樓 濤 ，包騰飛 ,

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；3. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

拱壩是一種高次超靜定空間殼體結(jié)構(gòu)，加之常位處高山峽谷，所以其結(jié)構(gòu)和邊界條件十分復(fù)雜。其中的雙曲拱壩在水平和鉛直界面都呈拱形，且雙曲拱壩的每個(gè)橫切面都不相同，參數(shù)嚴(yán)格約束，一般的三維軟件無法如此精細(xì)化建模[1-2]。隨著技術(shù)的發(fā)展，黃艷芳等[3]將CATIA引入水利工程三維建模中[4-5]，但拱壩模型中存在許多異型體，這些異型體的模型參數(shù)復(fù)雜，且不易更改，如果光靠設(shè)計(jì)人員去一一構(gòu)建，需要花費(fèi)較多的時(shí)間，且效率不高。因此，本文基于CATIA進(jìn)行了二次開發(fā)，開發(fā)出了能夠?qū)崿F(xiàn)拱壩結(jié)構(gòu)快速構(gòu)建功能的自動(dòng)化建模程序，提高模型構(gòu)建效率。CATIA 二次開發(fā)方法[7-8]主要有: 自動(dòng)化對(duì)象編程（Automation API）和基于構(gòu)件的應(yīng)用編程（CAA-RADE）。達(dá)索公司的3DEXPERIENCE（3DE）平臺(tái)作為CATIA V6版本，集成了CATIA所有功能，并提供并行、修改協(xié)同等功能，因此對(duì)3DE平臺(tái)的CATIA模塊進(jìn)行二次開發(fā)更具有應(yīng)用價(jià)值。本文基于3DE平臺(tái)利用Automation API接口開發(fā)了拱壩三維建模二次開發(fā)程序，以某拱壩模型為例，對(duì)其三維模型進(jìn)行構(gòu)建，全過程以Python程序驅(qū)動(dòng)CATIA模塊，通過模型特征參數(shù)構(gòu)建拱壩[6,9]，實(shí)現(xiàn)了拱壩三維模型快速、準(zhǔn)確、智能的構(gòu)建。

1 基于3DE平臺(tái)的建模系統(tǒng)

與其他主流三維軟件不同，3DE平臺(tái)以多階段建模、疊加模型、關(guān)聯(lián)模型為技術(shù)核心[10-12]，為實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下的模型并行協(xié)同設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

1.1 多階段建模

以往的工程設(shè)計(jì)中，常以二維圖紙為主，通過二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維模型的方法，在三維軟件中進(jìn)行建模。對(duì)于實(shí)際工程設(shè)計(jì)而言，以點(diǎn)線面為基礎(chǔ)元素，將一個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象劃分為多個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，分為多個(gè)階段進(jìn)行建模，從低維疊加生成高維，使得整個(gè)工程設(shè)計(jì)也可以劃分為多個(gè)階段，提高效率的同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)壓力。多階段建模使得三維模型在工序上也能將其分割。

1.2 可疊加的模型

要實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)，最重要的一點(diǎn)就是要實(shí)現(xiàn)多人負(fù)責(zé)不同層級(jí)的信息，并能讓這些信息以一定的規(guī)則添加至同一個(gè)對(duì)象中，3DE平臺(tái)引用裝配的概念，使得一個(gè)模型能夠被若干子模型疊加組合，不同層級(jí)的信息也同時(shí)疊加在一起，組合成一個(gè)具備完整信息的模型。

1.3 模型關(guān)聯(lián)性

在3DE平臺(tái)中，通過選擇支撐與約束的方法，可以將各個(gè)單獨(dú)的子模型關(guān)聯(lián)起來。3DE具有協(xié)同功能，就是通過對(duì)象的鏈接、引用等方法，將平臺(tái)中他人制作的模型作為自己的建?；A(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行修改或進(jìn)一步的建模操作，但任何操作均與原模型獨(dú)立開來，不會(huì)修改他人模型，也不會(huì)占用他人模型使其無法編輯。這一特性實(shí)現(xiàn)了多人之間的協(xié)同修改，并統(tǒng)一了數(shù)據(jù)源。

