水电工程的CATIA概化建模研究

2014-03-20田景元卢羽平

水电站设计 2014年2期

田景元，刘志，卢羽平

1 CATIA的三维制图优势

水电工程设计包含大量图件的绘制，结构物的绘制是设计的主要内容。CAD代替图板绘图是制图工作的一大进步，使得图形精度大大提高，修改变得更容易，使用复制等命令使制图更快捷，从而设计周期大大缩短。然而，CAD主要用于平面制图，随着人们对设计质量和效率要求的不断提高，这种二维设计平台的缺点日益呈现。二维图形不直观，很难被非本专业人员读懂，本专业人员读图时也得花较多时间在头脑里把二维图形转换成三维图形。绘图者也不得不绞尽脑汁把三维图进行一定程度的抽象转化为二维图，并在空间概念上不断在二维和三维图形间进行互相转化，难免造成遗漏和谬误，有时还得花大量时间进行空间几何上的计算。为克服这些缺点，三维制图(建模)势在必行。

目前三维设计软件数量在20个以上，各有特点和主要应用领域。如3DMAX强于三维渲染，主要用于民用和商业建筑设计；MAYA用于动画设计；Solid Works重于三维建模，并提供相应加工功能，主要应用于机械领域；AutoCAD Civil 3D顾名思义主要用于土木工程，涉及到大尺寸结构和岩土体的挖填设计时，该软件优势明显；CATIA、Pro/E则是大型集成化系统软件，除具有建模、渲染功能外，还有分析、管理产品资料功能等，主要应用于机械、厂房、电子领域。

三维制图时，大型工程在图幅空间中的实体很多，有效地显示和“选中”操作十分必要。CATIA通过屏幕实体句柄、树状几何图形集、图层和实体元素分类(点线面体等)、查找命令，达到选择性显示和选中目标的目的。而AutoCAD的三维实体显示基本上只通过句柄和图层控制，CATIA在这方面优势明显。

CATIA居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位。从1982年发布第一版本以来，其广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器、消费品行业。从大型波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。CATIA作为三维制图软件引用到水电工程的设计中已近8年，取得了一定进展[1]。

2 CATIA在水电工程三维制图中面临的问题

就软件的适用范围来看，水电工程大致可分为两部分，一是机械和混凝土结构，如厂房机电、闸门金属结构、重力坝、拱坝等，二是岩土体为主的结构，如道路、基坑和边坡。机械和混凝土结构的特点是：

(1)形状较为规则，甚至存在标准件，形状的控制参数较为明了；

(2)各部位的空间关联性强，如螺栓和螺母的关系；

(3)所建模型精度要求高，如机电结构建模精度一般到1mm。

CATIA软件恰好能适应这些特点，使工程制图能达到参数化和高精度控制。岩土体为主的结构的特点则相反：

(1)形状不规则，受地形和地质情况制约程度大，像土石坝这样的岩土堆积体内部材料分区形状也繁杂，难以作到参数化设计；

(2)各部位的关联性差，施工阶段因地质和地形条件的变化常常会对早期设计的结构图进行修改，CATIA的图形要素强关联特性使修改“牵一发动全身”，修改难度大、效率低；

(3)所建模型精度要求低，为计算挖填方量而建立的模型精度仅到1dm一般就能达到要求，因为地形地质资料的精度常常达不到1dm；高精度的要求使得成图效率低下。而Civil 3D的低精度包容性则使成图效率很高，如公路布线时，输入平面上公路的走线和截面参数，则快速形成公路、开挖边坡和地堑回填体。

水电工程所在的图幅空间范围广，若长度计10km，宽平均约为2km，平面面积以20km2计，地形图的点云数据在20M左右(精度若取为2m)。CATIA为了得到地形面，需将点云转化为Mesh三角面网，数据占用储存空间得扩大到3倍，即到60M，若要将其转化为Surface面(该类型面能更方便与其它几何要素进行布尔运算)，数据得再扩大3倍以上，即到200M。这样大的数据占用计算机大量内存，使运算和显示速度减慢，加上同倍的地质数据(地质结构面也采用Mesh三角面网表示[2])，计算机几乎变得寸步难行。

