基于CATIA的重力壩可視化設(shè)計(jì)

董甲甲,楊 磊,杜燕林

(1.黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003;2.黃河水利科學(xué)研究院,河南鄭州 450003;3.華北水利水電學(xué)院研究生處,河南鄭州 450011)

從目前世界各國(guó)所修建的大壩來(lái)看,重力壩是一種重要的、有代表性的壩型[1]。在我國(guó),重力壩已被廣泛采用,如新安江、古田、丹江口、劉家峽、三門(mén)峽、黃龍灘、龔嘴、烏江渡、潘家口、三峽等水利樞紐均采用混凝土重力壩壩型。在重力壩工程的建設(shè)過(guò)程中,工程設(shè)計(jì)是最重要的環(huán)節(jié)之一,設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣、設(shè)計(jì)水平的高低以及設(shè)計(jì)周期的長(zhǎng)短都直接影響著工程建設(shè)的質(zhì)量和投資。隨著工程技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方案已經(jīng)適應(yīng)不了現(xiàn)代重力壩設(shè)計(jì)過(guò)程中工作任務(wù)重、設(shè)計(jì)周期短和質(zhì)量要求高的特點(diǎn)。采用三維可視化的方法來(lái)優(yōu)化重力壩的設(shè)計(jì)過(guò)程,不僅能夠全面提高工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量、效率和水平,而且可以最大限度地節(jié)約人力物力、縮短建設(shè)周期和減少設(shè)計(jì)失誤,并能夠順應(yīng)水利水電行業(yè)三維設(shè)計(jì)信息化的趨勢(shì),推動(dòng)我國(guó)水利水電產(chǎn)業(yè)由粗放型向集約型轉(zhuǎn)化,為科學(xué)技術(shù)改造傳統(tǒng)水利水電產(chǎn)業(yè)提供新思路。設(shè)計(jì)采用的CATIA平臺(tái)是一款功能強(qiáng)大的CAD/CAE/CAM一體化終端,其設(shè)計(jì)技術(shù)和解決方案在世界上處于領(lǐng)先地位,目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、電器電子、土木工程等領(lǐng)域,并逐漸向水利水電、巖土工程、地理信息、資源環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

該設(shè)計(jì)依據(jù)重力壩的設(shè)計(jì)流程,立足可視化思想,將參數(shù)化特征造型方法應(yīng)用于重力壩三維設(shè)計(jì)中,運(yùn)用CATIA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)重力壩的參數(shù)化建模,并生成用于指導(dǎo)施工的工程圖,具體設(shè)計(jì)目標(biāo)如下:①根據(jù)地質(zhì)信息建立三維地質(zhì)模型,在此基礎(chǔ)上依據(jù)重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行壩址選擇,采用自上而下的三維設(shè)計(jì)理念擬定骨架元素,如壩肩控制點(diǎn)、壩軸線(xiàn)以及0+000.00樁所在平面等。②在對(duì)重力壩設(shè)計(jì)理念和步驟深入掌握的前提下,以某重力壩工程為例,參照混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)重力壩工程從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行劃分,并通過(guò)CATIA實(shí)現(xiàn)重力壩各個(gè)部分的三維參數(shù)化建模。③運(yùn)用CATIA裝配設(shè)計(jì)模塊,參照骨架元素進(jìn)行重力壩各個(gè)部分三維模型的裝配,并通過(guò)開(kāi)挖等結(jié)構(gòu)上的處理,實(shí)現(xiàn)整個(gè)重力壩工程的三維設(shè)計(jì)。④在可視化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,可以對(duì)整體重力壩三維模型進(jìn)行深層次的研究,如三維模型至二維工程圖的快速轉(zhuǎn)換,各種工程量的快速量取,結(jié)合CATIA自身優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)渲染、仿真以及與有限元結(jié)合的研究等。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

2.1 壩址的選擇

重力壩的設(shè)計(jì)是在充分了解地質(zhì)條件的情況下進(jìn)行的,設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)對(duì)地質(zhì)模型的分析來(lái)確定壩址,進(jìn)而完成整個(gè)大壩的設(shè)計(jì)。在地質(zhì)模型構(gòu)建過(guò)程中,應(yīng)首先運(yùn)用地形測(cè)量?jī)x器(如經(jīng)緯儀、全站儀、激光雷達(dá)等)獲取壩址區(qū)的原始地質(zhì)數(shù)據(jù),從復(fù)雜實(shí)體或?qū)嵕爸兄亟▔沃返貐^(qū)的全景三維數(shù)據(jù)及模型,為后續(xù)重力壩設(shè)計(jì)做好鋪墊。通常情況下,選擇壩址時(shí)應(yīng)全面研究樞紐附近的地質(zhì)環(huán)境、地形布局、水流狀況,以及建筑材料、施工環(huán)境、樞紐布置等條件。通過(guò)對(duì)地質(zhì)信息的全面分析,并考慮到樞紐布置技術(shù)上的可行性,確定壩址、壩軸線(xiàn)的位置。壩軸線(xiàn)的位置一旦確定,它將和地質(zhì)模型一起作為整個(gè)工程的關(guān)鍵定位,以此為參照確定重力壩各個(gè)部分與地質(zhì)模型之間的相關(guān)關(guān)系,自上向下地傳遞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),規(guī)范地完成重力壩的后續(xù)設(shè)計(jì)。限于文章篇幅和主旨,不再討論地質(zhì)模型的創(chuàng)建和壩址選定等過(guò)程,而設(shè)定左右壩肩的控制點(diǎn)A和B等要素均為已知,并將其一同發(fā)布出去當(dāng)做骨架,作為整個(gè)工程的定位關(guān)鍵和布置依據(jù)。

