李 夢(mèng)，賈新會(huì)

（西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

基于CATIA平臺(tái)的重力壩三維一體化設(shè)計(jì)

李 夢(mèng)，賈新會(huì)

（西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

主要探討基于 CATIA 平臺(tái)進(jìn)行重力壩的三維一體化設(shè)計(jì)，依托二次開發(fā)等手段，將三維自動(dòng)化設(shè)計(jì)貫穿于重力壩壩頂高程和穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算、開挖、基本體型、分縫，以及廊道、防浪墻細(xì)部等設(shè)計(jì)全過(guò)程，設(shè)計(jì)人員可以快速實(shí)現(xiàn)整個(gè)重力壩設(shè)計(jì)過(guò)程，一體化設(shè)計(jì)采用全參數(shù)化管理，壩址、壩軸線、壩段布置、尺寸斷面等可調(diào)整，設(shè)計(jì)成果快速更改，程序化設(shè)計(jì)降低人為錯(cuò)誤的發(fā)生概率，提高重力壩設(shè)計(jì)效率，尤其適用于可研及以前設(shè)計(jì)階段，極大降低由于方案調(diào)整等帶來(lái)的繁重重復(fù)性工作。

三維設(shè)計(jì)；CATIA；一體化設(shè)計(jì)；參數(shù)化

重力壩是一種古老的壩型，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、安全度高，因此在水電工程中應(yīng)用廣泛，成為當(dāng)前壩工設(shè)計(jì)中比較重要的壩型之一[1-2]。重力壩工程設(shè)計(jì)的方案優(yōu)劣、水平高低及周期長(zhǎng)短都直接影響著工程建設(shè)的質(zhì)量和投資[3]。傳統(tǒng)的水利水電工程設(shè)計(jì)中采用的是二維設(shè)計(jì)手段，在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在設(shè)計(jì)方案表達(dá)不直觀、計(jì)算工作量大、設(shè)計(jì)調(diào)整困難、容易發(fā)生錯(cuò)誤等問(wèn)題，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，對(duì)工程設(shè)計(jì)質(zhì)量、效率的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段無(wú)法有效地解決這些問(wèn)題[4]，而三維設(shè)計(jì)不但可以實(shí)現(xiàn)真正意義上設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化及多方案比選，而且對(duì)于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低工程造價(jià)、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、縮短設(shè)計(jì)周期等方面也起到至關(guān)重要的作用，所以三維設(shè)計(jì)在水利行業(yè)的廣泛應(yīng)用是發(fā)展的必然趨勢(shì)[5-6]。

CATIA 是 CAD／CAE／CAM 一體化軟件[7]。CATIA 三維設(shè)計(jì)軟件具有強(qiáng)大的曲面處理能力、參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，并提供多種方式的二次開發(fā)接口，以便用戶進(jìn)行二次開發(fā)工作。

提出重力壩一體化設(shè)計(jì)，基于 CATIA 平臺(tái)將三維自動(dòng)化手段貫穿于整個(gè)重力設(shè)計(jì)中，從壩頂高程及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算，重力壩開挖、斷面、分縫廊道和防浪墻設(shè)計(jì)等方面實(shí)現(xiàn)重力壩一體化設(shè)計(jì)。

1 重力壩一體化設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 重力壩一體化設(shè)計(jì)流程

1）壩體斷面設(shè)計(jì)。重力壩斷面設(shè)計(jì)基于 CATIA平臺(tái)的知識(shí)工程[8]功能實(shí)現(xiàn)，依據(jù) DL 5108—1999《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中規(guī)定的壩體斷面設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合實(shí)際的重力壩設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行各種類型的重力壩斷面模板設(shè)計(jì)。重力壩壩體斷面模板設(shè)計(jì)采用全參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，根據(jù)需要調(diào)用混凝土重力壩的模板，可以更改模板中所有相關(guān)參數(shù)。

