成 飛

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

20世紀以來，CAD為代表的設計軟件在水利水電工程設計行業(yè)的普及應用，提高了設計行業(yè)制圖效率，促進了行業(yè)整體技術水平的提高，為近20年水利水電工程大發(fā)展提供了必要的技術支持?，F(xiàn)今，以BIM為代表的新一代三維設計技術已經成為水利水電工程設計行業(yè)的發(fā)展趨勢。

三維設計的優(yōu)勢在于可以準確地表達技術人員的設計意圖，直觀地反應水工結構、機電設備、管路之間的真實狀態(tài)，通過定位裝備碰撞分析，在初設階段就能避免以往在施工圖階段才能發(fā)現(xiàn)的空間位置和尺寸等問題，提高設計工作效率和產品質量。

1 CATIA軟件在水電站水機三維設計的應用

CATIA是法國達索公司旗下的一款三維設計軟件，廣泛應用于航空航天、造船、機械制造和汽車制造等領域，有超強的3D產品設計、仿真、工程全生命周期管理等功能。CATIA是集成應用軟件包，具有零件設計、曲面設計、工程制圖、管路設計、設備布置、DMU空間分析、動畫演示等功能。同時，CATIA還允許用戶自由地建立自己的標準件庫及開放接口進行二次開發(fā)等功能。

水電站水機專業(yè)設計有設備種類多、組成部件多、形狀復雜等特點。在工程設計中，經常大量并重復的使用同一種零件。在進行具體的工程設計之前，建立好水機設備庫和管路零件庫就顯得尤為重要，方便后期工程的調用布置，提高設計效率。

水電站水機三維設計可采用先建模建庫后調用的方法，總體方法步驟為：

1）創(chuàng)建標準模型，通過收集水機設備的出廠資料，包括外形形狀，控制尺寸，零件接頭等信息，利用零件設計和曲面設計模塊建立設備參數化模型；

2）依據水利水電行業(yè)標準、設計規(guī)范，確定水機設備庫與管路零件庫的文檔結構，使用Catalog文件建立水機設備庫與管路零件庫，設計人員可以通過結構樹放入或調用設備；

3）通過管路設計和設備布置功能，調用庫中設備進行裝配布置并連接管路；

4）上傳裝配模型至VPM服務器，與其他專業(yè)進行協(xié)同設計，優(yōu)化設備布置和管路路徑，完成最終成果。

2 基于CATIA的三河口電站水機三維設計

三河口水利樞紐壩后電站、泵站原方案為分開布置的方案，經比較選用泵站和電站合并布置的方案，形成常規(guī)水輪發(fā)電機組和水泵水輪機組（可逆機組）布置在一個廠房內的電站廠房。電站總裝機容量為60 MW，其中常規(guī)機組2臺20 MW，可逆機組2臺10 MW，為適應寬水頭的揚程范圍采用了變頻調速技術。

因同一廠房內裝有常規(guī)、可逆兩種不同種類機組，且機組均為變頻運行，故廠房內水機管路、電氣橋架、消防管路比原分開方案增加很多，帶來了專業(yè)交叉多，設計協(xié)調量大的難題。通過使用三維設計軟件，建立三河口電站水機專業(yè)三維模型，與其他專業(yè)進行三維模型交叉碰撞，檢查并解決此類問題。

2.1 參數化建模

在零件設計模塊中，基于草圖命令創(chuàng)建二維草圖，然后通過拉伸、掃掠、凹槽和旋轉等命令生成模型外形特征，組合起基本的CATIA實體模型?？赡鏅C機組蝸殼尾水管三維模型各向視圖見圖1。

圖1 可逆機機組蝸殼尾水管三維模型各向視圖

建立一個設備實體模型，通過公式編輯器建立參數約束其二維草圖、拉伸尺寸和零件相對位置關系等使實體模型可以通過調整參數而自動更新。將建立的參數與設備外形尺寸參數表相關聯(lián)，通過RESOLVE功能模塊進行解析，得到一系列外形相同但尺寸不同的設備實體模型。一次建模，可得系列多個尺寸實體模型，方便多次使用。也可以通過知識工程模板中超級副本和用戶特征的方式建成智能模型。參數化后解析出的同系列球閥實體模型見圖2。

