CATIA在三河口樞紐工程中的電氣設(shè)計(jì)

栗禎澤，呂 凱

設(shè)計(jì)領(lǐng)域的第一次革命。但是二維CAD設(shè)計(jì)只是工具形式從紙質(zhì)圖紙變成了繪圖軟件，始終還是基于二維的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以在表達(dá)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)時(shí)，二維CAD設(shè)計(jì)局限性也日益凸顯：首先是無法實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)之間地協(xié)同設(shè)計(jì)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一些專業(yè)是基于另外一些專業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于溝通機(jī)制的欠缺，常常導(dǎo)致專業(yè)與專業(yè)之間做很多重復(fù)修改，效率低下；其次是二維圖紙都是通過投影來表達(dá)設(shè)計(jì)對象信息，設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤以及專業(yè)與專業(yè)之間碰撞很難第一時(shí)間檢查出來，導(dǎo)致工程返工。而三維設(shè)計(jì)工具中CATIA可以很好地解決二維CAD設(shè)計(jì)中存在的痛點(diǎn)，在水利水電行業(yè)三維設(shè)計(jì)應(yīng)用中非常具有潛力。

在水利水電領(lǐng)域，CATIA尤其適合于復(fù)雜造型、超大體量的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，其曲面建模功能及參數(shù)化能力，為設(shè)計(jì)師提供了豐富的設(shè)計(jì)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)空間曲面造型、分析等多種設(shè)計(jì)功能，幫助設(shè)計(jì)師提高設(shè)計(jì)效率0。

1 工程概況

三河口水利樞紐工程位于陜西省佛坪縣與寧陜縣境交界、漢江一級支流子午河中游峽谷段。抽水采用2臺可逆式機(jī)組，發(fā)電除采用2臺常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組外，還與抽水共用2臺可逆式機(jī)組。

2 CATIA電氣設(shè)計(jì)

在CATIA工具工程化運(yùn)用中，針對設(shè)計(jì)對象模型的特點(diǎn)，會采用不同的建模思路。本項(xiàng)目中運(yùn)用CATIA軟件設(shè)計(jì)的電站模型如圖1所示，可以看出電氣三維模型其特點(diǎn)為不管是電氣一次專業(yè)還是電氣二次專業(yè)電氣設(shè)備數(shù)量眾多，而且某些型號的設(shè)備在一個(gè)項(xiàng)目中多次復(fù)用。

圖1 CATIA電氣三維模型

針對電氣模型的特點(diǎn)，如果僅采取用CATIA基礎(chǔ)模塊設(shè)計(jì)模型，工作量非常巨大，為了解決這一問題，CATIA專門為機(jī)電專業(yè)提供了機(jī)電設(shè)備庫，庫中上傳了在電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域中常用的設(shè)備模型，從庫中的調(diào)用，可以很快在三維空間中布置所有的電氣設(shè)備，大大提高設(shè)計(jì)效率。機(jī)電庫并不是與生俱來的，默認(rèn)的機(jī)電庫里都只有常用的一些設(shè)備模型，而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，項(xiàng)目中遇到的特定模型還是需要通過基礎(chǔ)模塊創(chuàng)建后賦予電氣屬性后入庫，通過這種方式日積月累逐步豐富電氣設(shè)備庫。

所以，在使用CATIA進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)時(shí)其流程可以分為兩大塊，其一是創(chuàng)建電氣設(shè)備模型并入庫，其二是從庫中調(diào)用模型并創(chuàng)建線束連接，其具體的流程見圖2。

圖2 CATIA電氣設(shè)計(jì)流程

從圖中可以看出，電氣設(shè)計(jì)分為五個(gè)流程，其中前兩個(gè)流程主要是電氣設(shè)備定義與入庫，剩下的三個(gè)流程就是從庫中調(diào)用模型并定位，然后創(chuàng)建線束連接，下面就以該項(xiàng)目為例介紹其三維設(shè)計(jì)全流程。

2.1.1 電氣設(shè)備定義與入庫

從圖1中可以看出，該項(xiàng)目中電氣設(shè)備三維模型主要為變壓器和電樁基座等。工程師首先要確認(rèn)默認(rèn)的電氣設(shè)備庫中這些模型是否存在，如果存在那么就直接調(diào)用；如果不存在，那么我們就要進(jìn)入CATIA的零件設(shè)計(jì)模塊創(chuàng)建電氣設(shè)備模型并在電氣零件設(shè)計(jì)模塊定義電氣屬性后入庫。

1）電氣設(shè)備建模

CATIA零件設(shè)計(jì)（Part Design）模塊提供了強(qiáng)大的三維參數(shù)化建模能力，進(jìn)入該模塊后，運(yùn)用其基礎(chǔ)建模命令凸臺、倒圓角、矩形陣列等繪制變壓器模型，見圖3。