2）壩頂高程及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)行重力壩規(guī)范及 DL 5077—1997《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)程》[10]中相關(guān)公式，結(jié)合設(shè)計(jì)人員計(jì)算習(xí)慣，基于CATIA 平臺(tái)進(jìn)行“壩頂高程及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算”的程序開發(fā)，通過(guò)作用效應(yīng)與抗滑穩(wěn)定抗力的計(jì)算求解壩體混凝土與基巖接觸面的抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)。該程序壩頂高程的計(jì)算結(jié)果可以與抗滑穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算及三維模型相關(guān)聯(lián)，可以通過(guò)壩頂高程計(jì)算結(jié)果擬定最終選用的高程值。計(jì)算前處理簡(jiǎn)潔，后處理成果全面，符合設(shè)計(jì)人員日常習(xí)慣，計(jì)算結(jié)果可分工作表輸出至 Excel，方便用戶保存使用，如圖 1 所示。

3）重力壩分縫設(shè)計(jì)、廊道、防浪墻等細(xì)部設(shè)計(jì)。在重力壩一體化設(shè)計(jì)中，重力壩分縫、廊道、防浪墻等細(xì)部設(shè)計(jì)基于 CATIA 平臺(tái)的知識(shí)工程功能實(shí)現(xiàn)，根據(jù)規(guī)范并結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，制作各類型全參數(shù)化細(xì)部設(shè)計(jì)模板。

圖 1 重力壩壩頂高程及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算程序

重力壩分縫設(shè)計(jì)模板應(yīng)用中設(shè)計(jì)人員只需要依次輸入重力壩各縫間距離及此距離的縫數(shù)即可，重力壩縫面將自動(dòng)生成，例如，重力壩有 21 個(gè)壩段，可以依據(jù)輸入條件一次性生成中間 20 個(gè)縫面，并可根據(jù)參數(shù)更改。

廊道和防浪墻設(shè)計(jì)模板應(yīng)用中設(shè)計(jì)人員需要輸入廊道、防浪墻的掃掠線、控制點(diǎn)等輸入條件，實(shí)現(xiàn)廊道和防浪墻等模型的快速制作。

4）重力壩開挖設(shè)計(jì)。重力壩開挖設(shè)計(jì)是重力壩設(shè)計(jì)中較復(fù)雜的部分，以往二維開挖設(shè)計(jì)并不能直觀表達(dá)開挖形式，開挖量計(jì)算困難，方案修改調(diào)整不便等。三維設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)開挖設(shè)計(jì)的直觀化，但開挖面模型復(fù)雜，耗時(shí)耗力。為此，基于 CATIA平臺(tái)進(jìn)行重力壩開挖面程序的二次開發(fā)，開挖面僅由 1 個(gè) Excel 表驅(qū)動(dòng)開挖程序，表格中包含建基面輪廓、左岸壩肩槽、右岸壩肩槽、上下游開挖、壩頂以上開挖面等數(shù)據(jù)資料，通過(guò)程序生成重力壩開挖面并可自動(dòng)算量，可以使設(shè)計(jì)人員擺脫繁重的開挖面設(shè)計(jì)、開挖量計(jì)算等。

重力壩開挖設(shè)計(jì)程序充分考慮地質(zhì)因素，可以利用三維地質(zhì)模型的可視化特點(diǎn)依據(jù)不同地質(zhì)條件設(shè)置建基面位置、坡比、貼腳、壩肩槽角度等，實(shí)際應(yīng)用性極強(qiáng)。

1.2 重力壩一體化設(shè)計(jì)功能

重力壩一體化設(shè)計(jì)功能框圖如圖 2 所示。

1.3 重力壩一體化設(shè)計(jì)復(fù)核

重力壩一體化設(shè)計(jì)整體成果準(zhǔn)確性已通過(guò)功果橋、魯?shù)乩戎亓喂こ逃?jì)算得到驗(yàn)證。一體化設(shè)計(jì)中各獨(dú)立的成果均經(jīng)過(guò)多項(xiàng)目反復(fù)比對(duì)計(jì)算，通過(guò)復(fù)核結(jié)果證明程序準(zhǔn)確，適用性高。其中，壩頂高程及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算程序已經(jīng)取得《中華人民共和國(guó)國(guó)家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書》。

