付登輝

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

傳統(tǒng)重力壩設計成果以眾多復雜的剖面圖及平面圖的形式展現(xiàn)，設計者需將腦中的三維形體轉換為二維圖紙，在形成圖紙后再將二維圖紙還原為三維形體以檢驗是否符合原設計，且轉換過程中可能導致設計信息丟失[1]。受限于技術本身難以突破其固有瓶頸，設計方案存在方案表達不直觀、工程量計算工作量大、設計修改優(yōu)化費時費力、設計盲點較多等問題，導致施工期變更、工期、工程量、后續(xù)安全等超出原計劃，造成很多不必要的浪費并影響項目整體進度。

目前水利水電行業(yè)，BIM三維并行設計在工程中已逐漸推廣應用，對傳統(tǒng)二維CAD設計存在問題能夠為系統(tǒng)解決。其在可視化協(xié)同工作環(huán)境中，利用骨架控制、參數(shù)化關聯(lián)設計、模板設計等工具，能夠快速實現(xiàn)方案設計、優(yōu)化及獲取工程量、坐標；能夠通過協(xié)同設計環(huán)境在設計中及時發(fā)現(xiàn)專業(yè)間的碰撞、錯誤、遺漏等問題并快速實現(xiàn)方案調(diào)整。

本文主要探討基于BIM軟件CATIA進行施工圖階段重力壩三維設計及施工圖交付。對石溝水庫重力壩應用三維設計完成基本體型及大壩開挖設計、各壩段細部體型設計、壩體分區(qū)及廊道設計等。

1 CATIA三維設計

CATIA三維并行設計是基于傳統(tǒng)二維CAD技術發(fā)展起來的，是一種多維度的模型信息集成技術，借助其可視化、參數(shù)化關聯(lián)設計、模板設計、知識工程等工具和協(xié)同工作環(huán)境，可實現(xiàn)項目所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與專業(yè)間的互通共享，其注重系統(tǒng)集成和整體優(yōu)化，并不追求單個專業(yè)的最優(yōu)，能夠盡可能消除傳統(tǒng)CAD設計時部門和專業(yè)間的壁壘，使彼此之間協(xié)同一致，從全局出發(fā)優(yōu)化項目。對有關專家和參與人員提出的合理建議，能夠快速、精確實現(xiàn)修改調(diào)整，對于提高設計質(zhì)量、縮短設計周期，控制工程成本均可以起到重要作用[2]。

1.1 模型可視化技術

快速、精確建立水利水電工程三維可視化模型是推進水利水電工程建設現(xiàn)代化、數(shù)字化的關鍵一環(huán)，并行設計CATIA可視化建模是實現(xiàn)這關鍵需求的有力工具。模型可視化能夠結合設計人員模型構建的實際思路，不需要反復地在設計對象的二維投影和三維實體之間進行切換，設計成果能夠全面而準確地反映設計產(chǎn)品信息以及建筑物和各專業(yè)間的關系；模型可視化能夠在設計過程中，及時發(fā)現(xiàn)專業(yè)間的錯漏碰等交叉干涉問題，提高產(chǎn)品設計質(zhì)量。

1.2 骨架技術

骨架也可稱為主控線框，由控制性的點、線、面構成，如樞紐建筑物的軸線、高程、定位尺寸等控制基準點、基準線和基準面[3]。其作用類似人體骨骼支撐整個項目模型，充分結合各專業(yè)劃分確定。樞紐區(qū)包含大壩、電站廠房、輸（泄）水建筑物、道路等所有專業(yè)的細部設計，都要直接或間接依賴于骨架進行定位。骨架從功能上分為定位骨架和定型骨架；從層次上分為總體骨架、專業(yè)骨架和更細的構建骨架[4]。通過對骨架參數(shù)驅(qū)動，能夠從宏觀較快完成方案調(diào)整，而無需像傳統(tǒng)二維牽一發(fā)而動全身，更改控制點后，相關開挖、建筑物等可能需重新設計。