圖3 CATIA變壓器模型示意

2）定義電氣屬性

用基礎(chǔ)模塊創(chuàng)建的三維模型是不帶有任何電氣相關(guān)的屬性，這時(shí)需要進(jìn)入CATIA電氣零件設(shè)計(jì)模塊（Electrical Part Design）定義電氣屬性信息，這里的電氣屬性包括設(shè)備、殼體、連接器、端點(diǎn)、連接器連接點(diǎn)、連接控制點(diǎn)、線束連接點(diǎn)等信息，通過EPD模塊特有的工具命令賦予上述這些電氣屬性信息，見圖4。

圖4 定義電氣屬性信息

右邊紅色標(biāo)記區(qū)域即為定義電氣屬性定義工具條，一旦定義了電氣屬性，則會在左側(cè)結(jié)構(gòu)樹上記錄添加的電氣類屬性。電氣屬性定義其實(shí)是為了當(dāng)模型入庫調(diào)用后，生成線束連接做的準(zhǔn)備，而電氣屬性定義也是有一套規(guī)則的，定義了部分電氣屬性的設(shè)備只能與定義了與之相匹配屬性的設(shè)備進(jìn)行連接，具體的匹配規(guī)則本文不在詳述。

3）設(shè)備入庫

完成電氣設(shè)備屬性定義后，設(shè)計(jì)人員需要在CATIA默認(rèn)路徑打開電氣設(shè)備Catlog文件，該文件即為統(tǒng)一管理各類電氣設(shè)備的庫文件，見圖5。

圖5 電氣設(shè)備庫文件展示

圖中可以看出，電氣設(shè)備庫文件按照電氣設(shè)備與組件成兩大類，然后在按照功能進(jìn)一步劃分成子的章節(jié)，這時(shí)工程師可以選中變壓器章節(jié)，選擇添加部件命令，選中剛剛保存的定義了電氣屬性的變壓器本地文件，即完成設(shè)備入庫的操作。

值得注意的是當(dāng)使用CATIA+VPM模式進(jìn)行在線協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)電庫的管理都會指定權(quán)限最高的管理員進(jìn)行管理，只有管理員以及被管理員分配權(quán)限的用戶才有權(quán)限上傳模型到機(jī)電庫中，通過這種方式有效防止了用戶隨意上傳有問題的模型到庫中造成整個(gè)機(jī)電庫的混亂。

2.1.2 電氣設(shè)備布置與線束連接

1）電氣設(shè)備布置

在CATIA中，針對水機(jī)、電氣等專業(yè)所有設(shè)備模型的調(diào)用都統(tǒng)一到設(shè)備布置模塊，進(jìn)入該模塊前首先要通過項(xiàng)目資源管理工具選定當(dāng)前設(shè)備布置的資源為電氣專業(yè)，完成后進(jìn)行設(shè)備布置時(shí)彈出的從庫中獲取的模型列表則全為電氣設(shè)備，見圖6。

圖6 項(xiàng)目資源管理定義

設(shè)備布置過程主要也分為兩個(gè)流程：其一是通過Place Equipments命令彈出的對話框選擇所需的電氣設(shè)備到三維模型空間，對于該項(xiàng)目來講主要為變壓器和電樁基座；其二是將從庫中調(diào)用出來的設(shè)備模型進(jìn)行定位，即調(diào)整變壓器以及電樁基座相對于廠房的位置，定位有多種方法，最常用的是基于參考面與步距的方式將建筑物的某些面作為參考面，調(diào)整設(shè)備與參考面的距離，完成定位之后的模型見圖7。

圖7 電氣設(shè)備調(diào)用與定位

2）創(chuàng)建線束連接

由于定位后的電氣設(shè)備模型都帶有了電氣屬性的信息，此時(shí)進(jìn)入CATIA Electrical Harness Assembly模塊創(chuàng)建線束連接完成線束設(shè)計(jì)，創(chuàng)建線束連接時(shí)彈出的線束定義菜單，見圖8。

圖8 線束定義

通過該菜單可以指定義幾何線束的截面尺寸、彎曲半徑等信息，通過菜單中Route Definition指定線束的端點(diǎn)，完成線束連接。值得注意的是每創(chuàng)建一條線束，在結(jié)構(gòu)樹上都會生成一個(gè)Part，完成所有線束創(chuàng)建后即完成整個(gè)項(xiàng)目的三維電氣設(shè)計(jì)，最后的模型如圖1所示。

2.2 碰撞檢查

在傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)中，由于都是通過設(shè)計(jì)對象在各個(gè)投影面的投影表示對象的信息，當(dāng)遇到特別復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師很難在二維的視圖中確定設(shè)計(jì)對象之間有無碰撞，三維設(shè)計(jì)很好地解決了這一問題。