2 重力壩一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1）自動(dòng)化程度高。重力壩一體化設(shè)計(jì)最大的亮點(diǎn)就是程序自動(dòng)化，其中重力壩開挖設(shè)計(jì)、壩頂高程及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算為基于 CATIA 二次開發(fā)的獨(dú)立程序，重力壩斷面、分縫、廊道和防浪墻等設(shè)計(jì)為應(yīng)用軟件知識(shí)工程功能生成的模板，以上內(nèi)容自動(dòng)化應(yīng)用程度高，設(shè)計(jì)人員只需要梳理好自己的設(shè)計(jì)思想，輸入原始的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可以依次調(diào)用各階段模板或依據(jù)程序進(jìn)行計(jì)算。

2）復(fù)雜地質(zhì)條件應(yīng)用。地質(zhì)條件是重力壩設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的影響因素，重力壩一體化設(shè)計(jì)中開挖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)充分考慮地質(zhì)條件的影響，在實(shí)際工程應(yīng)用中利用 CATIA 軟件建立具有各風(fēng)化層的地質(zhì)模型，模型可進(jìn)行任意斷面剖切，在重力壩壩軸線處進(jìn)行地質(zhì)模型的剖切，能夠清楚地看到各地層分界線的位置，可以依據(jù) DL 5108—1999《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中規(guī)定的重力壩建基面標(biāo)準(zhǔn)在具有地層分界線的背景上直接勾畫重力壩建基面線，并在重力壩開挖設(shè)計(jì)程序讀取的 Excel 中填寫合理的坡比等必要的數(shù)值，直接生成重力壩開挖面，滿足重力壩對(duì)地質(zhì)條件的應(yīng)用需求。

圖 2 重力壩一體化設(shè)計(jì)功能框圖

3）便于調(diào)整。這也是程序化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是水電工程的壩址及壩軸線調(diào)整，模型可以隨之更改，同時(shí)，由于程序化自動(dòng)完成，各個(gè)內(nèi)容均可以通過(guò)更改輸入數(shù)據(jù)，模型及計(jì)算結(jié)果自動(dòng)生成，減少了因?yàn)榉桨父亩貜?fù)性的工作，降低了發(fā)生低級(jí)錯(cuò)誤的概率，極大提高了重力壩的設(shè)計(jì)效率。

3 重力壩一體化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1）重力壩一體化設(shè)計(jì)應(yīng)滿足各形式需求。重力壩一體化設(shè)計(jì)中包括斷面、分縫、廊道和防浪墻等體型設(shè)計(jì)，壩頂高程及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算也與重力壩體型設(shè)計(jì)相關(guān)。重力壩體型形式繁多，包括各材料分區(qū)形式，上游壩面直立或斜坡、下游弧段或直線連接、有無(wú)牛腿、有無(wú)齒墻等多種斷面形式，分縫、廊道和防浪墻設(shè)計(jì)等模板也應(yīng)綜合考慮各種常見(jiàn)形式，本重力壩一體化設(shè)計(jì)中充分利用三維設(shè)計(jì)的程序化、參數(shù)化特性，滿足一般重力壩設(shè)計(jì)需求。

此外，重力壩開挖設(shè)計(jì)程序需依據(jù)不同地質(zhì)條件設(shè)置建基面位置、坡比、貼腳、壩肩槽角度等，適應(yīng)性強(qiáng)，可用范圍廣。

2）一體化設(shè)計(jì)流程全面，滿足規(guī)范要求。重力壩一體化設(shè)計(jì)包括從重力壩的斷面設(shè)計(jì)、壩頂高程及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算、開挖設(shè)計(jì)、分縫設(shè)計(jì)、廊道、防浪墻等細(xì)部設(shè)計(jì)等常規(guī)重力壩設(shè)計(jì)的主要流程，所有設(shè)計(jì)內(nèi)容必須滿足相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范，保證設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。程序?qū)⑺杏?jì)算過(guò)程封裝，避免了人為錯(cuò)誤。

