田景元，劉 志，盧羽平

1 CATIA的三維制圖優(yōu)勢(shì)

水電工程設(shè)計(jì)包含大量圖件的繪制，結(jié)構(gòu)物的繪制是設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。CAD代替圖板繪圖是制圖工作的一大進(jìn)步，使得圖形精度大大提高，修改變得更容易，使用復(fù)制等命令使制圖更快捷，從而設(shè)計(jì)周期大大縮短。然而，CAD主要用于平面制圖，隨著人們對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率要求的不斷提高，這種二維設(shè)計(jì)平臺(tái)的缺點(diǎn)日益呈現(xiàn)。二維圖形不直觀，很難被非本專業(yè)人員讀懂，本專業(yè)人員讀圖時(shí)也得花較多時(shí)間在頭腦里把二維圖形轉(zhuǎn)換成三維圖形。繪圖者也不得不絞盡腦汁把三維圖進(jìn)行一定程度的抽象轉(zhuǎn)化為二維圖，并在空間概念上不斷在二維和三維圖形間進(jìn)行互相轉(zhuǎn)化，難免造成遺漏和謬誤，有時(shí)還得花大量時(shí)間進(jìn)行空間幾何上的計(jì)算。為克服這些缺點(diǎn)，三維制圖(建模)勢(shì)在必行。

目前三維設(shè)計(jì)軟件數(shù)量在20個(gè)以上，各有特點(diǎn)和主要應(yīng)用領(lǐng)域。如3DMAX強(qiáng)于三維渲染，主要用于民用和商業(yè)建筑設(shè)計(jì)；MAYA用于動(dòng)畫設(shè)計(jì)；Solid Works重于三維建模，并提供相應(yīng)加工功能，主要應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域；AutoCAD Civil 3D顧名思義主要用于土木工程，涉及到大尺寸結(jié)構(gòu)和巖土體的挖填設(shè)計(jì)時(shí)，該軟件優(yōu)勢(shì)明顯；CATIA、Pro/E則是大型集成化系統(tǒng)軟件，除具有建模、渲染功能外，還有分析、管理產(chǎn)品資料功能等，主要應(yīng)用于機(jī)械、廠房、電子領(lǐng)域。

三維制圖時(shí)，大型工程在圖幅空間中的實(shí)體很多，有效地顯示和“選中”操作十分必要。CATIA通過屏幕實(shí)體句柄、樹狀幾何圖形集、圖層和實(shí)體元素分類(點(diǎn)線面體等)、查找命令，達(dá)到選擇性顯示和選中目標(biāo)的目的。而AutoCAD的三維實(shí)體顯示基本上只通過句柄和圖層控制，CATIA在這方面優(yōu)勢(shì)明顯。

CATIA居世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。從1982年發(fā)布第一版本以來，其廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子、電器、消費(fèi)品行業(yè)。從大型波音747飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)到化妝品的包裝盒，幾乎涵蓋了所有的制造業(yè)產(chǎn)品。CATIA作為三維制圖軟件引用到水電工程的設(shè)計(jì)中已近8年，取得了一定進(jìn)展[1]。

2 CATIA在水電工程三維制圖中面臨的問題

就軟件的適用范圍來看，水電工程大致可分為兩部分，一是機(jī)械和混凝土結(jié)構(gòu)，如廠房機(jī)電、閘門金屬結(jié)構(gòu)、重力壩、拱壩等，二是巖土體為主的結(jié)構(gòu)，如道路、基坑和邊坡。機(jī)械和混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：

(1)形狀較為規(guī)則，甚至存在標(biāo)準(zhǔn)件，形狀的控制參數(shù)較為明了；

(2)各部位的空間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，如螺栓和螺母的關(guān)系；

(3)所建模型精度要求高，如機(jī)電結(jié)構(gòu)建模精度一般到1mm。

CATIA軟件恰好能適應(yīng)這些特點(diǎn)，使工程制圖能達(dá)到參數(shù)化和高精度控制。巖土體為主的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)則相反：

(1)形狀不規(guī)則，受地形和地質(zhì)情況制約程度大，像土石壩這樣的巖土堆積體內(nèi)部材料分區(qū)形狀也繁雜，難以作到參數(shù)化設(shè)計(jì)；

(2)各部位的關(guān)聯(lián)性差，施工階段因地質(zhì)和地形條件的變化常常會(huì)對(duì)早期設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行修改，CATIA的圖形要素強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性使修改“牽一發(fā)動(dòng)全身”，修改難度大、效率低；