2 拱壩三維模型構(gòu)建方法

拱壩的外形和邊界條件都很復(fù)雜，其壩體上游面受到的荷載通過拱的作用傳遞到兩岸壩肩，并通過梁的作用傳遞到壩基，承載能力很大，大大減小壩身斷面面積，從而減少混凝土用量，故在水工建筑中得到了廣泛應(yīng)用。

拱壩的建模難度較高，主要是因?yàn)椋海?）壩型繁多：按照水平拱圈的拱軸線的幾何性質(zhì)，可劃分為圓弧型、拋物線型、橢圓型、對(duì)數(shù)螺旋線型等；對(duì)于圓弧雙曲拱壩，又可根據(jù)拱弧圓心數(shù)量劃分為單心、雙心、三心等。（2）不對(duì)稱性：由于拱壩的設(shè)計(jì)依托于地形，或受地質(zhì)條件的影響，其左右拱往往不對(duì)稱，從而使左右拱弧拱心、兩端拱厚及圓心角都不相同。（3）對(duì)于雙曲拱壩，每層拱弧的拱心、拱厚及圓心角都不相同。

拱壩三維建模總體設(shè)計(jì)思想是從整體到局部，即先構(gòu)建拱壩整體，再對(duì)其局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)建模，根據(jù)約束關(guān)系對(duì)其進(jìn)行裝配，形成一個(gè)整體，最后根據(jù)地形等高線構(gòu)建壩體周圍的開挖巖體，形成一個(gè)完整的拱壩三維模型。具體步驟如下：

（1）構(gòu)建壩體整體骨架模型。根據(jù)給定的模型參數(shù)，建立一系列高程參考平面，在參考平面內(nèi)生成拱圈樣條曲線，連接形成閉合截面，然后根據(jù)多個(gè)截面，通過多截面實(shí)體放樣生成壩體三維實(shí)體模型，得到壩體整體模型。

（2）構(gòu)建局部結(jié)構(gòu)。根據(jù)給定的模型參數(shù)，構(gòu)建表孔、深孔、導(dǎo)流底孔和放空底孔等局部結(jié)構(gòu)的三維模型，然后根據(jù)約束關(guān)系與壩體整體進(jìn)行布爾運(yùn)算，達(dá)到建孔的目的，裝配成一個(gè)整體。

（3）構(gòu)建開挖巖體。根據(jù)給定的地形圖和等高線，構(gòu)建壩體開挖面，生成開挖巖體模型，與壩體裝配成一個(gè)完整的產(chǎn)品。

3 基于3DE平臺(tái)的CATIA模塊二次開發(fā)

Python作為一門新興的高級(jí)編程語言，它的特點(diǎn)是簡潔明了。它的開源性、可移植性、可擴(kuò)展性和可嵌入性使其能夠被廣泛應(yīng)用。本文使用Python語言通過3DEXPERIENCE Automation（自動(dòng)化）接口進(jìn)行CATIA模塊的二次開發(fā)，在Python3.6.5編譯器中通過仿寫VB代碼，利用CATIA模塊本身帶有的VB接口，通過簡單的代碼即可完成Python與3DE平臺(tái)的CATIA模塊的連接，后續(xù)就可以利用Python語言對(duì)需要的功能進(jìn)行代碼編寫，實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建的快捷操作。要對(duì)CATIA模塊進(jìn)行二次開發(fā)首先要添加其編程接口的引用，在Python中操作CATIA COM部件根對(duì)象，需要先添加CATIA編程接口的引用。Python是面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，在3DE的Automation中，每個(gè)對(duì)象都有相應(yīng)的接口，要對(duì)某個(gè)對(duì)象進(jìn)行操作必須先引用相對(duì)應(yīng)的接口。3DE平臺(tái)提供了Automation幫助文檔，在幫助文檔中，可以方便快捷地查看某個(gè)對(duì)象所對(duì)應(yīng)的接口。通過引用接口，可以獲取對(duì)象進(jìn)行操作，構(gòu)建所需模型。對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)的程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)的程序結(jié)構(gòu)Fig. 1 Program structure of CATIA secondary development

