基于CATIA平臺的重力壩三維一體化設計

李 夢，賈新會

（西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

基于CATIA平臺的重力壩三維一體化設計

李 夢，賈新會

（西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

主要探討基于 CATIA 平臺進行重力壩的三維一體化設計，依托二次開發(fā)等手段，將三維自動化設計貫穿于重力壩壩頂高程和穩(wěn)定應力計算、開挖、基本體型、分縫，以及廊道、防浪墻細部等設計全過程，設計人員可以快速實現(xiàn)整個重力壩設計過程，一體化設計采用全參數(shù)化管理，壩址、壩軸線、壩段布置、尺寸斷面等可調整，設計成果快速更改，程序化設計降低人為錯誤的發(fā)生概率，提高重力壩設計效率，尤其適用于可研及以前設計階段，極大降低由于方案調整等帶來的繁重重復性工作。

三維設計；CATIA；一體化設計；參數(shù)化

重力壩是一種古老的壩型，由于其結構簡單、施工方便、安全度高，因此在水電工程中應用廣泛，成為當前壩工設計中比較重要的壩型之一[1-2]。重力壩工程設計的方案優(yōu)劣、水平高低及周期長短都直接影響著工程建設的質量和投資[3]。傳統(tǒng)的水利水電工程設計中采用的是二維設計手段，在設計過程中存在設計方案表達不直觀、計算工作量大、設計調整困難、容易發(fā)生錯誤等問題，隨著市場競爭的日益激烈，對工程設計質量、效率的要求越來越高，傳統(tǒng)的設計手段無法有效地解決這些問題[4]，而三維設計不但可以實現(xiàn)真正意義上設計方案的優(yōu)化及多方案比選，而且對于提高設計質量、降低工程造價、減少設計錯誤、縮短設計周期等方面也起到至關重要的作用，所以三維設計在水利行業(yè)的廣泛應用是發(fā)展的必然趨勢[5-6]。

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

提出重力壩一體化設計，基于 CATIA 平臺將三維自動化手段貫穿于整個重力設計中，從壩頂高程及穩(wěn)定應力計算，重力壩開挖、斷面、分縫廊道和防浪墻設計等方面實現(xiàn)重力壩一體化設計。

1 重力壩一體化設計內容

1.1 重力壩一體化設計流程

1）壩體斷面設計。重力壩斷面設計基于 CATIA平臺的知識工程[8]功能實現(xiàn)，依據(jù) DL 5108—1999《混凝土重力壩設計規(guī)范》[9]中規(guī)定的壩體斷面設計的要求，結合實際的重力壩設計經驗進行各種類型的重力壩斷面模板設計。重力壩壩體斷面模板設計采用全參數(shù)化驅動，根據(jù)需要調用混凝土重力壩的模板，可以更改模板中所有相關參數(shù)。

2）壩頂高程及穩(wěn)定應力計算。根據(jù)現(xiàn)行重力壩規(guī)范及 DL 5077—1997《水工建筑物荷載設計規(guī)程》[10]中相關公式，結合設計人員計算習慣，基于CATIA 平臺進行“壩頂高程及穩(wěn)定應力計算”的程序開發(fā)，通過作用效應與抗滑穩(wěn)定抗力的計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算結果可以與抗滑穩(wěn)定應力計算及三維模型相關聯(lián)，可以通過壩頂高程計算結果擬定最終選用的高程值。計算前處理簡潔，后處理成果全面，符合設計人員日常習慣，計算結果可分工作表輸出至 Excel，方便用戶保存使用，如圖 1 所示。

3）重力壩分縫設計、廊道、防浪墻等細部設計。在重力壩一體化設計中，重力壩分縫、廊道、防浪墻等細部設計基于 CATIA 平臺的知識工程功能實現(xiàn)，根據(jù)規(guī)范并結合設計經驗，制作各類型全參數(shù)化細部設計模板。

圖 1 重力壩壩頂高程及穩(wěn)定應力計算程序

重力壩分縫設計模板應用中設計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，重力壩縫面將自動生成，例如，重力壩有 21 個壩段，可以依據(jù)輸入條件一次性生成中間 20 個縫面，并可根據(jù)參數(shù)更改。

