徐 威，張雪才，柳晴曉龍

(黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

1 引言

重力壩是目前常用的壩型之一,其靠自身重力在壩體與地基接觸面上產生的摩擦力保持整體穩(wěn)定［1］,合理選擇壩址和壩軸線、確定樞紐布置是重力壩設計的重要內容。樞紐布置需要經過多方案反復比選,最終選擇安全可靠、技術先進、經濟合理的方案。傳統(tǒng)設計方法以二維設計為主,存在工作量巨大、設計周期長的問題。隨著三維設計軟件的成熟［2-3］,綜合考慮樞紐布置組成對象的多樣性,采用參數(shù)化設計技術靈活、快速地裝配不同壩段的三維模型是可行的。劉月［4］采用骨架設計方法創(chuàng)建骨架基準平面,利用草圖拉伸方式生成壩段實體模型,從而實現(xiàn)重力壩裝配設計。但該方法必須先創(chuàng)建好骨架基準平面才能填充壩段實體模型,修改方案時容易出現(xiàn)幾何特征之間失去鏈接關系的問題,而修改鏈接關系比較煩瑣、容易發(fā)生錯誤。董甲甲等［5］基于CATIA 平臺,建立擋水壩、溢流壩、廊道系統(tǒng)和閘墩等各部分三維參數(shù)化模型,運用自上而下的三維設計理念實現(xiàn)對三維模型的裝配。但在裝配前必須先對擋水壩模型、溢流壩模型及其附屬建筑物模型參數(shù)按照設計要求進行改正,事先匹配好模型之間的空間關系,裝配過程稍顯煩瑣且參數(shù)化壩段模型種類不全。張?zhí)幔?］基于Revit 平臺,根據(jù)提前設置的平面參照軸網和高程參照標高進行模型裝配,但該方法必須以先上游再下游、先底部再頂部的順序進行裝配,繁雜易出錯,不利于推廣應用。于彥偉［7］基于CATIA 平臺二次開發(fā)重力壩設計系統(tǒng),系統(tǒng)裝配模塊考慮了擋水壩段、溢流壩段、附屬建筑物模型,但只能按照固定的裝配關系進行模型裝配,靈活性較差。

目前重力壩裝配設計方法大多是自上而下的骨架方法,存在方案調整效率不高、自動化程度低等問題。本文基于CATIA 平臺,利用組件應用架構(Component Application Architecture,CAA)開發(fā)模式,開發(fā)重力壩自動化裝配程序,以期減少樞紐布置過程中的重復性工作,提升樞紐布置效率。

2 CATIA 二次開發(fā)

CATIA 平臺提供Automation API 組件和CAA 兩種開發(fā)模式［8-9］。Automation API 組件開發(fā)模式相對簡單,但缺少部分3D 建模命令的接口,因此本文采用CAA 開發(fā)模式,探討基于CAA 的CATIA 二次開發(fā)重力壩自動化裝配技術。CAA 是基于快速應用研發(fā)環(huán)境(RADE)和不同的API 接口程序來建立的。RADE 是一個可視化的集成開發(fā)環(huán)境,以Microsoft Visual Studio VC＋＋為載體,在VC ＋＋環(huán)境中增加CAA 開發(fā)工具。CAA 由若干個模塊(Module1,Module2,…)組成,不同模塊組成多個框架(Frame Work1,Frame Work2,…),多個框架共同構成唯一的工作空間(Work Space)。

利用CAA 開發(fā)模式開發(fā)軟件的過程為新建工作空間—創(chuàng)建框架—創(chuàng)建模塊—創(chuàng)建工具條—創(chuàng)建界面和功能。編碼工作需要在模塊內完成,最重要的2 個模塊分別為Addin 模塊和Function 模塊,在Addin 模塊中實現(xiàn)工具條命令按鈕的創(chuàng)建,在Function 模塊中實現(xiàn)用戶操作界面和界面控件綁定實際功能的創(chuàng)建。

