张积强，武佩佩，戴　琳

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安　710065)



基于Catia三维开挖设计凹面处理技术研究

张积强，武佩佩，戴琳

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安710065)

摘要：在Catia软件中进行水工建筑物边坡开挖设计，步骤繁琐、容易出错且工作量大，后续修改麻烦，凹点处开挖面处理更是开挖设计的难点。文章对凹点部位的开挖面处理的一般思路进行了总结，并进行了拓展性研究，提出了复杂情况下凹点处开挖面设计及曲面倒角的基本思路和方法，为模板化、程序化解决开挖问题提供了基本思路。

关键词：CATIA;水电工程;三维开挖;凹面;曲面倒角

1问题提出

在工程边坡开挖设计中，往往碰到边坡开挖放坡所依据的建基线在平面上的投影不在同一直线上，凹点处的边坡一般都会出现棱角，尤其是凹点两侧的坡面夹角比较小的时候，这种棱角显得边坡尤为不安全，如图 1所示。工程实际设计中往往将凹点部位进行圆角处理，形成如图 2所示圆弧曲线。

但在CATIA中，要基于图 2所示看似简单的建基线设计出合理的开挖面并不容易。针对图1，2所示的建基线，采用整体扫略方法，无论怎样调整选项，都可能由于自相交或者曲面复杂等原因无法得到结果；采用多截面方法，同时考虑耦合、引导线等控制方式，可以得到一个结果，如图3，4所示。如图中看到的，开挖坡面上出现了不规则的曲面，工程施工中很难控制，并不是理想的结果。

图1　凹点处折线形建基线图

2处理方法研究

笔者对产生上述不规则曲面原因进行分析，认为产生上述问题的原因有2点：第1是两侧的剖面线和底部的建基线过于复杂；第2是CATIA的多截面曲面的耦合功能综合考虑了两侧剖面线受底部建基线的趋势影响，但并没有严格控制边坡马道的走向。针对上述存在的问题，笔者按照化繁为简、细节控制的思路做了大量试验，找到了几种切实可行的处理方法，供大家参考。

图2　凹点处圆弧形建基线图

图3　折线型建基线边坡设计图

图4　圆弧型建基线边坡设计图

2.1一般设计思路

针对上述情景，一般利用扫略、剪切、可变圆角等工具进行设计。对于图1所示带凹点的建基线，通过“使用参考曲面”方法对凹点两侧的直线部分分别扫略(拉伸命令也可以)，然后进行相互剪切，并采用“可变圆角”方式对棱线进行倒角，即可形成倒圆角后的开挖坡面，如图5所示，其前提是凹点两侧的马道高程一样，即马道是一个水平面。

如果两侧的马道高程不一样，其效果如图6所示，这种处理方式在工程上很少见。在工程上，每一层马道基本都是连通的，以满足小工具车通行，在这种情况下，马道高程需要从一个剖面位置倾斜过渡到另一个剖面位置。

图5　一般开挖设计图

图6　不同马道高程的开挖设计图

2.2凹点处剖面线设计

为了解决图6所显示的问题，可考虑在凹点处增加一个剖面线，从而将一个复杂问题转化为凹点处剖面线设计问题。

在图5制作过程中，如果将两侧的直面进行相交计算，可以得到1条空间折线，这条折线继承了两侧剖面线的基本特点。按照这个思路，可以利用两侧边坡的马道高程、坡比、马道宽度、建基线的信息，通过计算、放样获得剖面线。根据凹点两侧马道面水平还是倾斜，凹点处剖面线设计可有2种思路：一种思路是一侧马道面水平，另一侧为带有纵坡的斜坡面；另一种思路是两侧马道统一坡比，均按带有纵坡的斜面设计，如图7所示，其设计思路和流程如图8所示。利用这种方法生成的凹点处剖面线，可以生成基本满足工程设计需要的边坡开挖面，如图9所示。为了生成这个凹点处的剖面线，两侧马道内侧边线的交点做了近似处理，一般情况下其误差均小于1 mm，满足工程要求。这种方法简称为单剖面线过渡法，常用于洞口的洞脸与两侧边坡的开挖设计。

2.3曲面倒角设计

为了设计安全，工程上一般对比较尖锐的棱线进行倒角处理，可利用CATIA的可变圆角曲面工具处理，图9所示棱线进行圆角处理后如图10所示。如果建基线是图2所示的曲线，则可修改底部的半径参数，处理为图11所示效果。

图7　凹点处剖面线设计图

图8　凹点剖面线设计流程图

图9　棱线型边坡开挖面图

图10　圆角处理后的边坡开挖面图(1)

图11　圆角处理后的边坡开挖面图(2)

实际上，工程上除了上面2种圆角处理方法，可能还有倒直角的处理要求，其效果如图12所示。其制作方法可参考圆角处理思路，先利用曲线的3D圆角功能，对棱线两侧的马道边线分别圆角,获得2条新的剖面线，如图13所示。然后利用桥接工具，将这2条剖面线作为第1、第2曲线，并将同一马道的对应点进行耦合，则可分步生成图12所示的直面边坡开挖设计图；如果利用多截面曲面工具，并以建基线的圆弧线为引导线，结合耦合则可以生成图10所示的边坡开挖设计图。

图12　倒角处理后的边坡开挖面图

图13　倒角处理过程图

2.4直接设计

以上方法是针对已生成的图9所示的直线型开挖面所做的倒角设计，适用于人工设计；如果用于程序开发，还可以利用凹点处剖面线设计成果，采用图 7所展示的思路，直接对马道边线进行倒角，如图14所示，据此生成的开挖面如图15所示。这种方法简称为双剖面线过渡法，常用于处理相邻建筑物之间有预留岩体的情况。

图14　预先倒角设计过程图

图15　预先倒角设计后生成的开挖面图

双剖面线过渡法的精度比单剖面线过渡法高，这是因为双剖面线过渡法在预先倒角处理时利用的马道边线没有近似处理，完全符合CATIA中曲面设计的几何原理，与(1)中所述的“一般设计”思路所制作的开挖面非常吻合。

3结语

凹面开挖设计是工程边坡开挖设计中普遍碰到的一个难点问题，也是边坡开挖类软件开发中碰到的一个主要技术问题。本文提到了凹面边坡开挖设计的多种思路，相比来说，采用扫略、剪切、可变圆角的一般设计方法可能更简单、应用更多；但如果要解决复杂问题，基于凹点处剖面线设计的思路更能满足设计需要。笔者在这里提到的几种方法用于三维边坡开挖设计系统的开发中，其编程思路相对清晰，效率较高，设计成果更能满足工程设计、施工要求。

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Study on Treatment Technology of Concave Surface Based on CATIA 3D Excavation Design

ZHANG Jiqiang, WU Peipei, DAI Lin

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

Abstract:In design of the slope excavation of the hydraulic structures by CATIA, steps are a lot, mistakes easily occur, work quantity is high and it is difficult to modify later. The treatment of the excavation surface at the concave point is more difficult. In the paper, approaches on the treatment are summarized and developed. The basic approach and method for the excavation surface design and surface fillet at the concave point are raised accordingly. Those provide the template and program solution for excavation design with the basic approaches.

Key words:CATIA; hydropower engineering; 3D excavation; concave face; surface fillet

中图分类号：TV223;TP399

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.023

作者简介：张积强(1973- )，男，陕西省千阳县人，高级工程师，从事水电工程三维设计研究工作.

收稿日期：2015-09-25

文章编号：1006—2610(2016)01—0088—04