廊道和防浪墻設計模板應用中設計人員需要輸入廊道、防浪墻的掃掠線、控制點等輸入條件，實現(xiàn)廊道和防浪墻等模型的快速制作。

4）重力壩開挖設計。重力壩開挖設計是重力壩設計中較復雜的部分，以往二維開挖設計并不能直觀表達開挖形式，開挖量計算困難，方案修改調整不便等。三維設計中可以實現(xiàn)開挖設計的直觀化，但開挖面模型復雜，耗時耗力。為此，基于 CATIA平臺進行重力壩開挖面程序的二次開發(fā)，開挖面僅由 1 個 Excel 表驅動開挖程序，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，通過程序生成重力壩開挖面并可自動算量，可以使設計人員擺脫繁重的開挖面設計、開挖量計算等。

重力壩開挖設計程序充分考慮地質因素，可以利用三維地質模型的可視化特點依據(jù)不同地質條件設置建基面位置、坡比、貼腳、壩肩槽角度等，實際應用性極強。

1.2 重力壩一體化設計功能

重力壩一體化設計功能框圖如圖 2 所示。

1.3 重力壩一體化設計復核

重力壩一體化設計整體成果準確性已通過功果橋、魯?shù)乩戎亓喂こ逃嬎愕玫津炞C。一體化設計中各獨立的成果均經過多項目反復比對計算，通過復核結果證明程序準確，適用性高。其中，壩頂高程及穩(wěn)定應力計算程序已經取得《中華人民共和國國家版權局計算機軟件著作權登記證書》。

2 重力壩一體化設計特點

1）自動化程度高。重力壩一體化設計最大的亮點就是程序自動化，其中重力壩開挖設計、壩頂高程及穩(wěn)定應力計算為基于 CATIA 二次開發(fā)的獨立程序，重力壩斷面、分縫、廊道和防浪墻等設計為應用軟件知識工程功能生成的模板，以上內容自動化應用程度高，設計人員只需要梳理好自己的設計思想，輸入原始的設計數(shù)據(jù)，可以依次調用各階段模板或依據(jù)程序進行計算。

2）復雜地質條件應用。地質條件是重力壩設計中非常關鍵的影響因素，重力壩一體化設計中開挖設計環(huán)節(jié)充分考慮地質條件的影響，在實際工程應用中利用 CATIA 軟件建立具有各風化層的地質模型，模型可進行任意斷面剖切，在重力壩壩軸線處進行地質模型的剖切，能夠清楚地看到各地層分界線的位置，可以依據(jù) DL 5108—1999《混凝土重力壩設計規(guī)范》[3]中規(guī)定的重力壩建基面標準在具有地層分界線的背景上直接勾畫重力壩建基面線，并在重力壩開挖設計程序讀取的 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，滿足重力壩對地質條件的應用需求。

圖 2 重力壩一體化設計功能框圖

3）便于調整。這也是程序化設計的優(yōu)點，尤其是水電工程的壩址及壩軸線調整，模型可以隨之更改，同時，由于程序化自動完成，各個內容均可以通過更改輸入數(shù)據(jù)，模型及計算結果自動生成，減少了因為方案更改而重復性的工作，降低了發(fā)生低級錯誤的概率，極大提高了重力壩的設計效率。

3 重力壩一體化設計關鍵技術

1）重力壩一體化設計應滿足各形式需求。重力壩一體化設計中包括斷面、分縫、廊道和防浪墻等體型設計，壩頂高程及穩(wěn)定應力計算也與重力壩體型設計相關。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、有無牛腿、有無齒墻等多種斷面形式，分縫、廊道和防浪墻設計等模板也應綜合考慮各種常見形式，本重力壩一體化設計中充分利用三維設計的程序化、參數(shù)化特性，滿足一般重力壩設計需求。

此外，重力壩開挖設計程序需依據(jù)不同地質條件設置建基面位置、坡比、貼腳、壩肩槽角度等，適應性強，可用范圍廣。

2）一體化設計流程全面，滿足規(guī)范要求。重力壩一體化設計包括從重力壩的斷面設計、壩頂高程及穩(wěn)定應力計算、開挖設計、分縫設計、廊道、防浪墻等細部設計等常規(guī)重力壩設計的主要流程，所有設計內容必須滿足相關現(xiàn)行規(guī)范，保證設計計算的準確性。程序將所有計算過程封裝，避免了人為錯誤。

