張 君，劉 躍

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 CATIA三維設(shè)計(jì)軟件及其特點(diǎn)

CATIA是法國Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一體化軟件。CATIA除了具備完善、穩(wěn)定的造型能力外，在參數(shù)化設(shè)計(jì)方面也具備強(qiáng)大的后參數(shù)化能力，也即是在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮參數(shù)驅(qū)動(dòng)，完成設(shè)計(jì)后將設(shè)計(jì)時(shí)的各項(xiàng)輸入?yún)?shù)化并實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型的功能。這項(xiàng)能力可以大大降低三維設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)封裝的時(shí)間成本。

與當(dāng)前水電設(shè)計(jì)行業(yè)中應(yīng)用最廣的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AUTOCAD相比，CATIA的軟件使用入門難度較大，體現(xiàn)在：

(1)需要學(xué)習(xí)的操作命令多，對(duì)各種操作命令的操作目的和實(shí)現(xiàn)功能理解難度大，對(duì)各種建模命令產(chǎn)生的實(shí)際模型效果需要較長的熟悉時(shí)間。如何通過操作命令實(shí)現(xiàn)建模效果也需要對(duì)CATIA各項(xiàng)命令有較為深刻的理解。

(2)三維設(shè)計(jì)過程可以即時(shí)觀察到模型，直觀的展示結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，但這并不意味著可以替代設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑物空間關(guān)系的理解，只有設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑物本身的空間關(guān)系理解得較為深入，才能在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題并做出相應(yīng)的修正，實(shí)現(xiàn)真正的三維輔助設(shè)計(jì)的目的。

CATIA的用戶特征(UDF)是對(duì)已經(jīng)完成的設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)封裝，可以將建模過程隱藏，對(duì)調(diào)用某一UDF的使用者而言，從需要具備CATIA軟件的建模操作技能轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)UDF的各種輸入元素和參數(shù)的熟悉和理解上，而UDF的各種輸入元素及參數(shù)是模型對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)本身的特性，與設(shè)計(jì)軟件本身無關(guān)，一定程度上降低了對(duì)軟件操作方面的要求，將設(shè)計(jì)者大量的時(shí)間和精力從建模轉(zhuǎn)移到了設(shè)計(jì)本身，另一方面則對(duì)UDF在穩(wěn)定性、易用性、通用性等方面提出了較高的要求。

2 進(jìn)水塔及調(diào)壓室等水工建筑物特點(diǎn)分析

水工建筑物中進(jìn)水塔和調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)多為溝、槽、洞等形式，自由曲面較少，其中，電站進(jìn)水口和調(diào)壓室在結(jié)構(gòu)形式確定時(shí)，基本可以實(shí)現(xiàn)完全參數(shù)驅(qū)動(dòng)三維模型，達(dá)到設(shè)計(jì)精度。另外，水工建筑物的各種溝、槽、洞以及局部細(xì)節(jié)特征不但多，在空間上的分布也很難規(guī)律化，導(dǎo)致基于CATIA的三維設(shè)計(jì)存在大量的定位操作，參數(shù)化時(shí)就會(huì)存在參數(shù)多的問題，進(jìn)行UDF設(shè)計(jì)時(shí)如果將不同構(gòu)件之間相對(duì)定位關(guān)系等也考慮在內(nèi)，為保證UDF的穩(wěn)定性，會(huì)加大UDF設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抽象的難度。

另外，不同的項(xiàng)目基于不同的地質(zhì)條件以及功能需求等外部條件，對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)形式會(huì)有不同的解決方案，有的建筑結(jié)構(gòu)形式較為穩(wěn)定，有的則經(jīng)常視條件裱畫，則可以對(duì)建筑物按功能進(jìn)行抽象歸納為很多具有特定功能的構(gòu)件，比如，調(diào)壓室水工結(jié)構(gòu)從功能上可以細(xì)分為室下流道，邊墻、穹頂、閘門閘墩、交通洞，其中室下流道就可以有城門洞型、圓形、矩形等多種結(jié)構(gòu)形式，甚至?xí)嬖诓恍枰l門因而不需要閘墩的調(diào)壓室結(jié)構(gòu)，基于這種特點(diǎn)，采用將調(diào)壓室UDF用一種調(diào)壓室形式進(jìn)行封裝的方式很難靈活適應(yīng)設(shè)計(jì)的需要，采用將各功能結(jié)構(gòu)按不同的功能進(jìn)行分解，各自建立獨(dú)立的UDF，視不同的工程需要進(jìn)行組裝的方式適應(yīng)性更強(qiáng)。

