分割。實際分割時，可以根據設計需求合理制定所需的分割方法，例如在沿壩體軸線方向分割時，可以采用知識工程中的參數化建立自定義特征的模板來實現。而沿壩體高程方向分割時，由于高程位置的不確定性，分割的部位難以控制。因此，需要制定一個合理的方法，并能保證后期變更時自動更新的需求。基于此，本文提出使用3DE平臺的基于部件的分割方法，對大壩壩段進行基于設計元素和設計模板分割的技術。

3 基于3DE平臺的大壩施工模型分割技術

結合大壩三維模型的設計特點，將大壩劃分成不同區域，生成相應的分割模型。本文大壩施工模型的分割技術分為兩種：① 基于模板的知識工程分割方法;② 基于部件的設計元素和設計模板分割方法。結合3DE平臺的工程語言進行模型分割，提高實例化模板的效率。

3.1 基于3DE平臺的大壩施工模型分割原理

3.1.1 基于模板的知識工程分割

在3DE平臺的知識模板創建與CATIA模板創建一樣，都是參數化建模的一個過程。參數化建模的關鍵在于運用參數、公式、規則、特征等驅動圖形以達到改變圖形的目的。3DE平臺不僅具有系統定義的參數，還有用戶自定義參數。通過用于自定義參數和公式的工具，設計人員可以很方便地制出各種各樣的參數以及約束這些參數的公式。知識工程模板就是基于這樣的參數化建模方法，并結合水利水電工程的特點，專門為重復性建模過程而開發的功能。

模板設計允許交互式創建特性、部件和組裝模板，這些模板封裝了幾何規范、相關參數和關系（知識），以便進行關聯重用。用戶特征（圖2）是知識工程模板的一種呈現方式，它實質是一個黑盒，通過確定一個或多個輸入條件，在不開放設計方法和規則內部的知識資產的前提下，將設計數據傳遞給合作伙伴，使合作伙伴能夠利用這些內在的知識。

根據大壩分割的技術特點，沿壩體軸線方向分割的模型都具有相似性。通過修改分割面，模板可以重復利用，也可以通過建立參數化的模板庫，直接調用模板進行復用。3DE平臺提供了工程語言來幫助工程師高效復用這些模板，利用知識工程語言，實現模板的快速實例化。該工程語言通俗易懂，未學過編程語言的工程師也能輕松上手，實現模板復用。通過工程語言中的模板資源，能夠實現用戶特征模型的快速實例化，其中部分代碼如下：

#建立幾何集

Set oPBodyFeature = new（"OpenBodyFeature"， "拱壩分縫"， `沿壩軸線分縫` ）

#遍歷特征體

iDam = iDamPF.Find（"MechanicalFeature"， NULL， true）

lstStr = List（"A"，"B"，……，"Z"）

#快速模板實例化

i = 1

for i while I <= IstSplitJoints.Size（）-1

{

UDFeature = CreateOrModifyTemplate（"CjwUDF"， oPBodyFeature， ` lstResSplit`， i）

UDFeature.SetAttributeObject（"拱壩"， iDam）

UDFeature.SetAttributeObject（"左側面"， IstSplitJoints.GetItem（i））

UDFeature.SetAttributeObject（"右側面"， IstSplitJoints.GetItem（i+1））

EndModifyTemplate（UDFeature）

}

3.1.2 基于部件（CBD）的設計元素和設計模板分割

CATIA三維建模應用發展到3DE體驗平臺后，已經可以適用于12個行業應用領域，針對各領域不同的建模方法和思路，在3DE平臺上對水利水電工程達索系統提出了創新的建模方法：用于創建從概念設計到詳細設計的可重復使用的部件模板，模型顆粒度范圍為LOD100～LOD500。模板可以是用戶特征和工程模板。該方法被稱為基于部件的設計方法，簡稱CBD（Component Based Design）設計方法（圖3）。

CBD方法最早是為了解決水利水電行業中從概念設計到詳細設計過程的問題而提出的。該方法的核心思想是通過錨點在3D零件中捕捉設計意圖，通過將與錨點關聯的特征模板（UDF）一次性實例化以創建概念設計模型，然后通過將跟錨點關聯的基于產品的工程模板或裝配一次性實例化，而在產品結構中得到詳細設計模型。CBD設計方法還支持更改LOD級別，即轉換特征級模型為產品級模型，根據提供的輸入元素可自動實例化和同步用戶特征。工程模板的創建與用戶特征的輸入相同，在產品裝配中可一鍵自動轉換用戶特征為工程模板，加快了概念模型到詳細模型的轉換速度。

