張積強，武佩佩，戴　琳

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安　710065)

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基于Catia三維開挖設計凹面處理技術研究

張積強，武佩佩，戴琳

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安710065)

摘要：在Catia軟件中進行水工建筑物邊坡開挖設計，步驟繁瑣、容易出錯且工作量大，后續(xù)修改麻煩，凹點處開挖面處理更是開挖設計的難點。文章對凹點部位的開挖面處理的一般思路進行了總結(jié)，并進行了拓展性研究，提出了復雜情況下凹點處開挖面設計及曲面倒角的基本思路和方法，為模板化、程序化解決開挖問題提供了基本思路。

關鍵詞：CATIA;水電工程;三維開挖;凹面;曲面倒角

1問題提出

在工程邊坡開挖設計中，往往碰到邊坡開挖放坡所依據(jù)的建基線在平面上的投影不在同一直線上，凹點處的邊坡一般都會出現(xiàn)棱角，尤其是凹點兩側(cè)的坡面夾角比較小的時候，這種棱角顯得邊坡尤為不安全，如圖 1所示。工程實際設計中往往將凹點部位進行圓角處理，形成如圖 2所示圓弧曲線。

但在CATIA中，要基于圖 2所示看似簡單的建基線設計出合理的開挖面并不容易。針對圖1，2所示的建基線，采用整體掃略方法，無論怎樣調(diào)整選項，都可能由于自相交或者曲面復雜等原因無法得到結(jié)果；采用多截面方法，同時考慮耦合、引導線等控制方式，可以得到一個結(jié)果，如圖3，4所示。如圖中看到的，開挖坡面上出現(xiàn)了不規(guī)則的曲面，工程施工中很難控制，并不是理想的結(jié)果。

圖1　凹點處折線形建基線圖

2處理方法研究

筆者對產(chǎn)生上述不規(guī)則曲面原因進行分析，認為產(chǎn)生上述問題的原因有2點：第1是兩側(cè)的剖面線和底部的建基線過于復雜；第2是CATIA的多截面曲面的耦合功能綜合考慮了兩側(cè)剖面線受底部建基線的趨勢影響，但并沒有嚴格控制邊坡馬道的走向。針對上述存在的問題，筆者按照化繁為簡、細節(jié)控制的思路做了大量試驗，找到了幾種切實可行的處理方法，供大家參考。

圖2　凹點處圓弧形建基線圖

圖3　折線型建基線邊坡設計圖

圖4　圓弧型建基線邊坡設計圖

2.1一般設計思路

針對上述情景，一般利用掃略、剪切、可變圓角等工具進行設計。對于圖1所示帶凹點的建基線，通過“使用參考曲面”方法對凹點兩側(cè)的直線部分分別掃略(拉伸命令也可以)，然后進行相互剪切，并采用“可變圓角”方式對棱線進行倒角，即可形成倒圓角后的開挖坡面，如圖5所示，其前提是凹點兩側(cè)的馬道高程一樣，即馬道是一個水平面。

如果兩側(cè)的馬道高程不一樣，其效果如圖6所示，這種處理方式在工程上很少見。在工程上，每一層馬道基本都是連通的，以滿足小工具車通行，在這種情況下，馬道高程需要從一個剖面位置傾斜過渡到另一個剖面位置。