3.1 基于骨架設(shè)計(jì)的拱壩建模方法

骨架模型是從拱壩整體層面以及所處的地理位置考慮的控制性結(jié)構(gòu)，由點(diǎn)、線、面3種要素組成，其中點(diǎn)是最基本的，起控制性作用。拱壩骨架主要由不同高程的拱圈構(gòu)成，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于各層拱圈都不相同，模型參數(shù)復(fù)雜，因此，對(duì)CATIA模塊進(jìn)行了二次開發(fā)，針對(duì)不同類型的拱圈控制方程開發(fā)出相對(duì)應(yīng)的建模程序，以達(dá)到快速構(gòu)建拱壩模型的目的。本文以拱圈控制方程為拋物線型的某拱壩為例，控制方程分為4個(gè)區(qū)域，拱圈上的控制點(diǎn)平面（x，y）坐標(biāo)根據(jù)所在位置滿足以下控制方程，參數(shù)根據(jù)不同高程而變化：

式中: Ruli為上游左岸拱圈曲率半徑；Ruri為上游右岸拱圈曲率半徑；Rdli為下游左岸拱圈曲率半徑；Rdri為下游右岸拱圈曲率半徑；Ouli為上游左岸拱圈曲率中心y坐標(biāo)；Ouri為上游右岸拱圈曲率中心y坐標(biāo)；Odli為下游左岸拱圈曲率中心y坐標(biāo)；Odri為下游右岸拱圈曲率中心y坐標(biāo)；αuli為上游左岸端點(diǎn)和拱圈曲率中心的連線與拱壩中心線之間的夾角；αuri為上游右岸端點(diǎn)和拱圈曲率中心的連線與拱壩中心線之間的夾角；αdli為下游左岸端點(diǎn)和拱圈曲率中心的連線與拱壩中心線之間的夾角；αdri為下游右岸端點(diǎn)和拱圈曲率中心的連線與拱壩中心線之間的夾角。

為實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，將給定的模型特征參數(shù)制成EXCEL表格。在Python編譯器中，導(dǎo)入xlrd模塊，調(diào)用EXCEL表格，讀取所需的模型參數(shù)。以該方法調(diào)用數(shù)據(jù)，可以方便快捷地批量導(dǎo)入數(shù)據(jù)，同時(shí)也方便尋找和更改某一特定的模型參數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率。

對(duì)于拋物線型拱圈，可以通過在CATIA草圖中直接生成拋物線的方式來構(gòu)建，為達(dá)到批量生成的目的，通過獲取Factory 2D對(duì)象（用于操作二維對(duì)象）的方法，來繪制控制斷面。首先調(diào)用模型特征參數(shù)，通過AddNewPointCoord（添加點(diǎn)坐標(biāo)）方法生成高程參考點(diǎn)。以高程參考點(diǎn)為基準(zhǔn)，通過AddNewPlaneOffsetPt（通過偏移創(chuàng)建平面）方法可以生成一系列不同高程的草圖參考平面，然后在各個(gè)草圖中根據(jù)頂點(diǎn)坐標(biāo)、拋物線軸線矢量、焦點(diǎn)距離，通過CreateParabola（創(chuàng)建拋物線）方法就能夠準(zhǔn)確生成拋物線，以起始位置和終止位置截取所需要的拋物線段。為提高設(shè)計(jì)效率，該程序采用了for循環(huán)語句，高效批量生成各高程的拱圈拋物線，通過CreateLine（創(chuàng)建直線）命令連接各個(gè)拋物線的端點(diǎn)，以AddNewJoin（接合）命令將各條線拼接在一起（用于閉合線框），就形成了各個(gè)拱圈的閉合截面。