(3)所建模型精度要求低，為計(jì)算挖填方量而建立的模型精度僅到1dm一般就能達(dá)到要求，因?yàn)榈匦蔚刭|(zhì)資料的精度常常達(dá)不到1dm；高精度的要求使得成圖效率低下。而Civil 3D的低精度包容性則使成圖效率很高，如公路布線時(shí)，輸入平面上公路的走線和截面參數(shù)，則快速形成公路、開挖邊坡和地塹回填體。

水電工程所在的圖幅空間范圍廣，若長度計(jì)10km，寬平均約為2km，平面面積以20km2計(jì)，地形圖的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在20M左右(精度若取為2m)。CATIA為了得到地形面，需將點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為Mesh三角面網(wǎng)，數(shù)據(jù)占用儲(chǔ)存空間得擴(kuò)大到3倍，即到60M，若要將其轉(zhuǎn)化為Surface面(該類型面能更方便與其它幾何要素進(jìn)行布爾運(yùn)算)，數(shù)據(jù)得再擴(kuò)大3倍以上，即到200M。這樣大的數(shù)據(jù)占用計(jì)算機(jī)大量?jī)?nèi)存，使運(yùn)算和顯示速度減慢，加上同倍的地質(zhì)數(shù)據(jù)(地質(zhì)結(jié)構(gòu)面也采用Mesh三角面網(wǎng)表示[2])，計(jì)算機(jī)幾乎變得寸步難行。

目前CATIA VPM數(shù)據(jù)管理方案[3]，由設(shè)計(jì)總工程師給水工結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點(diǎn)，再由各專業(yè)的設(shè)計(jì)人員建立如大壩、廠房單項(xiàng)的水工模型(存于一個(gè)Part文件)。需要了解整體水工結(jié)構(gòu)物的整體布局情況時(shí)，通過調(diào)用(加載)各單項(xiàng)模型到一個(gè)Product文件里。當(dāng)全部模型數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存時(shí)，加上各單項(xiàng)模型有重疊的地質(zhì)數(shù)據(jù)這一因素，對(duì)圖形介面的簡(jiǎn)單操作如“移動(dòng)”“旋轉(zhuǎn)”都變得十分遲緩。即使有數(shù)據(jù)量不大、計(jì)算機(jī)能正常運(yùn)行的情況，但由于細(xì)部結(jié)構(gòu)較多，各細(xì)部結(jié)構(gòu)五顏六色，重疊的地形地質(zhì)及開挖面若隱若現(xiàn)，介面顯示晦澀難讀。

如上所述，若在一個(gè)圖幅空間里用CATIA對(duì)某個(gè)水電工程整體進(jìn)行高精度建模，主要由于地形地質(zhì)數(shù)據(jù)規(guī)模巨大，目前計(jì)算機(jī)硬件難以勝任，再加上建模對(duì)于巖土體為主的結(jié)構(gòu)效率低下，CATIA難以滿足要求。

3 CATIA概化建模的意義和實(shí)現(xiàn)方法

在一個(gè)圖幅空間里把水電工程涉及到的主要結(jié)構(gòu)物和工程場(chǎng)地(如料場(chǎng))表現(xiàn)出來非常有必要。對(duì)總設(shè)計(jì)師來說，他應(yīng)十分了解水工建筑的總體布置，在不同專業(yè)人員設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)物有交匯的部位，如大壩和岸坡溢洪道的開挖常有交匯情形，他應(yīng)作好統(tǒng)領(lǐng)和協(xié)調(diào)工作。對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的四方(業(yè)主、監(jiān)理、施工、設(shè)計(jì))，他們應(yīng)及時(shí)了解施工的進(jìn)展，特別是由于場(chǎng)地的施工道路變化頻率大，施工組織應(yīng)及時(shí)調(diào)整跟進(jìn)；四方的技術(shù)討論會(huì)若以空間模型圖作為演示平臺(tái)，可提高討論會(huì)的實(shí)效。

為充分利用CATIA的優(yōu)勢(shì)，于是提出采用個(gè)體結(jié)構(gòu)高精度建模、整體低精度概化建模的方法來滿足CATIA的適用條件和設(shè)計(jì)及工程管理的需要?？蓮母呔鹊膫€(gè)體模型提取主要要素用于整體建模，反過來用整體模型又可指導(dǎo)高精度個(gè)體模型的修改和完善。設(shè)計(jì)水平就這樣在反復(fù)中螺旋式上升。