3 重力壩自動化裝配程序開發(fā)

3.1 程序設計

鑒于重力壩樞紐布置需多方案優(yōu)化的特點,將重力壩自動化裝配程序分為初步布置、布置優(yōu)化、擋水壩段自動填補3 個階段(見圖1),在Catalog 目錄中存儲常用的各類壩段模型資源供后續(xù)工程快速引用。

圖1 重力壩自動化裝配程序

3.2 常用壩段模型庫

根據(jù)壩段功能,分為功能壩段和擋水壩段。功能壩段是指具有除擋水功能之外其他功能的壩段,在布置樞紐時先考慮功能壩段的空間位置,如溢流表孔壩段、泄洪孔壩段、發(fā)電壩段、灌溉壩段、導流底孔壩段等。通過建立壩段參數(shù)化模型可以實現(xiàn)壩段幾何造型的按需選擇,每個壩段都附帶其剖面圖、平面圖、軸測視圖及尺寸信息。因篇幅有限,故本文僅展示溢流表孔壩段參數(shù)化模型,見圖2,壩段工程圖紙見圖3。由于壩段的幾何造型復雜,壩段參數(shù)化模型中用戶參數(shù)的數(shù)量超過10 個,極可能出現(xiàn)因參數(shù)輸入錯誤而導致模型無法生成的問題,因此尋找錯誤發(fā)生的原因和位置是比較麻煩和費時的。為解決該問題,借鑒機械制造業(yè)中設備選型的思路,對每個壩段模型按照壩高進行系列化處理,得到常用壩高范圍(30～150 m)間隔10 m 的系列化模型庫。此方法不僅可根據(jù)實際壩高進行壩段選型,選出的初始模型更接近工程實際需求,而且能縮小壩段用戶參數(shù)值的變化范圍,避免參數(shù)值大幅度修正,降低參數(shù)修正時錯誤發(fā)生的概率。

圖2 溢流表孔壩段參數(shù)化模型

圖3 溢流表孔壩段工程圖紙(單位:m)

3.3 壩段部件基本數(shù)據(jù)結構

考慮到壩段幾何實體模型的靈活性和普適性,定義一種新的壩段部件基本數(shù)據(jù)結構,以部件形式對壩段進行封裝。根據(jù)壩段部件的零件數(shù)量,把壩段部件基本數(shù)據(jù)結構分為單零件壩段部件基本數(shù)據(jù)結構和多零件壩段部件基本數(shù)據(jù)結構,見圖4。

圖4 壩段部件基本數(shù)據(jù)結構

壩段部件基本數(shù)據(jù)結構主要包含3D 形狀、幾何造型零件、工程鏈接區(qū)和發(fā)布元素區(qū)4 個部分。幾何造型零件由一個零件或者多個零件構成,每個零件內部均含有代表壩段左側和右側的空間標識。如果幾何造型零件有多個零件,則零件之間依次自動裝配。工程鏈接區(qū)用于保存所有鏈接關系。發(fā)布元素區(qū)主要是暴露壩段部件整體幾何實體的定位標識、左側標識和右側標識,供其他壩段部件進行引用和裝配。3D 形狀同樣具有左側和右側空間標識,其代表的是壩段部件第一個零件的左側空間標識和最后一個零件的右側空間標識。此外,3D 形狀還有定位標識,用于壩段部件空間位置和方位的確定。3D 形狀的內部結構見圖5。

圖5 3D 形狀的內部結構

在參數(shù)集中定義主壩段、樁號、組號3 個參數(shù),主壩段參數(shù)類型是布爾值,樁號參數(shù)類型是長度值(單位為m),組號參數(shù)類型為0 或正整數(shù)值。如果主壩段值為真,則樁號產生作用,表示該壩段部件采用定位標識與大壩基準元素進行裝配,方位與基準元素相同,壩段與基準元素之間的距離由樁號定義。如果主壩段值為假,則樁號不產生作用,表示該壩段幾何實體將裝配到其他壩段部件的左側或者右側。組號主要用于多個壩段部件的編組,如果2 個壩段部件的組號相同,則表明這2 個壩段部件是同一組,將自動根據(jù)左右空間關系裝配在一起。