給定模型特征參數(shù)，以Python程序驅(qū)動(dòng)3DE平臺(tái)中的CATIA模塊，可以快速得到拱壩骨架三維模型（圖2），且易于修改，并根據(jù)需求更改調(diào)用的模型參數(shù)即可獲得不同的拱壩骨架模型。在此基礎(chǔ)上，通過CreateSpline（創(chuàng)建樣條曲線）命令繪制邊坡線，通過CreateReferenceFromObject（以目標(biāo)對(duì)象創(chuàng)建參考對(duì)象）命令添加接合后的各高程截面為參考截面，再以相同方法添加邊坡線作為參考線，最后通過AddGuide（添加引導(dǎo)）命令添加參考線作為引導(dǎo)線，以AddSectionToLoft（添加截面到體）命令添加參考截面，即多截面實(shí)體放樣生成拱壩主體，其中添加多條引導(dǎo)線可以避免壩體曲面的扭曲，使得到的拱壩模型更為精確（圖3）。該部分僅生成拱壩主體，且不包含孔洞和局部結(jié)構(gòu)，故通過多截面實(shí)體命令就能生成實(shí)體。

圖 2 拱壩骨架模型Fig. 2 Arch dam skeleton model

圖 3 拱壩主體模型Fig. 3 Main model of arch dam

3.2 壩體局部結(jié)構(gòu)建模方法

拱壩建模的一個(gè)難點(diǎn)在于其曲面的設(shè)計(jì)和異型體的構(gòu)建，而拱壩模型除了主體壩體之外，還包括各種類型的局部結(jié)構(gòu)，如表孔、深孔、導(dǎo)流底孔和放空底孔等，都屬于較難構(gòu)建的異型體。3DE平臺(tái)中的CATIA模塊具有強(qiáng)大的3D設(shè)計(jì)功能，正好可以解決此類問題。依據(jù)給定的模型特征參數(shù)，在草圖中構(gòu)建異型體斷面形狀，通過凸臺(tái)、凹槽、倒模等操作就可以生成異型體模型。根據(jù)約束關(guān)系，可以將這些局部結(jié)構(gòu)模型與壩體主體進(jìn)行布爾運(yùn)算，裝配成一個(gè)整體。以表孔為例，整體可分為3部分，即上游壩面部分、下游壩面部分、中空挖孔部分，全過程也分為3個(gè)步驟，即實(shí)體構(gòu)建、定位、裝配。

實(shí)體構(gòu)建：3個(gè)部分實(shí)體均以Python輸入尺寸參數(shù)構(gòu)建截面草圖，如圖4和5所示。

圖 4 表孔下游壩面截面Fig. 4 Sketch of downstream dam surface section for crest outlet

圖 5 中空挖孔截面Fig. 5 Sketch of hollowed-out section

參考平面通過CreateReferenceFromObject（以目標(biāo)對(duì)象創(chuàng)建參考對(duì)象）命令添加AxisYZ（YZ平面），再以AddNewPad（凸臺(tái)）命令以指定厚度拉伸成實(shí)體，如圖6和7所示。

圖 6 表孔下游壩面實(shí)體結(jié)構(gòu)Fig. 6 Solid structure of downstream dam surface for crest outlet

圖 7 中空挖孔實(shí)體結(jié)構(gòu)Fig. 7 Hollowed-out solid structure

定位：以指定位置與原點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)向量作為偏移方向和數(shù)值，通過AddNewTranslate（位移）命令將原處于原點(diǎn)位置的實(shí)體移動(dòng)至指定位置，再以AddNewRotate（偏轉(zhuǎn)）命令以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，添加給定的偏轉(zhuǎn)角度，使其中截面與壩體正交。