3）地震工況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算。常規(guī)地震工況下的重力壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算比較復(fù)雜，需要應(yīng)用條分法將壩體斷面分成多條，手算每條質(zhì)心、面積等，再應(yīng)用公式求解地震力，計(jì)算量大，且容易出錯(cuò)。重力壩一體化設(shè)計(jì)中應(yīng)能夠?qū)l分原理、地震力計(jì)算等公式都依據(jù)一定方式賦予至程序內(nèi)部重力壩模型中，保證地震工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算。

4）重力壩一體化設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)應(yīng)用靈活方便。各環(huán)節(jié)既是整體的，也是獨(dú)立的，串聯(lián)起來(lái)是整體的一體化設(shè)計(jì)，其中相關(guān)模板或程序都是獨(dú)立的，可以根據(jù)各項(xiàng)目需求不同分開或結(jié)合使用。

4 重力壩一體化設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 工程概況

以某水電站為例介紹重力壩一體化設(shè)計(jì)，該工程是以發(fā)電為主，正常蓄水位 3 078.00 m 時(shí)，相應(yīng)水庫(kù)庫(kù)容 1.21 億m3。工程規(guī)模為二等大（2）型，樞紐主要建筑物（擋水建筑物、泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物及電站廠房等）級(jí)別為 2 級(jí)。

4.2 重力壩一體化設(shè)計(jì)應(yīng)用

1）壩頂高程計(jì)算。將壩址區(qū)地形建模，并確定壩軸線位置，在三維模型中表達(dá)，這些內(nèi)容為整個(gè)工程的控制性元素。

根據(jù)水位情況、壩址區(qū)吹程風(fēng)速等計(jì)算壩頂高程，壩頂高程依據(jù)“三維設(shè)計(jì)重力壩壩頂高程及抗滑穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算軟件”計(jì)算。

軟件依據(jù)莆田、鶴地和官?gòu)d 3 種公式計(jì)算壩頂高程，選取合適該工程的官?gòu)d公式計(jì)算結(jié)果為壩頂高程選取參考值，官?gòu)d公式計(jì)算壩頂高程結(jié)果3 081.40 m，考慮到壩頂防浪墻高等，最終選擇壩頂高程為 3 081.00 m。

2）重力壩斷面擬定及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算。參考國(guó)內(nèi)類似工程，結(jié)合工程地質(zhì)條件，初擬壩體基本三角形斷面為壩頂高程為 3 081.00 m，河床建基面高程為 2 957.00 m，上游坡為垂直坡，下游壩坡為 1∶0.75，起坡點(diǎn)高程為 3 081.00 m，壩頂寬為 12 m。

根據(jù)擬定的斷面，依據(jù)“三維設(shè)計(jì)重力壩壩頂高程及抗滑穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算軟件”計(jì)算典型斷面的穩(wěn)定應(yīng)力，如圖 3 所示。

圖 3 重力壩穩(wěn)定計(jì)算程序

軟件可以輸入斷面尺寸，快速直觀進(jìn)行穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算，通過(guò)計(jì)算可知，斷面滿足規(guī)范中穩(wěn)定及應(yīng)力要求。

3）重力壩開挖一體化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員將建基面輪廓、左岸壩肩槽、右岸壩肩槽、上下游開挖、壩頂以上開挖面、壩頂以上開挖面等開挖面參數(shù)按照格式要求填入 Execl 表格中，點(diǎn)擊“創(chuàng)建開挖面應(yīng)用程序”調(diào)用已準(zhǔn)備完成的 Execl 表格，將自動(dòng)生成左岸壩肩槽、右岸壩肩槽、上游、下游、左岸壩頂以上、右岸壩頂以上等開挖面，直觀且效率高，提高開挖量計(jì)算及開挖面設(shè)計(jì)的工作效率，如圖 4 所示。