圖5　一般開挖設計圖

圖6　不同馬道高程的開挖設計圖

2.2凹點處剖面線設計

為了解決圖6所顯示的問題，可考慮在凹點處增加一個剖面線，從而將一個復雜問題轉(zhuǎn)化為凹點處剖面線設計問題。

在圖5制作過程中，如果將兩側(cè)的直面進行相交計算，可以得到1條空間折線，這條折線繼承了兩側(cè)剖面線的基本特點。按照這個思路，可以利用兩側(cè)邊坡的馬道高程、坡比、馬道寬度、建基線的信息，通過計算、放樣獲得剖面線。根據(jù)凹點兩側(cè)馬道面水平還是傾斜，凹點處剖面線設計可有2種思路：一種思路是一側(cè)馬道面水平，另一側(cè)為帶有縱坡的斜坡面；另一種思路是兩側(cè)馬道統(tǒng)一坡比，均按帶有縱坡的斜面設計，如圖7所示，其設計思路和流程如圖8所示。利用這種方法生成的凹點處剖面線，可以生成基本滿足工程設計需要的邊坡開挖面，如圖9所示。為了生成這個凹點處的剖面線，兩側(cè)馬道內(nèi)側(cè)邊線的交點做了近似處理，一般情況下其誤差均小于1 mm，滿足工程要求。這種方法簡稱為單剖面線過渡法，常用于洞口的洞臉與兩側(cè)邊坡的開挖設計。

2.3曲面倒角設計

為了設計安全，工程上一般對比較尖銳的棱線進行倒角處理，可利用CATIA的可變圓角曲面工具處理，圖9所示棱線進行圓角處理后如圖10所示。如果建基線是圖2所示的曲線，則可修改底部的半徑參數(shù)，處理為圖11所示效果。

圖7　凹點處剖面線設計圖

圖8　凹點剖面線設計流程圖

圖9　棱線型邊坡開挖面圖

圖10　圓角處理后的邊坡開挖面圖(1)

圖11　圓角處理后的邊坡開挖面圖(2)

實際上，工程上除了上面2種圓角處理方法，可能還有倒直角的處理要求，其效果如圖12所示。其制作方法可參考圓角處理思路，先利用曲線的3D圓角功能，對棱線兩側(cè)的馬道邊線分別圓角,獲得2條新的剖面線，如圖13所示。然后利用橋接工具，將這2條剖面線作為第1、第2曲線，并將同一馬道的對應點進行耦合，則可分步生成圖12所示的直面邊坡開挖設計圖；如果利用多截面曲面工具，并以建基線的圓弧線為引導線，結(jié)合耦合則可以生成圖10所示的邊坡開挖設計圖。

圖12　倒角處理后的邊坡開挖面圖

圖13　倒角處理過程圖

2.4直接設計

以上方法是針對已生成的圖9所示的直線型開挖面所做的倒角設計，適用于人工設計；如果用于程序開發(fā)，還可以利用凹點處剖面線設計成果，采用圖 7所展示的思路，直接對馬道邊線進行倒角，如圖14所示，據(jù)此生成的開挖面如圖15所示。這種方法簡稱為雙剖面線過渡法，常用于處理相鄰建筑物之間有預留巖體的情況。

圖14　預先倒角設計過程圖

圖15　預先倒角設計后生成的開挖面圖

雙剖面線過渡法的精度比單剖面線過渡法高，這是因為雙剖面線過渡法在預先倒角處理時利用的馬道邊線沒有近似處理，完全符合CATIA中曲面設計的幾何原理，與(1)中所述的“一般設計”思路所制作的開挖面非常吻合。

3結(jié)語

凹面開挖設計是工程邊坡開挖設計中普遍碰到的一個難點問題，也是邊坡開挖類軟件開發(fā)中碰到的一個主要技術問題。本文提到了凹面邊坡開挖設計的多種思路，相比來說，采用掃略、剪切、可變圓角的一般設計方法可能更簡單、應用更多；但如果要解決復雜問題，基于凹點處剖面線設計的思路更能滿足設計需要。筆者在這里提到的幾種方法用于三維邊坡開挖設計系統(tǒng)的開發(fā)中，其編程思路相對清晰，效率較高，設計成果更能滿足工程設計、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

中圖分類號：TV223;TP399

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.023

作者簡介：張積強(1973- )，男，陜西省千陽縣人，高級工程師，從事水電工程三維設計研究工作.

收稿日期：2015-09-25

文章編號：1006—2610(2016)01—0088—04