概化的實(shí)現(xiàn)方法，地形數(shù)據(jù)可采用低精度如10m的精度，地質(zhì)數(shù)據(jù)采用同樣的精度，甚至模型里不附地質(zhì)的內(nèi)容。公路和交通隧道采用統(tǒng)一的簡(jiǎn)單截面型式。精細(xì)的結(jié)構(gòu)主要表達(dá)輪廓，復(fù)雜的泄洪洞走向曲線等用折線來代替，料場(chǎng)用多邊形符號(hào)來表示等。這樣的模型占用計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存不會(huì)太大，且建模速度快。

順便一提，概化的、低精度的水工結(jié)構(gòu)模型還對(duì)地質(zhì)勘測(cè)專業(yè)能起到足夠幫助，地質(zhì)人員只需了解水工結(jié)構(gòu)的大致輪廓，調(diào)查分析影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能和施工安全的地質(zhì)因素，他們沒有多大必要了解水工結(jié)構(gòu)內(nèi)部的精細(xì)構(gòu)造。

4 卡基娃工程首部樞紐區(qū)應(yīng)用實(shí)例

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上，采用混合式開發(fā)，上、下游分別與上通壩和沙灣水電站銜接?？値烊?.745億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。攔河大壩為面板堆石壩，最大壩高171m，壩頂高程2 856m，引水隧洞長約6.36km，電站裝機(jī)容量440MW，年發(fā)電量15.61億kW·h。

首部樞紐布置格局為混凝土面板堆石壩+左岸導(dǎo)流洞改建豎井旋流泄洪洞(1號(hào)泄洪洞)+左岸導(dǎo)流洞改建放空洞+右岸有壓接無壓泄洪洞(2號(hào)泄洪洞)。電站進(jìn)水口與2號(hào)泄洪洞進(jìn)口在右岸則窩溝口并排布置，采用岸塔式。引水隧洞采用圓形有壓洞，調(diào)壓井采用露天阻抗式，廠房為地面廠房。

卡基娃業(yè)主營地是業(yè)主、監(jiān)理和設(shè)計(jì)三方辦公和住宿所在地，位于木里河右岸河沿人工挖填形成的一平臺(tái)上，施工期間四方聯(lián)絡(luò)會(huì)大都在這里舉行。營地沿河下游距離廠房約2.3km，沿河上游距離壩址約7.2km。施工區(qū)域主要為廠區(qū)和首部樞紐區(qū)兩大塊，首部樞紐區(qū)施工規(guī)模更大。為方便各方了解水工結(jié)構(gòu)物布局和施工現(xiàn)狀，根據(jù)已出版各水工結(jié)構(gòu)的二維設(shè)計(jì)藍(lán)圖和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查到的交通狀況，建立一個(gè)首部樞紐區(qū)的CATIA概化模型，如圖1、2。整體模型存于1個(gè)Part文件中，個(gè)體模型(如面板、下游圍堰)建成為Part節(jié)點(diǎn)下的一個(gè)體(Body)。整個(gè)Part文件的大小為32MPa。本整體模型沒附地質(zhì)數(shù)據(jù)。

圖1 卡基娃水電工程首部樞紐概化整體模型(朝向上游)

為了形成開挖后地形，需一步一步作出導(dǎo)流洞進(jìn)出口、趾板基坑、左右岸壩肩開挖、放空洞進(jìn)口、1號(hào)泄洪洞進(jìn)口、2號(hào)泄洪洞進(jìn)口并電站進(jìn)水口、2號(hào)泄洪洞出口開挖等。以導(dǎo)流洞出口開挖為例，用于形成開挖后地形的導(dǎo)流洞出口開挖面(擴(kuò)展)，可簡(jiǎn)化為7個(gè)斜面和底板一水平面接合而成的折面(見圖3)，形成開挖地形后導(dǎo)流洞出口的混凝土結(jié)構(gòu)便可伸露顯示出來。

由于河谷狹窄、岸坡陡峻，施工交通道路蜿蜒盤旋，縱橫交錯(cuò)到達(dá)各施工作業(yè)面。圖3為地形無透明效果時(shí)的施工場(chǎng)地交通狀況，隧洞在圖中不能顯示。

圖2 首部樞紐及施工場(chǎng)地交通(面向下游)

圖3 用于形成開挖后地形擴(kuò)展的導(dǎo)流洞出口開挖面

當(dāng)取地形有透明效果時(shí)，施工場(chǎng)地交通狀況見圖4，路網(wǎng)的連通狀況較為顯見。當(dāng)隱去地形、顯示道路標(biāo)注名稱后，路網(wǎng)的連通狀況及各條道路與施工作業(yè)面的連接狀況更一目了然(見圖5)。