裝配：上下游壩面部分以AddNewAssemble（裝配）命令與壩體裝配成一個(gè)整體，其中相交重疊部分會(huì)自動(dòng)融合。中空挖孔部分作為要切除的對(duì)象，這里采用AddNewRemove（移除）命令使之前已裝配的整體移除該部分實(shí)體（圖8），即生成了表孔溢流面，因不是分別建孔后拼接的情況，所以不會(huì)發(fā)生表孔溢流面建模與壩體交叉錯(cuò)位的情況。

全過程以Python程序驅(qū)動(dòng)，調(diào)用模型數(shù)據(jù)，獲取并添加Body對(duì)象，在草圖編輯器中自動(dòng)生成斷面形狀，在空間中拉伸為三維實(shí)體，通過倒模等操作修正其形態(tài)，最終得到準(zhǔn)確的局部結(jié)構(gòu)模型，達(dá)到參數(shù)化建模的功能，完成設(shè)計(jì)參數(shù)向模型的傳遞過程，實(shí)現(xiàn)了拱壩局部結(jié)構(gòu)三維模型快速、準(zhǔn)確、智能的構(gòu)建。

3.3 開挖巖體構(gòu)建與整體裝配方法

拱壩除自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜外，其邊界條件也很復(fù)雜，如果要對(duì)拱壩進(jìn)行全面的分析或者結(jié)構(gòu)計(jì)算，拱壩周圍的開挖巖體必不可少，因此本文還構(gòu)建了壩體開挖巖體以作分析。壩體開挖巖體的構(gòu)建主要通過LSV軟件和global mapper軟件獲取壩體周圍地形等高線圖，在CAD中對(duì)地形圖進(jìn)行處理，提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入3DE中。在3DE的Terrain Preparation（地形）模塊中以點(diǎn)云生成地形網(wǎng)格面，修正之后根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系生成質(zhì)量較好的地形曲面，最后通過凸臺(tái)命令將整個(gè)曲面拉伸成三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，達(dá)到生成壩體開挖巖體的目的。左岸混凝土墊座作為單獨(dú)的部分以相同的方法生成三維實(shí)體模型。依據(jù)約束關(guān)系，將拱壩模型與開挖巖體裝配成一個(gè)產(chǎn)品，整體產(chǎn)品模型如圖9所示。該模型還可以輸出為CAE文件以作計(jì)算，這也是CATIA模塊的一大優(yōu)勢所在。

圖8 表孔裝配結(jié)果Fig.8 Assembly result of crest outlet

圖 9 整體產(chǎn)品模型Fig. 9 Integrated product model

4 結(jié) 語

基于3DE平臺(tái)的CATIA模塊的二次開發(fā)，利用Python語言簡潔、開源、可移植性、可擴(kuò)展性、可嵌入性和具有豐富的庫的特點(diǎn)，能夠高效、準(zhǔn)確、智能地完成拱壩骨架三維模型的構(gòu)建，后續(xù)再通過多截面實(shí)體、凸臺(tái)、裝配等命令和布爾運(yùn)算依次構(gòu)建生成壩體整體和開挖巖體。3DE平臺(tái)的CATIA模塊功能強(qiáng)大，可以進(jìn)行復(fù)雜的曲面設(shè)計(jì)，應(yīng)用于多種領(lǐng)域；在水工建筑物方面也有很大的應(yīng)用空間，3DE平臺(tái)更是提供了協(xié)同設(shè)計(jì)的功能，從設(shè)計(jì)到施工到管理，包含了多種強(qiáng)大功能，有待利用。針對(duì)CATIA模塊，可以通過對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)智能、高效、快捷的三維模型構(gòu)建的功能，發(fā)展?jié)摿薮?。?duì)于開發(fā)語言，如VB，Matlab，Python和C都可以使用，而簡潔的Python語言更是較好的選擇。