3.2 基于CBD的大壩施工模型分割技術

壩體澆筑是以筑塊（對于混凝土壩來說是澆筑塊，而對于土石壩而言是填筑塊）為單位進行的，一個大壩由若干個筑塊構成。筑塊作為對象，其屬性主要包括筑塊所屬壩段號、圖形模型描述、材料屬性及倉號。為了得到筑塊高程信息且滿足多方案對比的需求，運用3DE平臺的CBD設計方法，可實現對大壩施工模型的精準分割和多方案比對。

3DE平臺的CBD設計方法主要就是通過創建設計模板和定義設計元素實現。在大壩施工模型分割技術中，設計模板可以實現特征級別到產品級別的大壩施工模型細分，設計元素則指明CBD設計過程中特征級別和產品級別的出處。可將運用CBD設計方法構建大壩筑塊的三維數字化模型與傳統的大壩分割模型進行對比，如圖4所示，通過對比可清晰分析出傳統大壩分割技術和CBD分割技術的優劣。利用大壩的參數化建模，通過CBD分割技術，可一次性高效完成筑塊模型的轉化，且可修改、復用，其靈活快捷的方式更有利于工程師完成大壩施工模型的細部處理。

3.2.1 CBD設計元素

建筑模型信息（簡稱BIM）對建筑物的信息進行一致的集成管理，被認為是建筑全生命周期管理中必不可少的技術[11]。將BIM的基礎性研究融入到3DE平臺中可以預先有效地分析和優化施工組織和資源配置，從而保證真實施工的順利進行。CBD設計元素也是由BIM統籌者創建，其包含產品屬性和資源表。資源表提供對象定義的3D縮略圖信息和特征模板、產品模板信息，能實現在定義某一業務對象為指定的設計元素時，不影響其產品結構。

設計元素實例化的方法有3種：適應性、參考和分布。適應性的實例化方法可根據上下文的輸入得到模板實例化結果;參考的實例化則是簡單將對象實例化的過程;而分布的實例化是將與關聯特征帶鏈接地簡單復制的過程。根據大壩施工模型分割的設計需求，需要選擇相應的設計元素類型（圖5），且在3DE平臺中，需要保證設計元素類型與設計模板類型的一致性。該案例中創建的設計元素類型為適應性。通過構建的大壩施工模型設計元素類型得以對該對象類型進行配置，如BIM屬性、資源表等。

3.2.2 CBD設計模板

3DE平臺的知識工程模塊提供了豐富的工具，例如參數、關系、公式、規則等手段，以將企業知識嵌入到零部件中，然后通過提取這些知識，在企業內部進行配置，從而實現企業知識的重用，提高設計效率。設計人員在進行模板設計時，無需掌握模板的制作原理，只需確認目標模型中輸入的關鍵參數即可。調用時，模型內部會自行進行運算與調整，快速生成符合設計想法的幾何形狀。3DE平臺中知識工程的主要命令包括：① 公式命令，可將圖形的尺寸、比重、體積等數據以參數的方式表示，通過編輯參數，可以控制產品的特性設計;② 設計表命令，可將標準設計的變量名稱及變量值與Excel 鏈接制成表格，并通過讀取所列的Excel文件，將文件的變量與Excel的字段鏈接;③ 函數命令，通過建立參考方程，利用一個參數來定義另一個參數;④ 規則命令，通過參數數值的判定邏輯來制定規則，以預防在設計中參數值違反設計規范。

用戶可通過幾何模型的表現形式，提取模型中的主要定位、定性或尺寸參數作為自定義變量，利用數學公式、幾何拓撲約束和規則建立靈活的幾何模型。將幾何模型分解成層次合理、相對簡單、標準化的單個模塊，構建成用戶特征或工程模板;在修改時模型可以自動更新，提高修改時生成模型的效率。這種通過用戶特征或工程模板實現一鍵實例化的功能，也能融合到3DE平臺的CBD設計中，且這種通過知識組件封裝后的設計方法能帶來更好的設計體驗。

除了在3DE平臺中基于設計元素選擇相應的設計對象類型外，還需要將用戶特征和工程結構區分開。一般而言，用戶特征被通過知識工程思想創建到設計對象類型的骨架中，筑塊按用戶特征模板的設計思路，通過統一的錨點定位，按一致性的輸入條件，創建最小單元的筑塊個體幾何模型（圖6）;將筑塊切割尺寸以參數的方式建立并保持關聯，可以方便模型的調整。

3.3 基于3DE平臺的大壩施工模型分割

區別于一般的幾何模型，大壩施工模型是一種動態模型，會隨著大壩施工進程不斷變化。由于大壩施工仿真要反映大壩的動態上升過程，所以需要根據施工工藝把大壩分成若干個筑塊。大壩施工模型數據比較大，使用常規建模方法對大壩進行切面劃分的工作量太大;且在大體積混凝土施工中，經常會出現裂縫的情況，而為了避免裂縫情況的發生，通常會給大壩壩體設置橫縫、縱縫，這樣就會形成許多壩段和筑塊。在3DE平臺上，用戶也需要結合工程實際情況，對大壩壩體采取壩段和筑塊分別不同的切割方式。