構建好壩段部件基本數(shù)據(jù)結構之后,程序對部件內部的幾何造型零件沒有特別限制,用戶完全可以自定義壩段幾何實體,進而實現(xiàn)幾何實體的個性化,也為重力壩自動化裝配提供基礎條件。

3.4 初步布置

在進行重力壩樞紐布置之前,根據(jù)測繪點云數(shù)據(jù)建立數(shù)字地形曲面三維模型,進一步創(chuàng)建工程區(qū)域覆蓋層、基巖層、斷層等三維地質體模型。在CATIA 中,根據(jù)三維地形與河道形態(tài),選擇合適的位置創(chuàng)建可調節(jié)的參數(shù)化壩軸線,并以壩軸線左岸控制點為基準進行樞紐布置,重點考慮泄洪建筑物布置以及其他功能壩段布置,可實時查看各壩段與地形曲面和地質曲面的三維關系,合理避開不利地形、地質區(qū)域。初步布置主要是從模型庫中調用需要的模型,并在壩軸線空間上將壩段定位在合適的位置。對于初步布置的第一個壩段,只能根據(jù)樁號進行布置,利用壩段部件定位標識與大壩左岸基準的距離描述第一個壩段的空間位置。第一個壩段的3D 形狀內主壩段、樁號、組號分別為真、實際距離、1。

對于后續(xù)壩段,有2 種布置方式:一是可以采用與第一個壩段相同的樁號進行布置,該壩段的3D 形狀內主壩段、樁號、組號分別為真、實際距離、非重復編號；二是可以采用參考壩段的方式進行布置,將后續(xù)壩段自動裝配至已有壩段部件的左側或者右側,2 個壩段合并成1 個整體,此時主壩段、樁號、組號分別為假、0 m、與參考壩段相同的編號。

3.5 布置優(yōu)化

布置優(yōu)化主要是對初步布置的壩段進行調整,實現(xiàn)對壩段幾何實體的“增、改、刪”。對于“增”,可采用初步布置中后續(xù)壩段布置的方法。對于“刪”,提供“整組刪除”“組內刪除”2 種刪除功能。對于“改”,提供“組移動”“組合并”“組拆分”“組插入”“組內調序”等功能。各功能具體如下。

(1)“組移動”功能。在可視化環(huán)境下對壩體進行動態(tài)移動,根據(jù)最新壩段位置更新樁號,見圖6。鼠標左鍵按住壩段上方的箭頭可以動態(tài)移動壩段至合適的空間位置,之后在樁號對話框內輸入數(shù)值,將壩段調整至合適的位置。操作之后,3D 形狀內的樁號數(shù)值與輸入的數(shù)值相同。

圖6 “組移動”功能展示

(2)“組合并”功能。“組合并”功能是指將2 個壩段部件合并為1 個整體,選擇的第一個壩段在空間位置上自動裝配到選擇的第二個壩段左側或者右側。同時,第一個壩段的3D 形狀中主壩段值變?yōu)榧?樁號值變?yōu)? m,組號變?yōu)榕c第二個壩段相同的組號。合并后整體結構的空間位置由第二個壩段與大壩左岸基準的距離進行確定。

(3)“組拆分”功能?！敖M拆分”功能是指將多個基本壩段拆分為2 個組合壩段,見圖7。執(zhí)行該命令后左側列表和右側列表中顯示的壩段分別成為2 個新整體壩段,左側列表和右側列表中的壩段部件按列表從上至下的順序確定幾何實體沿壩軸線方向從左至右的順序,設置每個壩段3D 形狀中的組號相同,且只有1 個壩段的主壩段值為真,確定該壩段距大壩左岸的距離,其余壩段的主壩段值為假。2 個新整體壩段的組號不相同,且不與其余壩段組號重復。