1.3 模型參數(shù)化技術

參數(shù)化設計是并行設計CATIA較傳統(tǒng)二維CAD設計主要技術優(yōu)勢之一。傳統(tǒng)二維設計中，一般對建筑物尺寸等幾何參數(shù)進行固定設計，后期方案調(diào)整優(yōu)化，占用設計過程大量時間。參數(shù)化設計技術也稱為尺寸驅(qū)動技術，通過建立參數(shù)與模型之間的對應關系，即可得到不同的模型。其核心思想以約束來建立模型的形狀特征，通過以模型中建筑物的尺寸、位置作為自定義變量，修改變量帶動模型尺寸、位置及其關聯(lián)方程的更新，從而完成模型更正并可以方便地創(chuàng)建一系列形狀類似的設計產(chǎn)品。能有效減少設計人員時間成本，使其有足夠時間用于產(chǎn)品優(yōu)化，提高產(chǎn)品設計質(zhì)量。

1.4 VPM協(xié)同技術

傳統(tǒng)的本地化離線設計方式（即二維CAD設計）需要設計人員之間更多的面對面溝通交流，流程較為復雜，效率和質(zhì)量由于溝通不足等原因得不到保證；采用VPM協(xié)同平臺，它集數(shù)據(jù)管理、過程控制與網(wǎng)絡通信能力于一體的數(shù)據(jù)管理技術的集成，使所有設計者都在同一服務器下在線工作，設計數(shù)據(jù)同步上傳且專業(yè)間共享，不同專業(yè)間能夠及時查看相關上下游專業(yè)變化對自身帶來的影響，及時溝通調(diào)整方案，降低溝通成本，減少專業(yè)間碰撞，指導優(yōu)化方向，使項目數(shù)據(jù)在全生命周期內(nèi)保持一致。

2 石溝水庫重力壩CATIA三維設計

2.1 石溝水庫簡介

石溝水庫地處陜西省寶雞市太白縣境內(nèi)，壩址位于太白縣咀頭鎮(zhèn)涼峪村，漢江二級支流紅巖河支流石溝河下游。石溝水庫是《陜西省水庫建設規(guī)劃》確定的太白縣咀頭鎮(zhèn)重要水源工程之一，能夠增強太白縣城生活、工業(yè)用水的供水能力，對太白縣域經(jīng)濟發(fā)展提升具有重大意義。

本工程為Ⅳ等?。?）型工程，永久性主要建筑物包括攔河大壩、泄水建筑物、放水建筑物，按4級設計；施工導流及臨時房屋建筑等臨時建筑物按5級設計；樞紐區(qū)的邊坡按5級設計。

2.2 大壩開挖設計

2.2.1 開挖方式選擇

開挖方式分為傳統(tǒng)“剖面”開挖法及“馬道”開挖法，其區(qū)別主要取決于壩肩縱剖面邊坡設計坡度。當坡度較緩時，應用橫剖面可以較好控制剖面間開挖面的邊坡坡比、坡高、馬道寬度，完成開挖設計；當坡度較陡時，應用剖面法設計時，剖面間的實際開挖坡比、馬道寬度則會與剖面邊坡設計參數(shù)偏差較大，隨壩肩縱剖面坡度變陡開挖坡變陡、馬道寬度變小。某項目壩肩縱剖面較陡，應用傳統(tǒng)“剖面”開挖法開挖結果見圖1，后選用“馬道”開挖法開挖結果見圖2。

圖1 傳統(tǒng)“剖面”開挖法

圖2 “馬道”開挖法

2.2.2 基本體型及開挖設計

開挖受制于地形地質(zhì)條件，依附于基本體型，為確保基本體型范圍內(nèi)開挖面連續(xù)完整、地質(zhì)條件滿足基礎要求，體型范圍外結合施工永、臨道路、場坪、馬道等保證開挖邊坡（土質(zhì)、巖質(zhì)）穩(wěn)定、連續(xù)且便于施工。

