試論三維CAD 技術(shù)在水利水電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

呂書文

（廣西壯族自治區(qū)柳州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西柳州 545000）

0 引言

水利水電工程是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，也是一個(gè)涉及多學(xué)科綜合的工程領(lǐng)域。傳統(tǒng)的水利水電工程設(shè)計(jì)主要采用二維CAD 技術(shù)，該技術(shù)能夠滿足一些基本需求，但是在處理大量數(shù)據(jù)和復(fù)雜情況時(shí)存在一些不足[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，三維CAD 技術(shù)在水利水電工程設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用，目前，我國(guó)正在大力推廣三維CAD 技術(shù)，因此，要使CAD在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，就必須對(duì)CAD 技術(shù)有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

1 三維CAD 技術(shù)概述

三維CAD 制圖是利用CAD 軟件來(lái)輔助設(shè)計(jì)者完成設(shè)計(jì)任務(wù)，它是工程設(shè)計(jì)歷史上的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。三維設(shè)計(jì)是目前二維技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向，而三維技術(shù)又具有許多二維技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，三維設(shè)計(jì)能有效地改善目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度和可靠性，對(duì)于目前的水利水電工程設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)作用[2]。隨著CAD 系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用、現(xiàn)代設(shè)計(jì)問題的復(fù)雜化、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，三維建模技術(shù)在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和工程應(yīng)用的不斷發(fā)展，人們對(duì)建模技術(shù)的要求也越來(lái)越高。我國(guó)目前大部分的三維CAD制圖都是基于國(guó)外CAD 的基本原理而發(fā)展起來(lái)的，而近年來(lái)，隨著世界范圍的不斷變化，三維CAD 制圖技術(shù)的發(fā)展也使傳統(tǒng)CAD 的功能得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

2 三維CAD 技術(shù)在水利水電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 使整個(gè)水利水電制圖更加精準(zhǔn)

在水利水電工程設(shè)計(jì)中，由于其本身的特殊性，使其在設(shè)計(jì)中的工作變得更加困難，而且由于其本身的特點(diǎn)，使得其在設(shè)計(jì)時(shí)不能很好地反映出其結(jié)構(gòu)。三維CAD 技術(shù)的問世，為這個(gè)難題提供了很好的解決方案，而且三維CAD 技術(shù)具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，可以完成水利水電工程中的某些比較復(fù)雜的運(yùn)算，提高運(yùn)算速度和精度，符合目前水利水電項(xiàng)目的精度要求。再者，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)水力過程。而三維CAD 技術(shù)可以更準(zhǔn)確地分析水力特性，通過仿真模擬等手段，提高設(shè)計(jì)的精度。比如，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水流的流動(dòng)情況、水壓的變化，對(duì)水電站的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行評(píng)估，為設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)[3]。

2.2 使制圖過程更加快捷

在水利水電工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)具體的工程需要，對(duì)所需的工程資料進(jìn)行分析，然后再依據(jù)所得到的結(jié)果，繪制出相應(yīng)的圖紙。因此，在水利水電工程中，由于需要大量的資料支持，所繪出的設(shè)計(jì)圖紙?bào)w積龐大、難以保存、易遺失，而且由于傳統(tǒng)的繪圖技術(shù)存在著很大的差錯(cuò)和誤差，給水利水電工程帶來(lái)了很大的負(fù)面難度。三維CAD 技術(shù)具有自動(dòng)求解的能力，它可以對(duì)工程資料進(jìn)行直接的計(jì)算、處理和分析，從而提高工程設(shè)計(jì)的效率，提高設(shè)計(jì)精度，使設(shè)計(jì)周期進(jìn)一步減小。而且，三維CAD 技術(shù)可以將多種設(shè)計(jì)要素整合到一個(gè)模型中，提供全方位的設(shè)計(jì)環(huán)境。設(shè)計(jì)人員可以通過模型的快速修改、重新設(shè)計(jì)等功能，快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和優(yōu)化，節(jié)省人力和時(shí)間成本[4]。