圖2 同系列球閥實體模型

2.2 建立水機設備庫與管路零件庫

建立設備庫和管路零件庫前，首先需要對水電站水機專業(yè)每一種常用設備進行歸納分析，確定庫文件數據結構。根據三河口電站設備零件實際使用情況確定的管路零件庫的數據結構見圖3。

圖3 管路零件庫的數據結構圖

用機電環(huán)境打開管路零件的catalog文件，分別將每一種零件進行Function Type和Physical Type的添加，之后用映射文件將二者對應起來，建立管路零件庫,水機設備庫方法相同。建成的庫文件目錄見圖4。

圖4 水機管路零件庫和水機設備庫文件目錄

在水機零件庫catalog的成功建立下，將已建成的設備進行入庫，調速器、球閥、水輪機、空氣壓縮機、截止閥和蝸殼尾水管等幾種設備的三維模型見圖5。之后根據不同項目具體情況從庫中靈活調用。

圖5 幾種水機設備的三維模型

2.3 設備布置及管路連接

在廠房三維模型結構樹節(jié)點下建立水機專業(yè)的分節(jié)點，三河口電站工程水機專業(yè)三維建模共分為主機、進水主閥、橋機、調速系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)共五個水機Ⅰ級節(jié)點，輔助系統(tǒng)又細分為透平油系統(tǒng)、絕緣油系統(tǒng)、中壓氣系統(tǒng)、低壓氣系統(tǒng)、技術供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等幾個Ⅱ級節(jié)點。

將所需設備從庫中調入到對應結構樹下，使用設備布置模塊中的Place Equipment功能，根據發(fā)布的骨架為參考進行水機設備的布置，調整設備到正確位置。

在管路設計模塊中布設管路及管路零件，利用run功能通過補償定位的方式定位布置管路空間走向，使用放置管路零件功能放置管路零件，精確定位零件及設置零件規(guī)格大小等參數。

2.4 碰撞檢查

上傳模型至VPM服務器中與其他專業(yè)進行沖突分析，通過DMU空間分析模塊下的碰撞檢查功能，檢查水機專業(yè)模型與其他專業(yè)模型間內部空間碰撞與干涉情況。引漢濟渭三河口水利樞紐電站工程水機設備裝配效果見圖6。

圖6 引漢濟渭三河口水利樞紐電站工程水機設備裝配圖

將最終水機模型與廠房模型的定位裝配，發(fā)現(xiàn)管路與兩處樓梯的碰撞以及一處管路穿梁的不合理設計，立即調整相關管路位置，優(yōu)化設計方案。

圖7 管路與樓梯布置不合理

3 結論

1)應用CATIA三維設計軟件，對水電站水機系統(tǒng)設計進行了研究，探索了建模方法、參數化技術、設備庫和零件庫的建立和管路布置在復雜工程設計中的應用，完成了引漢濟渭三河口水利樞紐電站工程水機的三維設計。

2)利用參數化建模、模板建模、知識工程建模等方法可以建立系列化模型，減少重復工作，一次建模多次使用。

3)前期工作建立水機設備庫、水機管路零件庫工程量較大，需要投入大量人員與資源。但建成完整的設備及零件庫后，在工程具體設計時可以直接查詢調用，方便快捷，提升水機設計效率。

4)各專業(yè)使用CATIA進行VPM協(xié)同設計可以明晰對方設計意圖，可發(fā)現(xiàn)前期設計中水機專業(yè)與廠房、電氣、金結和暖通等專業(yè)存在的設備碰撞、管路交叉等問題。方便設計人調整布置解決碰撞，修改距離尺寸，優(yōu)化設計方案，從而提高設計效率加快水利水電工程的設計速度，增強設計單位的核心技術能力，促進工程設計工作產生質的飛躍。