周 杰

（吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 吉林長春 130021）

1 概述

隨著現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)向數(shù)字化、智能化、集成化和知識化的方向發(fā)展，水電工程現(xiàn)有的二維CAD技術(shù)、產(chǎn)品管理技術(shù)、設(shè)計(jì)資源管理技術(shù)、知識管理方法等正面臨著巨大挑戰(zhàn)，造成現(xiàn)有工具級的CAD技術(shù)存在如下問題：

（1）智能化程度低，只是發(fā)揮著電子圖板的作用；

（2）信息分散，不能實(shí)現(xiàn)信息的集成和有效共享；

（3）知識管理和表達(dá)適應(yīng)能力差；

（4）不具備關(guān)聯(lián)和協(xié)同能力；

（5）缺乏基于知識的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境。

三維設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的必然趨勢，三維技術(shù)在機(jī)械、電子、航空、航天以及建筑等部門得到廣泛的應(yīng)用。把三維設(shè)計(jì)應(yīng)用到水利工程上,可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的工程方案優(yōu)化及多方案的比較,對于提高工程的技術(shù)指標(biāo)和品質(zhì)、降低工程造價(jià)、縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量均可以起到重要作用。

三維設(shè)計(jì)比二維設(shè)計(jì)有許多優(yōu)勢，除了三維表達(dá)直觀，所見即所得。三維協(xié)同設(shè)計(jì)具有骨架設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化模板技術(shù)等關(guān)鍵性技術(shù)，極大的提高了設(shè)計(jì)效率。有效的發(fā)現(xiàn)和解決水電設(shè)計(jì)的錯(cuò)、漏、碰等問題。統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源為多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)成果管理提供了便利。合理的人員及權(quán)限定制，為設(shè)校審提供了保障。三維設(shè)計(jì)的這些優(yōu)點(diǎn)，更適合于水利水電多專業(yè)間的多方案設(shè)計(jì)。

在國內(nèi)，以中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院為代表的大型設(shè)計(jì)院率先引進(jìn)了CATIA+VPM 三維協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)。我院開啟了省級水利設(shè)計(jì)院的三維設(shè)計(jì)先河，于2009年引進(jìn)CATIA+VPM 三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，結(jié)合我院的特色，成立了三維協(xié)同設(shè)計(jì)小組。三維協(xié)同設(shè)計(jì)小組不脫離生產(chǎn)，而是結(jié)合生產(chǎn)使用并研究、開發(fā)完善CATIA+VPM三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，目前已經(jīng)取得了一定的成績，在省級設(shè)計(jì)院中處于領(lǐng)先地位。

2 基于CATIA+VPM三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺簡介

CATIA是法國于1975年起開始發(fā)展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一體化軟件，它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、三維建模、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖的生成到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程，其中還包括了大量的電纜和管道布線、各種模具設(shè)計(jì)與分析和人機(jī)交換等實(shí)用模塊。

CATIA不但能夠保證企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)部門之間的協(xié)同設(shè)計(jì)功能，而且還可以提供企業(yè)整個(gè)集成的設(shè)計(jì)流程和端對端的解決方案。CATIA支持復(fù)雜曲面造型和復(fù)雜裝配。CATIA與ANSYS之間有非常好的接口，為復(fù)雜有限元分析提供了較好的平臺。

達(dá)索系統(tǒng)的 PLM解決方案目前已經(jīng)成功應(yīng)用于全球水利水電行業(yè)。加拿大魁北克水電公司、全球知名水電設(shè)備制造商 VOITH SIEMENS公司等都選擇了達(dá)索系統(tǒng)的 PLM解決方案實(shí)現(xiàn)水電站以及相關(guān)設(shè)備的三維設(shè)計(jì)、數(shù)字化建設(shè)施工及維護(hù)的全生命周期管理。

圖1 六里崴水電站廠房專業(yè)骨架圖

3 CATIA在水利水電設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

骨架設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)及知識模板技術(shù)是三維協(xié)同設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)和精髓。

3.1 骨架設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)大多采用自下而上的設(shè)計(jì)思路，其設(shè)計(jì)過程是建立在幾何建模的基礎(chǔ)上，依靠零件實(shí)體造型先期設(shè)計(jì)出產(chǎn)品裝配體中的各零部件，再進(jìn)行各零部件的裝配組裝成產(chǎn)品。在產(chǎn)品裝配完成后零部件的結(jié)構(gòu)尺寸及與產(chǎn)品的配置關(guān)系和約束關(guān)系不便于修改和更新，使自動(dòng)裝配難以進(jìn)行。

CATIA三維設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路，為使產(chǎn)品具有聯(lián)動(dòng)修改效應(yīng)，在修改、變更中自動(dòng)維護(hù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性。將知識工程、參數(shù)化特征造型融入到自頂向下的設(shè)計(jì)中，因此建立基于知識驅(qū)動(dòng)的在骨架模型基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與自動(dòng)裝配。