大壩施工模型的壩段分割就是利用3DE平臺的知識模板特性，建立壩段分割模板，以大壩和分割面為輸入條件，通過知識工程語言快速對大壩施工模型沿壩體軸線進行分割。通過大壩分割模板的復用和根據不同分割面要求，確保工程師通過知識工程和捕捉來實現工程設計過程中的重復性作業，且不需要技能方面的編程資源，就可以實現工程設計經驗的積累和共享。

由于大壩施工模型經分層分塊后，其筑塊數量可達成百上千個，為了便于施工使用，需要將筑塊從特征級別轉為零件級別。在實際施工過程中，每個筑塊由于受到外界環境和混凝土澆筑量等不同因素影響，施工順序和施工組織也都不一樣。為滿足施工組織要求，會對沿大壩高程方向劃分的筑塊根據模型的幾何尺寸、空間位置和使用功能等進行多方面考慮，沿高程采取參差不齊的分割。

在三維設計早期的設計思想中，將特征轉換為產品是通過軟件自帶的宏命令或VB編程來實現的。在3DE平臺下，通過知識組件的設計，運用CBD設計方法就可以達到想要的結果。CBD設計方法應用的根本就是進行部件規格的捕捉，而創建部件規格有單個規格、按模式選擇、曲線模式和線性模式4種方法。每個方法都有其應用特點：① 單個規格通常是進行手動選擇的時候使用;② 按模式選擇通常從集中對象選擇（幾何圖形集或幾何體）或定義輸入陣列（點或軸系）;③ 曲線模式則為沿曲線創建陣列的方式;④ 線性模式則是沿著某個方向創建陣列。基于大壩分割的特殊需求，案例中選擇了曲線模式進行處理，以滿足不同位置上的大壩分割需求（圖7）。

4 大壩施工模型分割技術應用

在土木工程設計中，尤其是建筑及交通領域，存在很多相似形狀的構件（比如雙倒角蓋梁、長方體承臺、圓柱形樁基等）。一般在實際應用中，同一個項目內，相同尺寸、相同結構只需要創建該構件及其編號一次，但相同結構、不同尺寸的構件卻需要分別創建相應構件及其編號，即使是同一構件，在不同項目放置的位置也不一樣，此時需要再重復創建編號，以便于統計所有構件的總工程量。

本文利用3DE平臺的CBD設計方法，根據預定規則創建所需的點、線、面等幾何元素，并基于這些幾何元素進行了精細化結構設計;且知識工程組件有助于工程師通過簡單的腳本編寫，快速實現大批量幾何特征及復雜設計結構的批量建模（圖8），同時保證了后期設計變更的快速進行。

CBD設計方法根據土木工程行業的特點，結合3DE平臺的技術優勢，通過知識工程組件的封裝改良使所需要的模型和結構快速成型。在模型概念設計階段，通過定位到CBD的特征模板，設計人員能夠將特征快速實例化以驗證方案設計的合理性和規范性。在模型詳細設計階段，通過定位到CBD的產品模板，設計人員能夠將產品結果便捷地實例化，為后續施工仿真奠定了堅實基礎。

5 結 語

本文系統闡述了基于知識參數化設計的大壩施工模型智能化分割技術的實現方法。應用基于達索系統3DExperience平臺提供的知識組件，用標準形式封裝通用模塊后，實現自動批量實例化部件且滿足了不同位置的分割需求。設計過程可以通過無需編程的方式定義所述知識組件之間的數據關系和執行關系，建立這些知識組件之間的關聯關系，優化工程設計的過程，并通過知識組件的集成化應用，動態生成、變更、執行和重用設計過程，從而提高工程設計效率。

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（編輯：高小雲）

Research on dam segmentation technology based on 3DE platform

ZHENG Yang1， ZHANG Ke2

（1. Wuhan Office， Shanghai Jiangda Technology Development Co.， Ltd.，Wuhan 430056，China; 2. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： Computer aided design technology has become a powerful tool to solve complex mathematical models in the process of dam construction. In order to realize information integration， interactive design and analysis for models， 3DExperience platform is introduced based on the existing dam model. With the 3D design function of this platform， a component-based design method is used to complete the division of the detailed model structure of the dam. Through 3D digital modeling， a rule-based knowledge engineering template is established， which can improve the modeling efficiency of designers， facilitate designers to formulate reasonable construction schemes. The research results can provide a reference for construction organizations and designs。

Key words： 3DExperience; dam construction simulation; detailed structure; computer aided design