2.3 便于攜帶，容易保存

傳統(tǒng)的工程圖制作要求設(shè)計(jì)者攜載很多的設(shè)備和工具，這不但增加了設(shè)計(jì)的難度，而且耗費(fèi)了設(shè)計(jì)者大量的時(shí)間和精力，導(dǎo)致了工作效率的下降，同時(shí)也造成了設(shè)備的損耗。信息化技術(shù)是伴隨著因特網(wǎng)信息技術(shù)的不斷發(fā)展而逐步完善的。三維CAD 技術(shù)能夠存儲(chǔ)設(shè)計(jì)圖紙和資料，減少數(shù)據(jù)丟失的可能性，同時(shí)也避免了紙張上的線條表達(dá)不清楚。

2.4 便于多學(xué)科協(xié)作

水利水電工程設(shè)計(jì)涉及多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，如土木工程、機(jī)械工程、水力學(xué)等。通過三維CAD 技術(shù)，可以將各個(gè)學(xué)科的專業(yè)知識(shí)整合到一個(gè)模型中，方便不同學(xué)科之間的協(xié)作和溝通。不同學(xué)科的專家可以在同一個(gè)模型中進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改和審核，實(shí)現(xiàn)更高效的團(tuán)隊(duì)合作。

2.5 增強(qiáng)工程展示效果和宣傳效果

三維CAD 技術(shù)可以將設(shè)計(jì)的水利水電工程以逼真的三維效果呈現(xiàn)出來(lái)，將設(shè)計(jì)思路和想法更直觀地展示給客戶和決策者。這不僅提高了設(shè)計(jì)的可視化效果，也方便了客戶和決策者對(duì)工程方案的理解和評(píng)估。

2.6 提升水利水電工程質(zhì)量

在水利水電工程中，由于經(jīng)常要修改和變更設(shè)計(jì)方案，因此操作較為煩瑣，涉及大量的相關(guān)資料，很可能會(huì)造成計(jì)算誤差，從而影響項(xiàng)目的施工。而三維CAD繪圖則具有較強(qiáng)的直觀性，能從三維空間的視角來(lái)檢查設(shè)計(jì)是否合理，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理的地方，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，從而能有效地減少施工中的安全隱患，從而在根本上改善工程質(zhì)量。

3 三維CAD 技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

3.1 CAD 技術(shù)的應(yīng)用范圍

3.1.1 在水工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在水利水電工程設(shè)計(jì)中，因?yàn)楣こ痰膹?fù)雜性，它需要和各個(gè)領(lǐng)域相互合作、相互協(xié)調(diào)。為了改善設(shè)計(jì)的靈活性，減少設(shè)計(jì)的缺陷，有必要改善框架設(shè)計(jì)模塊在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，明確設(shè)計(jì)權(quán)限，實(shí)現(xiàn)并行性和設(shè)計(jì)的協(xié)同效果。此外，在這項(xiàng)研究中，使用相應(yīng)的方法來(lái)選擇和確定設(shè)計(jì)模板的參數(shù)，構(gòu)建三維形狀結(jié)構(gòu)，并引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析軟件CAD，更快速地繪制出立體的設(shè)計(jì)草圖。在草圖設(shè)計(jì)結(jié)束后，按照CAD 的剖面和平面設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行立體建模，以加深對(duì)空間的認(rèn)識(shí)，并對(duì)平面設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行反復(fù)校核。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)與各方面的溝通與交流，以達(dá)到改善設(shè)計(jì)效果的目的。

3.1.2 在地形地質(zhì)中的應(yīng)用

利用等高資料，使三維地貌的數(shù)字化更加準(zhǔn)確、快捷，并能建立水工建筑物大壩、原始地貌、開挖邊坡、引水洞等立體地貌。采用電腦進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬效果好，能及時(shí)調(diào)整原圖，使實(shí)物與圖形更符合。由于三維地形具有較高的擬真度，可以計(jì)算出各種復(fù)雜部位的容積，并能按實(shí)際需要進(jìn)行開挖、轉(zhuǎn)動(dòng)，利用測(cè)量數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的計(jì)算出土方。