目前CATIA VPM数据管理方案[3]，由设计总工程师给水工结构的控制节点，再由各专业的设计人员建立如大坝、厂房单项的水工模型(存于一个Part文件)。需要了解整体水工结构物的整体布局情况时，通过调用(加载)各单项模型到一个Product文件里。当全部模型数据进入计算机内存时，加上各单项模型有重叠的地质数据这一因素，对图形介面的简单操作如“移动”“旋转”都变得十分迟缓。即使有数据量不大、计算机能正常运行的情况，但由于细部结构较多，各细部结构五颜六色，重叠的地形地质及开挖面若隐若现，介面显示晦涩难读。

如上所述，若在一个图幅空间里用CATIA对某个水电工程整体进行高精度建模，主要由于地形地质数据规模巨大，目前计算机硬件难以胜任，再加上建模对于岩土体为主的结构效率低下，CATIA难以满足要求。

3 CATIA概化建模的意义和实现方法

在一个图幅空间里把水电工程涉及到的主要结构物和工程场地(如料场)表现出来非常有必要。对总设计师来说，他应十分了解水工建筑的总体布置，在不同专业人员设计的结构物有交汇的部位，如大坝和岸坡溢洪道的开挖常有交汇情形，他应作好统领和协调工作。对施工现场的四方(业主、监理、施工、设计)，他们应及时了解施工的进展，特别是由于场地的施工道路变化频率大，施工组织应及时调整跟进；四方的技术讨论会若以空间模型图作为演示平台，可提高讨论会的实效。

为充分利用CATIA的优势，于是提出采用个体结构高精度建模、整体低精度概化建模的方法来满足CATIA的适用条件和设计及工程管理的需要。可从高精度的个体模型提取主要要素用于整体建模，反过来用整体模型又可指导高精度个体模型的修改和完善。设计水平就这样在反复中螺旋式上升。

概化的实现方法，地形数据可采用低精度如10m的精度，地质数据采用同样的精度，甚至模型里不附地质的内容。公路和交通隧道采用统一的简单截面型式。精细的结构主要表达轮廓，复杂的泄洪洞走向曲线等用折线来代替，料场用多边形符号来表示等。这样的模型占用计算机的储存不会太大，且建模速度快。

顺便一提，概化的、低精度的水工结构模型还对地质勘测专业能起到足够帮助，地质人员只需了解水工结构的大致轮廓，调查分析影响结构稳定、功能和施工安全的地质因素，他们没有多大必要了解水工结构内部的精细构造。

4 卡基娃工程首部枢纽区应用实例

卡基娃水电站位于四川省凉山州木里县境内的木里河干流上，采用混合式开发，上、下游分别与上通坝和沙湾水电站衔接。总库容3.745亿m3，具有年调节能力。拦河大坝为面板堆石坝，最大坝高171m，坝顶高程2 856m，引水隧洞长约6.36km，电站装机容量440MW，年发电量15.61亿kW·h。

首部枢纽布置格局为混凝土面板堆石坝+左岸导流洞改建竖井旋流泄洪洞(1号泄洪洞)+左岸导流洞改建放空洞+右岸有压接无压泄洪洞(2号泄洪洞)。电站进水口与2号泄洪洞进口在右岸则窝沟口并排布置，采用岸塔式。引水隧洞采用圆形有压洞，调压井采用露天阻抗式，厂房为地面厂房。