給學(xué)生自主支配的時(shí)間和空間，使學(xué)生最大限度地處于主動激活的狀態(tài)，主動積極地動手、動腦、動口，從而使學(xué)習(xí)成為自主活動。開展“研究型”教學(xué)是把課堂還于學(xué)生的重要手段。研究性教學(xué)注重學(xué)生的個(gè)性發(fā)展，強(qiáng)調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，通過學(xué)生對全過程的主動學(xué)習(xí)，變被動、機(jī)械地接受知識為積極、靈活地認(rèn)識和運(yùn)用知識信息，整節(jié)課的內(nèi)容可以轉(zhuǎn)化成若干個(gè)小問題，讓學(xué)生通過看書、思考解答。對于難度較大的問題，可以讓學(xué)生在討論中找到答案。為促進(jìn)學(xué)生積極思考、踴躍發(fā)言，可采用靈活多變的啟發(fā)誘導(dǎo)方法。

CATIA中的DMU空間分析模塊主要是對設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行空間分析，其中碰撞檢查為該模塊的重要功能，提供了檢查模型間接觸、碰撞與間隙的模式，本項(xiàng)目水電站廠房系統(tǒng)三維模型碰撞檢查結(jié)果見圖9。

圖9 碰撞檢查結(jié)果展示

從上圖可以看出，該廠房系統(tǒng)內(nèi)有水機(jī)、電氣相關(guān)模型，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，通過三維碰撞檢查，可以很快列出所有檢查模型范圍內(nèi)有接觸以及碰撞的區(qū)域，單擊區(qū)域還能快速定位該區(qū)域具體的碰撞位置，可以很快的找準(zhǔn)問題，對模型做出相應(yīng)的修改。

2.3 生成施工圖紙

當(dāng)電氣設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)的三維模型通過審核后，CATIA也能提供自動生成二維圖的功能，從而實(shí)現(xiàn)了三維到二維的轉(zhuǎn)換。但是實(shí)際中不同設(shè)計(jì)院采用的是不同的標(biāo)注樣式，所以在生成二維圖之前還需要?jiǎng)?chuàng)建對應(yīng)設(shè)計(jì)院的二維圖標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)，通過該標(biāo)準(zhǔn)能夠定義投影后二維圖中的線型、尺寸標(biāo)注樣式、公差格式等信息，該項(xiàng)目三維橋架模型生成的二維圖見圖10。

圖10 自動生成二維圖

3 總結(jié)

通過以上CATIA應(yīng)用的案例，可以深刻的體會到三維設(shè)計(jì)中可視化、參數(shù)化、在線協(xié)同設(shè)計(jì)、三維碰撞校驗(yàn)的特點(diǎn)，不僅僅實(shí)現(xiàn)了畫圖手段的革命，也對整個(gè)設(shè)計(jì)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)都有很大的改變0。

3.1 優(yōu)點(diǎn)

1）CATIA強(qiáng)大的庫管理功能實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)模型的沉淀與復(fù)用。

2）CATIA在線協(xié)同模式可以有限解決傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)過程中無法并行設(shè)計(jì)的問題。

3）可視化、碰撞檢查等功能也大大提升了模型的審核校驗(yàn)的工作效率。

5）CATIA三維模型與CAE軟件無縫集成，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)模型的有限元分析的數(shù)據(jù)貫通。

3.2 缺點(diǎn)

1）CATIA軟件對系統(tǒng)配置要求較高，讀取大型工程模型速度較慢。

2）在實(shí)際項(xiàng)目中自動生成二維圖紙的精度往往無法滿足工程師的要求，一般還要在這基礎(chǔ)上做很多細(xì)節(jié)的修改。

3）由于CATIA本身起源于機(jī)械行業(yè)，所以很多模塊以及工具命令都帶有很強(qiáng)的機(jī)械背景，其他行業(yè)設(shè)計(jì)師入門難度較高。

目前CATIA在水利行業(yè)還處于起步階段，盡管越來越多的水利設(shè)計(jì)院引入了該軟件，但是大多數(shù)設(shè)計(jì)院都只是做一些效果展示類的翻模工作，還遠(yuǎn)沒有達(dá)到工程化的應(yīng)用程度。所以要真正實(shí)現(xiàn)通過CATIA的三維正向設(shè)計(jì)過程，還需要全行業(yè)從領(lǐng)導(dǎo)層到設(shè)計(jì)師齊心協(xié)力的推進(jìn)，三維設(shè)計(jì)必然是水利水電行業(yè)大勢所趨，相信通過各方面的努力，水利水電行業(yè)一定會迎來設(shè)計(jì)領(lǐng)域徹底的革新。

[1]Dassault.達(dá)索 BIM解決方案[J].達(dá)索官方材料.2015，5(6)：32.

[2]王娜.三維設(shè)計(jì)在水電站電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].萬方數(shù)據(jù)庫.2003.20(3)：39.