石溝水庫左岸山梁較陡且邊坡高度較高（約100 m），為減少開挖量且滿足壩體抗滑穩(wěn)定采用傳統(tǒng)“剖面”開挖法開挖為“窯洞式”；右岸坡度較緩，根據(jù)地形地質(zhì)條件參考類似工程開挖方式，采用傳統(tǒng)“剖面”開挖法。

在CATIA可視化工作環(huán)境中將建基面處壩軸線作為樞紐骨架，開挖基于該發(fā)布骨架進行設計，通過更改建基面高程，調(diào)整基礎開挖深度以適應地質(zhì)條件；其次，按規(guī)劃樁號依次創(chuàng)建左岸擋水壩段、取水壩段、表孔壩段、底孔壩段的基本體型剖面，開挖剖面適應各壩段基本體型基礎輪廓并連續(xù)，參數(shù)化設計對于各壩段基本體型及壩肩開挖坡比、馬道寬度、高程變化等可隨時調(diào)整其相關參數(shù)；對于縱剖面右岸壩頂處上壩道路及其上邊坡開挖，結合實際地形地質(zhì)條件，對道路中心線、開挖剖面等參數(shù)不斷優(yōu)化調(diào)整，模型自動更新，實時查看可視化的設計方案。

初次模型創(chuàng)建完成后，從全局檢查開挖設計成果，對剖面間的連續(xù)性、開挖面開口及道路中心線的走向等結合地形地質(zhì)條件依次檢查，通過對相關參數(shù)的不斷修正，確使開挖面連續(xù)、開挖工程量相對最優(yōu)、相關坡比、坡高滿足邊坡穩(wěn)定要求。最后，結合所有開挖面，與地形模型聯(lián)合修剪等生成開挖模型并創(chuàng)建開挖體?？闪咳∪我庑枨簏c坐標、獲得二維開挖平面圖、剖面圖、開挖總量。

圖3 與地形模型修剪后大壩開挖面

圖4 大壩開挖體（開挖總量78762m3）

2.3 大壩各壩段細部體型設計

2.3.1 各壩段分區(qū)原則

石溝水庫為堆石混凝土重力壩，按壩段功能劃分，分為左、右岸擋水壩段、泄洪表孔、泄流底孔、放水壩段。壩體混凝土不同部位因所處環(huán)境、受力情況不同，需結合實際工作環(huán)境對強度、抗?jié)B、抗凍、抗沖磨等要求進行分區(qū)設計。在確保工程質(zhì)量前提下，為提高施工效率，設計中盡可能減少混凝土標號的分區(qū)種類，盡可能擴大堆石混凝土范圍。

依據(jù)相關規(guī)范及應力、結構計算等，初步確定基礎墊層、壩頂?shù)缆贰⑦^水斷面基礎等部位采用C20W4F100常態(tài)砼，上游防滲區(qū)部位采用C15W6F150自密實砼，壩心混凝土部位采用C15W6F150堆石砼，泄流表、底孔的過水斷面采用一定厚度C40W6F150HF高強砼。

2.3.2 各壩段細部體型CATIA設計

在CATIA協(xié)同設計環(huán)境中，依據(jù)基本體型位置，首先以壩軸線左壩端為基點創(chuàng)建各壩段縱剖面范圍對應的樁號控制面，將其發(fā)布給各不同壩段設計人員，用以控制其位置。

各設計人員引用發(fā)布基準面，以基本體型為參考，按初定壩體分區(qū)完成各剖面體型不同分區(qū)劃分，并輸出其輪廓特征，后拉伸各輪廓特征生成對應分區(qū)實體。體型受制于地形，表、底孔壩段及左岸擋水壩段基礎部位各分區(qū)需適應開挖地形，在可視化設計環(huán)境中，可實時查看不同壩段間的連接性，快速溝通，理清初次關系，確認修改優(yōu)化方向。通過對體型參數(shù)的調(diào)整，快速完成方案修改，多次反復優(yōu)化后，完成體型細部設計，結果見圖5~圖7。