卡基娃业主营地是业主、监理和设计三方办公和住宿所在地，位于木里河右岸河沿人工挖填形成的一平台上，施工期间四方联络会大都在这里举行。营地沿河下游距离厂房约2.3km，沿河上游距离坝址约7.2km。施工区域主要为厂区和首部枢纽区两大块，首部枢纽区施工规模更大。为方便各方了解水工结构物布局和施工现状，根据已出版各水工结构的二维设计蓝图和现场调查到的交通状况，建立一个首部枢纽区的CATIA概化模型，如图1、2。整体模型存于1个Part文件中，个体模型(如面板、下游围堰)建成为Part节点下的一个体(Body)。整个Part文件的大小为32MPa。本整体模型没附地质数据。

图1 卡基娃水电工程首部枢纽概化整体模型(朝向上游)

为了形成开挖后地形，需一步一步作出导流洞进出口、趾板基坑、左右岸坝肩开挖、放空洞进口、1号泄洪洞进口、2号泄洪洞进口并电站进水口、2号泄洪洞出口开挖等。以导流洞出口开挖为例，用于形成开挖后地形的导流洞出口开挖面(扩展)，可简化为7个斜面和底板一水平面接合而成的折面(见图3)，形成开挖地形后导流洞出口的混凝土结构便可伸露显示出来。

由于河谷狭窄、岸坡陡峻，施工交通道路蜿蜒盘旋，纵横交错到达各施工作业面。图3为地形无透明效果时的施工场地交通状况，隧洞在图中不能显示。

图2 首部枢纽及施工场地交通(面向下游)

图3 用于形成开挖后地形扩展的导流洞出口开挖面

当取地形有透明效果时，施工场地交通状况见图4，路网的连通状况较为显见。当隐去地形、显示道路标注名称后，路网的连通状况及各条道路与施工作业面的连接状况更一目了然(见图5)。

图4 首部枢纽及施工场地交通(地形透视)

右岸通乡公路为卡基娃勘测设计阶段修建的、在坝址区的首条道路，在坝顶高程2 856m左右，下游接业主营地，上游接则窝堆石料场。

通乡公路在上游下坡通过5号和3号公路到达河沿，通过临时支线到达上游围堰施工场地。3号公路在上游通过跨河施工桥到达左岸，再通过左岸河谷道路(2号路)到达导流洞进口。通乡公路在下游下坡通过9号公路到达右岸河沿1号公路，再向上游通过下游围堰路面(低围堰)到达左岸导流洞出口。

图5 首部枢纽及施工场地交通(地形未显示，面向上游)

左岸4号公路到达放空洞进口，8号公路到达1号泄洪洞进口和左岸坝顶，8-2号公路到达更高高程的左坝肩边坡开挖支护场地和变形体处理现场。

2号泄洪洞进口、电站进水口在低高程由5号公路支线到达，在高高程从右坝肩隧道(与通乡公路相连的11号公路隧道)出口有施工道路拐向上游到达。

右岸9号路通过引水线1号施工支洞到达引水隧洞。9号路通过9-2号隧道内部支线到达2号泄洪洞工作闸室。2号泄洪洞出口位于1号公路旁。

由于面板坝的填筑堆石的运输不宜从上游坝面进入，若全由下游坝面进入，与2号泄洪洞出口的施工干扰大，且道路太多迂回，故选择主要通过右岸隧道进入填筑场地。2 734m以下高程由1号路到达，2 734-2 764m由7号公路遂道到达，2 764-2 805m由7-1号公路遂道到达，2 805-2 856m由9-2号隧道到达，坝项由11号公路隧道到达。

由图4可见，堆石坝的面板位于1号泄洪洞进口的坡下，1号泄洪洞进口的爆破开挖宜在面板浇筑之前完成，以免爆破产生的落石砸碎面板。

上述施工路网是截止到2012年底的现状，大坝填筑到约2 350m高程时。到达上游围堰的施工支线公路因洪水冲刷和乱石覆盖已接近消失。该概化整体模型对施工组织计划的帮助明显。也便于每个新到的人员熟悉现场情况。