3 整體封裝與按功能分解封裝UDF設(shè)計(jì)實(shí)例

采用整體封裝方法設(shè)計(jì)的岸塔式電站進(jìn)水口見圖1～3，其中圖1為UDF最終整體效果，圖2為UDF使用時(shí)需要的輸入元素(整體定位)，圖3為需要的輸入?yún)?shù)。整體封裝方法各種構(gòu)件的相對(duì)關(guān)系的整理比較復(fù)雜，需要考慮更多的相對(duì)關(guān)系以及異常情況的處理公式有約190條。

圖1 電站進(jìn)水口UDF整體效果

圖2 電站進(jìn)水口UDF輸入元素

采用按功能分解為構(gòu)件封裝的調(diào)壓室UDF分解為骨架、穹頂、中部邊墻及底板襯砌、閘墩、流道結(jié)構(gòu)，共5個(gè)子模板部分，每個(gè)子模板分別由不同的人完成。其中骨架子模板提供各子模板的定位元素，各個(gè)子模板生成相應(yīng)部位的功能構(gòu)件，每個(gè)子模板各自定義UDF，公布參數(shù)，生成子模板。模板組合之后的總體效果見圖4(圖示側(cè)邊墻未激活，可參數(shù)控制激活形成更完整的調(diào)壓室模型)，模板組合的模型樹結(jié)構(gòu)見圖5。

圖3 電站進(jìn)水口UDF輸入?yún)?shù)

圖4 調(diào)壓室模板拼裝后效果

圖5 調(diào)壓室UDF模型樹結(jié)構(gòu)

4 整體封裝與按功能分解封裝UDF的使用體驗(yàn)對(duì)比

進(jìn)水口UDF生成后包含的主要細(xì)部結(jié)構(gòu)有攔污柵墩(攔污柵個(gè)數(shù)可以通過參數(shù)調(diào)整，模型自動(dòng)變更)、兩道攔污柵槽、一個(gè)主流道、縱撐、橫撐、主流道、1道檢修門槽、1道快速門槽。實(shí)際的CATIA操作為：準(zhǔn)備4個(gè)定位元素(見圖2)，分別為兩個(gè)點(diǎn)，一條線，一個(gè)面，之后的大部分工作則是通過參數(shù)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，大部分工作在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、在模板

適應(yīng)性好的前提下，對(duì)使用者的CATIA操作技能要求很低。另外，細(xì)部結(jié)構(gòu)全部封裝，參數(shù)就比較多，已完成的岸塔式進(jìn)水口UDF內(nèi)包含歸集為總定位參數(shù)、總尺寸、攔污柵、橫撐、橫撐上方胸墻、縱撐、快速門槽等7組共計(jì)64個(gè)參數(shù)，結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)關(guān)系以參數(shù)的形式展示，在結(jié)構(gòu)形式確定的情況下，甚至可以不需要使用者在CATIA里面進(jìn)行操作，僅通過修改關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)表的excel文件，就可以修改結(jié)構(gòu)。但是，如果結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化，則模板僅能部分甚至完全不能使用，因此，采用整體封裝需要針對(duì)每種結(jié)構(gòu)形式建立對(duì)應(yīng)的模板，形成完整的的UDF庫。

調(diào)壓室模版在使用時(shí)準(zhǔn)備類似進(jìn)水口模板的輸入元素，根據(jù)輸入元素，骨架模板生成各子模板需要的元素，各子模板在骨架模板的基礎(chǔ)上定位，生成結(jié)構(gòu)。當(dāng)某個(gè)功能部位的形式有調(diào)整時(shí)，可以刪除此子模板，用需要的其他模板代替，適應(yīng)調(diào)壓室結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計(jì)過程中調(diào)整的需要。采用按功能構(gòu)件封裝的方式，僅僅需要構(gòu)建不同形式的功能模板，由使用者按需要組裝形成不同的結(jié)構(gòu)，使用者需要進(jìn)行相對(duì)較多的CATIA操作。

5 結(jié) 論

從推廣三維建模的角度，采用UDF封裝法的參數(shù)化設(shè)計(jì)可以降低對(duì)CATIA的操作技能要求，一定程度上能降低CATIA三維設(shè)計(jì)門檻。其中整體式封裝適合結(jié)構(gòu)形式較為穩(wěn)定的建筑，而按功能分解為功能構(gòu)件的封裝方式適合結(jié)構(gòu)形式較多變化的建筑，兩者對(duì)結(jié)構(gòu)的抽象程度不同，對(duì)UDF的設(shè)計(jì)者和使用者的要求也有一定的差異。采用UDF封裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同層次的抽象，以適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)階段以及使用者情況，實(shí)現(xiàn)模板的針對(duì)化設(shè)計(jì)。