圖5 防滲區(qū)部位C15W6F150

圖6 壩心部位C15W6F150

圖7 常態(tài)砼部位C20W4F100

其中，表孔溢流壩段，堰面采用WES，曲線方程由橢圓、拋物線、直線段、圓弧組成，在知識工程模塊中，創(chuàng)建表孔拋物線堰面曲線方程，在草圖中投影拋物線并按計算方程數(shù)據(jù)繪制其余曲線，調(diào)整參數(shù)確保其連接相切，完成表孔堰面曲線設計，拉伸生成過水斷面，見圖8。分區(qū)剖面視圖見圖9。

圖8 過水斷面C40W6F150HF

圖9 分區(qū)剖面視圖

壩內(nèi)廊道應為回路，避開過水斷面，且每層廊道均需連接壩體下游面浮橋，以滿足廊道交通要求。設計過程中，在可視化工作環(huán)境中，依據(jù)體型設計信息，通過對初定廊道軌跡與泄水斷面尺寸量測，選擇布設EL.1646.50 m和EL.1675.00 m兩層廊道。結合校審人員意見，調(diào)整廊道參數(shù)，完成廊道體型設計，見圖10。

圖10 壩內(nèi)廊道系統(tǒng)設計圖

2.4 三維模型+二維圖紙施工圖交付方式

利用壩體設計模型，通過測量可以精確獲取任一分區(qū)工程量，完成工程量統(tǒng)計；通過切割，可以獲取任一點三維坐標；在工程制圖模塊中，可以獲取平面投影圖，上、下游立視投影圖，任何位置、方向剖面圖，通過在二維CAD中標注即可完成二維施工圖，見圖11~圖14。

圖11 可視化模型測量坐標、工程量

圖12 基于模型生成二維平面圖

圖13 基于模型生成的上游立視圖圖

圖14 基于模型生成的底孔剖視圖

施工圖交付時，采用三維模型+二維圖紙的方式。通過可視化的三維模型，可讓項目參建人員快速理解并熟識設計意圖，減少識圖難度和偏差，確保設計方案的良好實施，有效避免施工期的返工浪費，降低項目總成本，確保項目整體質(zhì)量。

3 總結

CATIA三維設計是設計、施工一體化的基礎，為工程建設帶來巨大的變革。在工程設計當中運用三維設計，可以使設計人員的思路更加清晰，直接把思考的設計形象展現(xiàn)在設計圖紙中，從而提高設計效率，也可以形象地體現(xiàn)設計形態(tài)，再現(xiàn)各種構造之間的空間關系，方便數(shù)值計算，保證設計工作的速度，使設計工作更加簡單和方便[5]。動態(tài)的數(shù)據(jù)管理平臺、協(xié)同工作環(huán)境、骨架控制、可視化、參數(shù)化等，對涉及多專業(yè)交叉的壩體開挖、不同壩段體型設計、壩體分區(qū)、壩內(nèi)交通廊道系統(tǒng)等，從全局考慮，減少為方便個別專業(yè)而忽略或影響其他專業(yè)功能的不合理布局，使項目得到最大優(yōu)化；基于剖面創(chuàng)建的可視化實體模型，能夠精確測量樞紐開挖、建筑物體型工程量，較傳統(tǒng)二維CAD剖面迭代計算工程量更為精確；三維模型+二維圖紙的施工圖交付方式，能夠讓項目參建人員全面熟知設計意圖，大幅降低識圖難度和偏差，可以讓施工人員更精準選擇施工工藝、制定各單元工程工期，確保設計方案的良好實施，有效避免施工期的返工浪費，確保工程質(zhì)量和進度。