3.2 水利水電工程中三維CAD 技術(shù)應(yīng)用說(shuō)明3.2.1 處理EXCEL 數(shù)據(jù)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，首先要確保資料的正確性，對(duì)前期搜集到的資料進(jìn)行分析和驗(yàn)證，最后才能錄入，轉(zhuǎn)換為特定的坐標(biāo)。例如，在EXCEL 中執(zhí)行spline 命令，在EXCEL 中拷貝并粘貼曲線坐標(biāo)，然后按下Enter鍵來(lái)完成。

3.2.2 繪制水位/庫(kù)容曲線

首先，輸入相應(yīng)的水位，以及相應(yīng)的庫(kù)容，并通過表格本身的計(jì)算，快速準(zhǔn)確的計(jì)算出庫(kù)容差，并將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際的數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)的輸入。當(dāng)全部輸入完畢，放大視覺效果和識(shí)別效果，調(diào)整坐標(biāo)，執(zhí)行指令，并按下完成鍵來(lái)完成曲線的繪制。

3.2.3 三維立體渲染

通過使用CAD 技術(shù)，不僅可以繪制三維效果圖，還可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適用于多個(gè)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)來(lái)分析和計(jì)算。以更及時(shí)的方式可以找到現(xiàn)有的問題和缺陷，也可以調(diào)整和改進(jìn)問題。

3.3 應(yīng)用CAD 技術(shù)設(shè)計(jì)模型圖

（1）在水利水電工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)模型圖起著非常重要的作用。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖紙需要手工繪制，存在效率低、易出錯(cuò)等問題。而三維CAD 技術(shù)可以在設(shè)計(jì)過程中，通過快速繪制和修改設(shè)計(jì)模型圖，節(jié)省了大量的時(shí)間和精力。通過三維CAD 技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以方便地在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行多種可能性的嘗試，通過對(duì)模型圖的修改和調(diào)整，得到最佳的設(shè)計(jì)方案。并且，在模型圖的設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)具體的需求設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行精確的計(jì)算和分析。這大大提高了設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。

（2）首先，工程模型的建立。三維CAD 技術(shù)允許工程師在設(shè)計(jì)過程中建立精確的三維模型。這些模型包括了工程的各個(gè)方面，從地形和地質(zhì)特征到結(jié)構(gòu)和管道系統(tǒng)。通過建立這些模型，工程師可以更好地理解工程的空間布局和相互關(guān)系，有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題并做出相應(yīng)的調(diào)整。其次，可視化和仿真。三維CAD技術(shù)還可以用于工程的可視化和仿真。工程師可以使用CAD 軟件進(jìn)行虛擬漫游，以模擬在實(shí)際施工中的操作流程。這種仿真有助于識(shí)別潛在的沖突和問題，并優(yōu)化工程設(shè)計(jì)。此外，三維CAD 還可以用于模擬不同條件下的水流、水壓和水位等因素，以評(píng)估工程在不同情況下的性能表現(xiàn)[5]。

3.4 應(yīng)用三維CAD 技術(shù)繪制水位曲線

在水利水電工程設(shè)計(jì)中，水位曲線是一種重要的工程參數(shù)。通過繪制水位曲線，可以準(zhǔn)確地了解水庫(kù)的總庫(kù)容、正常蓄水位、死水位等信息，為工程的水文計(jì)算提供依據(jù)。傳統(tǒng)的水位曲線繪制方法采用平面繪圖的方式，需要進(jìn)行大量的手工測(cè)量和計(jì)算。而使用三維CAD 技術(shù)，可以直接在計(jì)算機(jī)中繪制水位曲線，一方面可以節(jié)省大量的時(shí)間和人力，另一方面可以提高繪圖的精度和準(zhǔn)確性。三維CAD 技術(shù)可以將水位曲線的繪制與水位的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出各個(gè)水位點(diǎn)的坐標(biāo)，并將這些數(shù)據(jù)輸入CAD 軟件中進(jìn)行繪制。通過三維CAD 技術(shù)，可以直觀地顯示出水位曲線的形狀和變化趨勢(shì)，為水利水電工程設(shè)計(jì)提供了直觀的參考和依據(jù)。

