基于CATIA V5R20的重力坝三维参数化设计

    水工建筑物种类多，设计工作量大、设计周期短、质量要求高，且常处于复杂的地质、地形环境中，若同时考虑网形、通视、地质及测量条件等因素，运用传统设计软件和方法对水工建筑物进行设计时，需要反复调整，工作繁杂，设计效率低下。另外，在水工建筑物设计中往往需要多次修改尺寸或形体来实现方案优化，而采用常规软件和方法设计时，设计方案表达不直观、计算工作量大、设计参数调整困难，且容易发生设计失误，增加设计周期和设计成本等。随着市场竞争的日益激烈和计算机辅助绘图技术的迅速发展，水利行业对工程设计质量、设计效率的要求越来越高，传统的平面设计方法已无法有效满足未来水利工程设计的发展要求，三维设计方法逐渐受到关注。运用三维参数化设计方法能够清晰地表达实物形体，反映实物特征参数。参数化设计的关键在于用参数、公式等来控制图形的大小和形状。三维形体的空间视图也可以从任意方向进行观察，比在二维图中读取各个平面投影的视图更直观，也易于考察设计对象的结构和对其进行干涉，便于工程设计人员对结构进行修改和优化，减少许多重复操作和冗余设计，从而提高设计的效率。

    设计复杂的水工建筑物时，可以将小构件先进行参数化设计，再通过软件的装配功能来实现整个工程实体的三维设计，从而满足各种水工建筑物的三维设计要求。本文以CATIA V5R20软件为平台，以某水利工程枢纽中的重力坝为例，采用参数化设计方法对其进行三维设计，该设计方法可以为水工建筑物的三维设计、水利工程施工及运行管理提供一定的借鉴。

    1 工程概况及设计参数

    1.1 工程概况

    某水利枢纽是一个主要向周边村庄供水，在平水或丰水年兼顾灌溉的Ⅳ等小⑴型工程，主要建筑物包括混凝土重力坝（含溢流表孔、泄洪冲砂中孔）、右岸泄洪隧洞及取水建筑物等，次要建筑物主要包括上坝公路等。坝址处于“V”型河谷中，坝体结构基本采取对称布置，共分左、右岸非溢流坝段和河床溢流坝段4个坝段。坝顶高程1430.00m，坝顶轴线长106.8m，最大坝高44m。

    重力坝的部分平面设计如图1所示。

    图1 重力坝部分平面设计图

    1.2  设计参数

    重力坝主要设计参数如下：

    （1）左岸非溢流坝段设计参数。

    左岸非溢流坝段坝轴线长28.20m，坝顶高程1430.00m，顶宽4.80m。上游面高程1400.00m以上垂直，高程1400.00m以下坡比为1：0.1；下游面高程1422.76m以上垂直，高程1422.76m以下坡比l：0.71。

    （2）右岸非溢流坝段设计参数。

    右岸非溢流坝段坝轴线长39.20m，坝顶高程1430.00m，顶宽4.80m。上游面高程1400.00m以上垂直，高程1400.00m以下坡比为1：0.1；下游面高程1422.76m以上垂直，高程1422.76m以下坡比l：0.71。

    （3）河床溢流坝段设计参数。

    坝轴线长32.40m，上游面高程1400.00m以上垂直，高程1400.00m以下坡比为l：0.1；下游面坡比为l：0.71。堰顶高程1422.00m，采用开敞式WES实用堰型，共设3孔，单孔净宽8m；其中陡槽段为台阶式溢流面，下游采用底流式消能。

    溢流坝段顶部设9m宽的平板工作钢闸门，采用门机启闭，工作门门槽尺寸为0.80m×3.0m，闸墩顶高程为1430.00m。坝体底部沿河流方向长30.70m，高程为1386.00m。

    2 重力坝的CATIA参数化设计

    2.1 CATIA参数化设计

    任何形状的设计对象都可以由不同的直线和曲线进行组合得到。三维参数化设计的基本思想是以尺寸约束来表达设计对象的形状特征，通过从设计对象中获取一些主要的定位、定形或装配尺寸作为自定义变量，修改或调整这些变量，再由一些描述形体的函数计算出相应的结果，并驱动相关尺寸的改变，从而方便地创建一系列形状相似或不同的三维零部件。

    上式中：为曲线相对于原点的水平向控制参数，y为曲线相对于原点的竖向控制参数。

    2.2 CATIA软件参数化设计的方法与过程

    CATIA软件是法国达索公司开发的三维解决方案旗舰产品，可以帮助工程技术人员设计未来的产品，并支持从设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。模块化的CATIA软件系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟等。

    利用CATIA软件实现产品的三维参数化设计方式通常有2种，分别是基于产品模板的方式（通过更改尺寸约束来实现产品的参数化驱动）和程序模板的方式（通过不同程序模块的组合实现产品的参数化驱动）。上述2种方式均可以生成新的结构或尺寸的产品，前者是通过程序获取产品的结构特征属性信息来对相应部分的参数值进行修改，以便得到不同结构或不同尺寸的产品实体模型，该方式工作量大，灵活性差，且参数化驱动稳定性欠佳；后者是在产品数学模型的基础上，通过调用底层的特征函数来创建产品的实体模型，该方式程序编写工作量稍大，但具有较好的灵活性。