4）重力壩細(xì)部設(shè)計(jì)?？紤]到規(guī)范中重力壩分縫相應(yīng)規(guī)定，以及溢流壩段閘墩、孔口尺寸等，布置混凝土壩分縫，確定好壩縫間距后可以直接應(yīng)用重力壩分縫模板，設(shè)計(jì)人員直接填寫各縫間距及相應(yīng)縫數(shù)，即可一次性自動(dòng)生成所有縫面，并可進(jìn)行參數(shù)更改，如圖 5a 所示。

按照規(guī)范中對(duì)重力壩廊道、防浪墻等的相關(guān)規(guī)定，并綜合考慮全面布置等，布置廊道及防浪墻，設(shè)計(jì)人員只需要確定廊道的中心線及防浪墻的控制點(diǎn)等元素，廊道及防浪墻等可以通過(guò)模板快速生成，如圖 5b 所示。

圖 4 重力壩開挖設(shè)計(jì)程序

圖 5 重力壩細(xì)部設(shè)計(jì)

4.3 設(shè)計(jì)方案變更

程序自動(dòng)化本身的優(yōu)勢(shì)就在于參數(shù)化，即變更調(diào)整方便，上至整個(gè)方案的變更，如壩軸線調(diào)整，端點(diǎn)調(diào)整，壩段更改等，下至某個(gè)馬道寬度或者坡度等，都可以通過(guò)參數(shù)快速更改，整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容將隨之快速更改，尤其適用于可研以前階段方案調(diào)整更改。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究探討依托 CATIA 平臺(tái)的知識(shí)工程功能進(jìn)行模板設(shè)計(jì)及程序的二次開發(fā)，基本實(shí)現(xiàn)了重力壩的三維一體化設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

1）重力壩的三維一體化設(shè)計(jì)依托現(xiàn)行規(guī)范及豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)開展，經(jīng)過(guò)大量工程復(fù)核，并取得著作權(quán)證書，應(yīng)用穩(wěn)定。

2）重力壩的三維一體化設(shè)計(jì)內(nèi)容包括壩軸線擬定—壩頂高程、抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算—重力壩壩體建?！_挖設(shè)計(jì)—分縫設(shè)計(jì)—廊道等細(xì)部設(shè)計(jì)，基本貫穿于整個(gè)重力壩設(shè)計(jì)中。

3）重力壩的三維一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了重力壩設(shè)計(jì)過(guò)程的程序自動(dòng)化，大大提高了重力壩的設(shè)計(jì)效率，減少出錯(cuò)率，便于查看更改，并為重力壩設(shè)計(jì)思想及原則提供了傳承的平臺(tái)。

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Design of three-dimensional integrated gravity dam based on CATIA platform

LI Meng, JIA Xinhui
(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi’an 710065, China)

This paper mainly discusses 3D integration design of gravity dam based on CATIA platform. Based on secondary development method, it uses 3Dautomation design throughout the whole process of the gravity dam design, which reflects in the gravity dam crest elevationand stable stress calculation, design of excavation, the basic shape, seam portionand detail design suchas corridor, parapet wall, etc. Designers can quickly realize the whole process of the gravity dam design. At the same time, the integration designadopts full parameterized management, it can makeadjustments in dam site, theaxis of the dam, dam layoutand section size, so design results can be rapidly changed. The integration of the gravity dam design reduces the human error probability, improves the efficiency of the gravity dam design, especially Applicable to the feasibleand previous design phase,and greatly reduces the heavy repetitive work caused by planadjustment, etc.

three-dimensional design; CATIA; integrated design; parameterized

TV641

A

1674-9405(2017)02-0016-05

10.19364/j.1674-9405.2017.02.004

2016-05-08

李 夢(mèng)（1986-），女，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，從事水利工程數(shù)字化研究工作。