圖7 “組拆分”功能展示

(4)“組插入”功能?！敖M插入”功能是指將一個壩段部件插入到另一個含多個壩段部件組合內部。執(zhí)行該命令后待插入的壩段部件與原壩段部件組合形成新整體,待插入的壩段部件3D 形狀中組號設置為與原壩段相同的組號,待插入的壩段部件的左側、右側標識分別與壩段部件組合內最左側壩段部件的右側標識、最右側壩段部件的左側標識進行裝配。

(5)“組內調序”與“組內刪除”功能均根據(jù)一定的順序重新自動更新壩段裝配關系?！罢M刪除”將基本數(shù)據(jù)結構的組合整體刪除,既刪除幾何實體產品,也刪除相關的工程鏈接關系。

3.6 擋水壩段自動填補

沿壩軸線從左岸到右岸,分析所有壩段部件以及壩段部件組合的左側空間標識和右側空間標識,程序認為這2 個標識之間的空間被本組壩段幾何實體占據(jù)。左側空間標識和右側空間標識總是成對出現(xiàn),如果壩軸線范圍內只有一組左側、右側空間標識,則代表壩軸線被一組壩段部件分割為兩段；如果壩軸線范圍內有N組左側、右側空間標識,則代表壩軸線被N組壩段部件分割為N＋1 段。在對應的N＋1 段空間內,可進行擋水壩段的自動填補。

4 工程應用

幾內亞蘇阿皮蒂水利樞紐工程重力壩為碾壓混凝土重力壩,壩長1 156.0 m,壩高116.5 m,主要建筑物有引水發(fā)電壩段、導流底孔壩段、泄洪底孔壩段、溢流壩段、左右岸擋水壩段和河床擋水壩段。

采用重力壩自動化裝配程序進行三維設計。引水發(fā)電壩段單獨為1 組,組號為1,樁號為423.45 m；高位導流底孔壩段、低位導流底孔壩段、泄洪底孔壩段以及溢流表孔壩段合并為1 組,組號為3,主壩段為高位導流底孔壩段,其主壩段值為真,樁號為520.45 m,其余壩段的主壩段值為假。左岸擋水壩段1 為1 組,內部有17 個零件(壩段),組號為2,樁號為0 m。河床擋水壩段2 為1 組,內部只有1 個零件(壩段),組號為5,樁號為499.45 m。右岸擋水壩段3 為1 組,內部有15 個零件(壩段),組號為6,樁號為779 m。樞紐布置成果見圖8。

圖8 重力壩樞紐布置成果

采用傳統(tǒng)的設計手段完成該重力壩樞紐布置、工程量計算及圖紙編輯需要7 個工作日,采用本文設計的參數(shù)化模型及自動化裝配程序需要4 個工作日,并且設計成果保留動態(tài)鏈接,后續(xù)編輯和優(yōu)化方案非常便捷。該工程的應用驗證了重力壩自動化裝配程序的可行性與合理性,相比以往骨架裝配方式更加靈活,自動化裝配效率明顯提升。

5 結論

本文構建了按每10 m 壩高間隔的系列化常用壩段參數(shù)化模型庫,可根據(jù)實際壩高進行壩段選型,選出的初始模型更加接近工程實際需求,同時減小了用戶參數(shù)值變化范圍,避免參數(shù)值大幅度修正,降低了參數(shù)修正時模型錯誤發(fā)生的概率；定義了一種壩段部件基本數(shù)據(jù)結構,利用這種結構化部件結構可靈活自定義壩段幾何實體,提高壩段實體模型的普適性；開發(fā)了重力壩自動化裝配程序,提高壩段裝配效率,減少重復性工作。

本程序目前只能適用于直線型壩軸線,還不能在折線型壩軸線上使用,下一步將進行適用于折線型壩軸線的程序開發(fā)。