3.5 施工設(shè)計(jì)優(yōu)化

在水利水電工程的施工過程中，施工設(shè)計(jì)的合理與否直接影響著施工的效率和質(zhì)量。傳統(tǒng)的施工設(shè)計(jì)方法主要依靠二維CAD 技術(shù)，對(duì)工程進(jìn)行平面繪圖和布置。然而，二維CAD 技術(shù)只能提供平面信息，對(duì)于工程的三維結(jié)構(gòu)和空間布置無(wú)法進(jìn)行全面和準(zhǔn)確的表達(dá)。三維CAD 技術(shù)通過對(duì)工程的三維模型進(jìn)行建模和優(yōu)化，可以直觀地顯示出工程的三維結(jié)構(gòu)和空間布置。通過三維CAD 技術(shù)，可以對(duì)施工設(shè)計(jì)進(jìn)行全方位的考慮，避免了傳統(tǒng)二維CAD 技術(shù)可能存在的遺漏和錯(cuò)誤。在水利水電工程的施工設(shè)計(jì)中，三維CAD 技術(shù)可以進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整。通過對(duì)三維模型的操作和修改，可以優(yōu)化工程的結(jié)構(gòu)和布置，提高工程的施工效率和質(zhì)量。同時(shí)，三維CAD 技術(shù)還可以對(duì)施工過程進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，為施工的安全和順利提供科學(xué)依據(jù)。

4 實(shí)際應(yīng)用案例

4.1 案例介紹

鋼岔管是目前水利水電工程中使用最多的一種設(shè)備，它主要由錐形、柱形和球形組成，由鋼板卷焊接而成，通常可分為三梁、牙肋岔管、貼邊岔管、球形岔管、無(wú)梁岔管等。由于岔管的形狀復(fù)雜，其外形的展開和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都有一定難度，必須進(jìn)行復(fù)雜的平面幾何分析，從而確定了采用三維CAD 技術(shù)進(jìn)行岔管工程的設(shè)計(jì)。

4.2 計(jì)算步驟

以Y 型三梁不對(duì)稱岔管為例，采用圓筒管作主管，圓錐管作分支管，管與管的肋厚18.3mm，管內(nèi)直徑600mm 和300mm，故設(shè)計(jì)公切球半徑為300mm。根據(jù)三梁岔管結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)定，將錐管的分岔支座腰線彎成11°，并給出了詳細(xì)的計(jì)算程序。

（1）利用組裝設(shè)計(jì)模組和部件模組，以幾何參數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)造出一種立體模型。岔管立體模型如圖1 所示。

圖1 岔管立體模型

（2）利用CAD 軟件的繪圖功能，利用預(yù)先函數(shù)來(lái)決定體形圖，并測(cè)量出控制體形的基本參數(shù)，如圖2 所示。

圖2 主管和支管的體型（單位：mm）

（3）采用軟件的擴(kuò)展功能，將內(nèi)部平面圖展開，獲得具體的主管和分支機(jī)構(gòu)的展開圖，并從主管的展開曲線中抽取數(shù)據(jù)，計(jì)算出U 梁的內(nèi)緣橢圓長(zhǎng)、腰長(zhǎng)、短軸的具體長(zhǎng)度，并確定具體的公式。

4.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

采用三維CAD 技術(shù)對(duì)分叉管道進(jìn)行了三維建模，其坐標(biāo)值與數(shù)解方法的結(jié)果比較接近，能夠達(dá)到精度要求。該設(shè)計(jì)過程沒有采用任何計(jì)算公式，具有操作簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)便、操作效率高、工作量少、設(shè)計(jì)成果直接輸出的優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)手工繪圖相比，三維CAD 技術(shù)在計(jì)算方便、操作簡(jiǎn)單、繪圖精度高等方面有著顯著的優(yōu)越性。經(jīng)濟(jì)實(shí)用、施工速度快、施工質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定、受氣候因素影響小、承載力高、操作性強(qiáng)、施工效率高等也是它自身的優(yōu)點(diǎn)。然而，這也有其自身的局限性，因此，作為一名工程師，必須提高自己的工程技術(shù)能力，以滿足新的發(fā)展要求。