圖4 首部樞紐及施工場(chǎng)地交通(地形透視)

右岸通鄉(xiāng)公路為卡基娃勘測(cè)設(shè)計(jì)階段修建的、在壩址區(qū)的首條道路，在壩頂高程2 856m左右，下游接業(yè)主營地，上游接則窩堆石料場(chǎng)。

通鄉(xiāng)公路在上游下坡通過5號(hào)和3號(hào)公路到達(dá)河沿，通過臨時(shí)支線到達(dá)上游圍堰施工場(chǎng)地。3號(hào)公路在上游通過跨河施工橋到達(dá)左岸，再通過左岸河谷道路(2號(hào)路)到達(dá)導(dǎo)流洞進(jìn)口。通鄉(xiāng)公路在下游下坡通過9號(hào)公路到達(dá)右岸河沿1號(hào)公路，再向上游通過下游圍堰路面(低圍堰)到達(dá)左岸導(dǎo)流洞出口。

圖5 首部樞紐及施工場(chǎng)地交通(地形未顯示，面向上游)

左岸4號(hào)公路到達(dá)放空洞進(jìn)口，8號(hào)公路到達(dá)1號(hào)泄洪洞進(jìn)口和左岸壩頂，8-2號(hào)公路到達(dá)更高高程的左壩肩邊坡開挖支護(hù)場(chǎng)地和變形體處理現(xiàn)場(chǎng)。

2號(hào)泄洪洞進(jìn)口、電站進(jìn)水口在低高程由5號(hào)公路支線到達(dá)，在高高程從右壩肩隧道(與通鄉(xiāng)公路相連的11號(hào)公路隧道)出口有施工道路拐向上游到達(dá)。

右岸9號(hào)路通過引水線1號(hào)施工支洞到達(dá)引水隧洞。9號(hào)路通過9-2號(hào)隧道內(nèi)部支線到達(dá)2號(hào)泄洪洞工作閘室。2號(hào)泄洪洞出口位于1號(hào)公路旁。

由于面板壩的填筑堆石的運(yùn)輸不宜從上游壩面進(jìn)入，若全由下游壩面進(jìn)入，與2號(hào)泄洪洞出口的施工干擾大，且道路太多迂回，故選擇主要通過右岸隧道進(jìn)入填筑場(chǎng)地。2 734m以下高程由1號(hào)路到達(dá)，2 734-2 764m由7號(hào)公路遂道到達(dá)，2 764-2 805m由7-1號(hào)公路遂道到達(dá)，2 805-2 856m由9-2號(hào)隧道到達(dá)，壩項(xiàng)由11號(hào)公路隧道到達(dá)。

由圖4可見，堆石壩的面板位于1號(hào)泄洪洞進(jìn)口的坡下，1號(hào)泄洪洞進(jìn)口的爆破開挖宜在面板澆筑之前完成，以免爆破產(chǎn)生的落石砸碎面板。

上述施工路網(wǎng)是截止到2012年底的現(xiàn)狀，大壩填筑到約2 350m高程時(shí)。到達(dá)上游圍堰的施工支線公路因洪水沖刷和亂石覆蓋已接近消失。該概化整體模型對(duì)施工組織計(jì)劃的幫助明顯。也便于每個(gè)新到的人員熟悉現(xiàn)場(chǎng)情況。

5 結(jié) 語

為了發(fā)揮CATIA在三維顯示、機(jī)械和混凝土結(jié)構(gòu)建模方面的優(yōu)勢(shì)，又為了克服其在大量地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)背景下對(duì)巖土體為主的結(jié)構(gòu)建模不適應(yīng)的劣勢(shì)，以及滿足行業(yè)人員對(duì)工程區(qū)所有主要結(jié)構(gòu)物及路網(wǎng)整體三維模型的需求，采用整體低精度概化

建模的思路是正確的，需求目的是能達(dá)到的。

[1] 張社榮,顧巖,張宗亮.水利水電行業(yè)中應(yīng)用三維設(shè)計(jì)的探討[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2008,27(3)65-69.

[2] 張兵,李斌,吳偉功. CATIA在水利工程地質(zhì)建模中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù),2010,41(1)26-28.

[3] 黃志文,基于CATIA、VPM的結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)技術(shù)[J].直升機(jī)技術(shù),2010,165(4)20-25.