3）地震工況下抗滑穩(wěn)定計算。常規(guī)地震工況下的重力壩抗滑穩(wěn)定計算比較復雜，需要應用條分法將壩體斷面分成多條，手算每條質心、面積等，再應用公式求解地震力，計算量大，且容易出錯。重力壩一體化設計中應能夠將條分原理、地震力計算等公式都依據(jù)一定方式賦予至程序內部重力壩模型中，保證地震工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)的準確計算。

4）重力壩一體化設計各環(huán)節(jié)應用靈活方便。各環(huán)節(jié)既是整體的，也是獨立的，串聯(lián)起來是整體的一體化設計，其中相關模板或程序都是獨立的，可以根據(jù)各項目需求不同分開或結合使用。

4 重力壩一體化設計實例

4.1 工程概況

以某水電站為例介紹重力壩一體化設計，該工程是以發(fā)電為主，正常蓄水位 3 078.00 m 時，相應水庫庫容 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）級別為 2 級。

4.2 重力壩一體化設計應用

1）壩頂高程計算。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，這些內容為整個工程的控制性元素。

根據(jù)水位情況、壩址區(qū)吹程風速等計算壩頂高程，壩頂高程依據(jù)“三維設計重力壩壩頂高程及抗滑穩(wěn)定應力計算軟件”計算。

軟件依據(jù)莆田、鶴地和官廳 3 種公式計算壩頂高程，選取合適該工程的官廳公式計算結果為壩頂高程選取參考值，官廳公式計算壩頂高程結果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)定應力計算。參考國內類似工程，結合工程地質條件，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)“三維設計重力壩壩頂高程及抗滑穩(wěn)定應力計算軟件”計算典型斷面的穩(wěn)定應力，如圖 3 所示。

圖 3 重力壩穩(wěn)定計算程序

軟件可以輸入斷面尺寸，快速直觀進行穩(wěn)定應力計算，通過計算可知，斷面滿足規(guī)范中穩(wěn)定及應力要求。

3）重力壩開挖一體化設計。設計人員將建基面輪廓、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，點擊“創(chuàng)建開挖面應用程序”調用已準備完成的 Execl 表格，將自動生成左岸壩肩槽、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，提高開挖量計算及開挖面設計的工作效率，如圖 4 所示。

4）重力壩細部設計?？紤]到規(guī)范中重力壩分縫相應規(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用重力壩分縫模板，設計人員直接填寫各縫間距及相應縫數(shù)，即可一次性自動生成所有縫面，并可進行參數(shù)更改，如圖 5a 所示。

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

圖 4 重力壩開挖設計程序

圖 5 重力壩細部設計

4.3 設計方案變更

程序自動化本身的優(yōu)勢就在于參數(shù)化，即變更調整方便，上至整個方案的變更，如壩軸線調整，端點調整，壩段更改等，下至某個馬道寬度或者坡度等，都可以通過參數(shù)快速更改，整個設計內容將隨之快速更改，尤其適用于可研以前階段方案調整更改。

5 結語

本研究探討依托 CATIA 平臺的知識工程功能進行模板設計及程序的二次開發(fā)，基本實現(xiàn)了重力壩的三維一體化設計，得到以下結論：

1）重力壩的三維一體化設計依托現(xiàn)行規(guī)范及豐富的設計經驗開展，經過大量工程復核，并取得著作權證書，應用穩(wěn)定。

2）重力壩的三維一體化設計內容包括壩軸線擬定—壩頂高程、抗滑穩(wěn)定及應力計算—重力壩壩體建?！_挖設計—分縫設計—廊道等細部設計，基本貫穿于整個重力壩設計中。

3）重力壩的三維一體化設計實現(xiàn)了重力壩設計過程的程序自動化，大大提高了重力壩的設計效率，減少出錯率，便于查看更改，并為重力壩設計思想及原則提供了傳承的平臺。

[1] 林繼鏞. 水工建筑物[M]. 5 版. 北京：中國水利水電出版社，2009: 5.

[2] 周建平，鈕新強，賈金生. 重力壩設計二十年[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008: 3.

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[10] 電力工業(yè)部中南勘測設計研究院. 水工建筑物荷載設計規(guī)范：DL/T 5077—1997[S]. 北京：中國電力出版社，1997.

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（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。