以水電站設(shè)計(jì)為例，首先按照工程部位建立總骨架，各個(gè)專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候。引用總骨架元素定義專業(yè)骨架。具體專業(yè)細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，引用專業(yè)骨架發(fā)布元素進(jìn)行定位。如圖1為六里崴水電站廠房專業(yè)骨架，定義了樁號、高程、機(jī)組中心線等骨架元素。廠房細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，引用骨架元素。整個(gè)廠房結(jié)構(gòu)都隨著骨架的更新而自動(dòng)更新。

3.2 參數(shù)化建模

參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本思想是以約束來表達(dá)產(chǎn)品模型的形狀特征，通過從模型中一些主要的定形、定位或裝配尺寸作為自定義變量，修改這些變量的同時(shí)由一些公式計(jì)算出并變動(dòng)其他相關(guān)尺寸，從而方便地創(chuàng)建一系列形狀相似的零件。這種用尺寸驅(qū)動(dòng)、修改圖形的功能為初始產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品建模、修改系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了有效的手段，能夠滿足設(shè)計(jì)具有相同或相近幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工程系列產(chǎn)品及相關(guān)工藝設(shè)備的需要。

參數(shù)化建模的優(yōu)點(diǎn)是對設(shè)計(jì)人員的初始設(shè)計(jì)要求低，無需精確繪圖，只需勾繪草圖，然后可通過適當(dāng)?shù)募s束得到所需精確圖形；便于編輯、修改，能滿足反復(fù)設(shè)計(jì)的需要。

圖2為我院水機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)的閘閥。通過約束使模型與參數(shù)關(guān)聯(lián)。參數(shù)與電子表格關(guān)聯(lián)，修改電子表格使參數(shù)變化，模型自動(dòng)更新。通過定義相關(guān)的參數(shù)，能夠方便的通過修改參數(shù)快速設(shè)計(jì)相似閘閥。

圖2 水機(jī)專業(yè)閘閥參數(shù)化模型圖

3.3 知識模板技術(shù)

利用CATIA V5的知識工程功能?？梢詫⑽以褐悄苜Y源以知識模板的方式，快速運(yùn)用于新的設(shè)計(jì)，從而大幅提升設(shè)計(jì)效率，并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

CATIA知識工程是將一些諸如經(jīng)驗(yàn)公式、分析算法、優(yōu)化計(jì)算、條件控制等智能知識打包到一個(gè)盒子中．只留出幾個(gè)條件輸入?yún)?shù)接口。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)。不需要關(guān)心盒子中到底有哪些內(nèi)容．而只需要知道目標(biāo)模型所屬的類型及確定目標(biāo)模型具體細(xì)節(jié)的關(guān)鍵幾個(gè)輸入?yún)?shù)即可。調(diào)用模型時(shí)，通過輸入?yún)?shù)，調(diào)用打包在模型內(nèi)部的一系列計(jì)算公式及判斷條件，自動(dòng)進(jìn)行一系列的內(nèi)部運(yùn)算與調(diào)整，快速生成符合設(shè)計(jì)要求的幾何模型。

運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)，我院建立了適合各個(gè)專業(yè)的知識工程模板庫。例如水工模板庫中廠房模板、壩工模板、引水洞模板、機(jī)電模庫等，被大量運(yùn)用到三維設(shè)計(jì)中。

4 我院多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)展示

4.1 地質(zhì)專業(yè)

CATIA擁有實(shí)體和曲面及MESH網(wǎng)格面相結(jié)合的強(qiáng)大造型設(shè)計(jì)能力，使地質(zhì)主動(dòng)模型設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，減少修改帶來的重復(fù)工作量，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

借助 CATIA地質(zhì)模塊，中部供水項(xiàng)目全線110公里地質(zhì)成果全部由CATIA軟件完成。

圖3為其中的30公里段地質(zhì)成果。

圖3 地質(zhì)成果圖

圖4 六里崴水電站水工模型圖

圖5 施工圍堰、導(dǎo)流洞模型圖

4.2 水工專業(yè)

借助 CATIA的骨架設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)及知識模板等關(guān)鍵技術(shù)，水工模型建立變的更加便捷，見圖4。

4.3 施工專業(yè)

利用 CATIA參數(shù)化建模及知識工程模板，可快速完成施工圍堰、導(dǎo)流洞等模型建立。見圖5。

4.4 水機(jī)專業(yè)

在水機(jī)專業(yè)，由于不需要單個(gè)零件進(jìn)行加工圖設(shè)計(jì)，因此將標(biāo)準(zhǔn)件的幾何細(xì)節(jié)忽略。對設(shè)備的屬性參數(shù)信息卻非常關(guān)心。所以大量應(yīng)用CATIA知識工程這一優(yōu)點(diǎn)，將眾多設(shè)備用電子表格驅(qū)動(dòng)。這樣建立的水機(jī)庫，具有數(shù)據(jù)量小，方便查詢與計(jì)算，方便布置等特點(diǎn)。

水機(jī)庫環(huán)境系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，為解決水機(jī)專業(yè)中大量標(biāo)準(zhǔn)件的建立與使用提供了一條有效的途徑，可較大地提高設(shè)計(jì)效率，見圖6。

4.5 電氣專業(yè)

與水機(jī)專業(yè)相似，電氣專業(yè)不需要對設(shè)備的細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電氣設(shè)計(jì)比較關(guān)心設(shè)備的布放。通過CATIA建立電氣專業(yè)零件庫、橋架/支架庫，并方便的調(diào)用這些設(shè)備。通過 CATIA裝備可以方便的檢查干涉以及碰撞，從而方便地和其他專業(yè)協(xié)同，見圖7。

4.6 金結(jié)專業(yè)

我院的金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的三維設(shè)計(jì)主要是通過不斷建立和補(bǔ)充金結(jié)零件庫，并在實(shí)際工程中完善和調(diào)用金結(jié)零件庫。實(shí)際應(yīng)用表明，整個(gè)零件庫的創(chuàng)建和調(diào)用過程簡單，操作方便。通過使用零件庫，對減輕設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作量、縮短設(shè)計(jì)周期具有重要的作用。

圖6 廠房水機(jī)專業(yè)模型圖

圖7 廠房電站設(shè)備模型圖

圖8為我院金結(jié)專業(yè)設(shè)計(jì)的閘門。通過調(diào)用庫中各個(gè)部件，組建成完整的閘門。

5 二維工程圖設(shè)計(jì)

二維工程圖是三維協(xié)同設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，雖然無紙?jiān)O(shè)計(jì)是以后的發(fā)展方向，但在短期內(nèi)還是無法普及這種生產(chǎn)方式，所以工程圖還是與施工單位和生產(chǎn)部門交流的重要工具。施工單位從二維工程圖中了解到設(shè)計(jì)者對零件的所有要求。

CATIA的工程圖模塊drafting提供了兩種生成工程圖的方式：創(chuàng)成式工程繪圖和交互式工程繪圖。創(chuàng)成式工程繪圖可以很方便地從三維零件和裝配件生成相關(guān)聯(lián)的圖紙，包括平面圖、剖視圖、剖面圖、局部放大圖、軸測圖。我院通過對二維圖標(biāo)準(zhǔn)文件的定制以及創(chuàng)成式視圖樣式的定制，可以快速方便的繪制水利二維圖。由于傳統(tǒng)二維圖很多標(biāo)注習(xí)慣以及樣式在CATIA軟件中無法直接實(shí)現(xiàn)。我們通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了高程、樁號、圖框等的快速繪制。

由于二維工程圖是與三維模型相關(guān)聯(lián)的。當(dāng)方案變更了以后，無需重新繪制二維圖。二維圖紙隨著三維模型的更新自動(dòng)更新。從而大大的提高了設(shè)計(jì)效率。

6 VPM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺

協(xié)同設(shè)計(jì)一般分為傳統(tǒng)的文件級協(xié)同以及特征級的深層協(xié)同，VPM 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺提供了特征級的深層協(xié)同。他具有以下特點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)環(huán)境不再孤立，設(shè)計(jì)人員基于統(tǒng)一的在線設(shè)計(jì)環(huán)境，可以隨時(shí)查看具有權(quán)限的任意工程數(shù)據(jù)以及在設(shè)計(jì)環(huán)境下參考引用的其他專業(yè)的數(shù)據(jù)；

（2）參考設(shè)計(jì)時(shí)，不需要將其他數(shù)據(jù)拷貝，以免造成數(shù)據(jù)冗余，而是采用發(fā)布參考的機(jī)制。當(dāng)被引用的數(shù)據(jù)發(fā)生變更后，本專業(yè)數(shù)據(jù)及時(shí)自動(dòng)更新，這樣，不僅保證了參考環(huán)境和關(guān)聯(lián)對象的唯一性，也保證了引用數(shù)據(jù)的有效性；

（3）通過 VPM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺可以進(jìn)行水電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)校審流程，也可以對設(shè)計(jì)流程進(jìn)行定制。

7 3DVIA composer在設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)研發(fā)最繁瑣的工作，莫過于設(shè)計(jì)進(jìn)行中及完成后所需遞交的技術(shù)文件報(bào)告。為了解決這個(gè)棘手的問題，我院利用了3DVIA Composer文件發(fā)布系統(tǒng)，結(jié)合繪圖者最想改善的速度問題，并加上支持3D同步變更的優(yōu)勢，大幅度降低了復(fù)3D的設(shè)計(jì)更新?？梢哉蠄D片、Office文件、PDFSDHTML網(wǎng)頁格式的各種規(guī)格，產(chǎn)生的編排布局規(guī)格變化，客戶可由開放客制化的工具自行編排。

8 CATIA CAA二次開發(fā)

CATIA在水利水電行業(yè)的應(yīng)用過程中，體現(xiàn)出了一些在該行業(yè)中不成熟的地方，例如在二維出圖規(guī)范方面的功能性差異，在鋼筋圖功能性方面的欠缺。因此，利用CATIA CAA二次開發(fā)功能，我們做了相應(yīng)的開發(fā)。值得一提的是，目前國內(nèi)很多水利設(shè)計(jì)院都在進(jìn)行三維鋼筋圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)，吉林院自主研發(fā)了鋼筋圖輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，目前已經(jīng)完成第二階段的工作。