2.2 壩體結(jié)構(gòu)的劃分

重力壩的體型結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,如果不進(jìn)行劃分,不僅參數(shù)繁多,而且體現(xiàn)不出擋水壩、溢流壩和內(nèi)部廊道等結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立的特征,所以在重力壩模型設(shè)計(jì)中首先要考慮如何把復(fù)雜的重力壩進(jìn)行合理拆分,使之成為多個(gè)簡(jiǎn)單模型的組合。

重力壩可簡(jiǎn)單地分為擋水壩段和溢流壩段兩部分,另外還包括廊道、排水管和帷幕等細(xì)節(jié)。以溢流壩為例,其設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括:①根據(jù)河道的地形地質(zhì)條件確定溢流壩段的平面位置。②擬定非溢流壩壩體輪廓尺寸并進(jìn)行穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算。首先確定壩頂高程,根據(jù)壩頂?shù)慕煌ā⑦\(yùn)行等要求初步擬定壩頂寬度,根據(jù)地質(zhì)資料和規(guī)范要求擬定河床和兩岸岸坡壩段的建基面高程,以及上下游壩坡和折坡點(diǎn)高程;其次,根據(jù)規(guī)范要求擬定各設(shè)計(jì)工況并進(jìn)行相應(yīng)工況的荷載計(jì)算、穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算;再次,根據(jù)穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果調(diào)整斷面尺寸,直到穩(wěn)定和應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求并使壩體工程量最省。③根據(jù)下游河道的地質(zhì)條件和水位情況確定消能方式,通過(guò)水力計(jì)算擬定溢流壩壩體輪廓尺寸并進(jìn)行穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算。

設(shè)計(jì)過(guò)程中,可將地質(zhì)模型作為一個(gè)基本對(duì)象,在此基礎(chǔ)上建立擋水壩和溢流壩等主要建筑物,最后考慮廊道、導(dǎo)墻、閘門(mén)等其他建筑物。壩體結(jié)構(gòu)劃分時(shí)可以把地形模型看做一個(gè)大的實(shí)體圖元,其他部分均看做是大圖元中的小實(shí)體,最后得到的重力壩實(shí)體就是這些大小實(shí)體的組合,把重力壩完全抽象為若干對(duì)象的集合。

2.3 壩體模型的建立

2.3.1 擋水壩段的建模

擋水壩段的設(shè)計(jì)要素主要包括壩頂高程、壩頂寬度、壩坡、上下游起坡點(diǎn)位置及底寬等[2]。

a.壩頂高程的確定。壩頂高程分別按設(shè)計(jì)和校核2種情況考慮,波浪要素可按適用于內(nèi)陸峽谷水庫(kù)的官?gòu)d公式計(jì)算,放浪墻至設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位的高差可設(shè)定為累計(jì)頻率為1%的波高、波浪中心線(xiàn)至計(jì)算水位的高度以及安全超高三者之和。

b.壩頂寬度的擬定。為了適應(yīng)運(yùn)用和施工的需要,壩頂寬度一般取最大壩高的8%～10%,且不小于2m。若有交通要求或有移動(dòng)式啟閉設(shè)施時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定。

c.壩坡的擬定。考慮壩體利用部分水壓力增加其抗滑穩(wěn)定,根據(jù)工程實(shí)踐,上游邊坡系數(shù)n為0.1～0.2,下游邊坡系數(shù)m為0.6～0.8。底寬為壩高的0.7～0.9倍。

d.上下游起坡點(diǎn)位置及底寬的確定。上游起坡點(diǎn)位置應(yīng)結(jié)合應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn),一般起坡點(diǎn)在壩高的1/3～2/3附近,下游起坡點(diǎn)的位置應(yīng)根據(jù)壩的實(shí)用剖面形式、壩頂寬度,結(jié)合壩的基本剖面計(jì)算得到。

在CATIA中建立擋水壩段典型剖面所在的平面,在此平面內(nèi)創(chuàng)建草圖,繪制擋水壩段典型剖面,運(yùn)用CATIA拉伸命令實(shí)現(xiàn)擋水壩段從二維典型剖面到三維模型的轉(zhuǎn)換,并對(duì)模型添加約束尺寸,提取參數(shù),使所建模型參數(shù)化。設(shè)計(jì)后的擋水壩段如圖1和圖2所示。

圖1 擋水壩段模型上游側(cè)

圖2 擋水壩段模型下游側(cè)

2.3.2 溢流壩段的建模

溢流壩既是擋水建筑物又是泄水建筑物,不僅要滿(mǎn)足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求,還要滿(mǎn)足泄水要求。因此需要有足夠的空間尺寸、較好體型的堰型,以滿(mǎn)足泄水的要求,并使水流平順,不產(chǎn)生空蝕破壞。

a.溢流壩泄水方式的選擇。溢流壩的泄水方式主要有2種:開(kāi)敞溢流式和孔口溢流式。以開(kāi)敞溢流式為例,除泄洪外還可排除冰凌或其他漂浮物,堰頂不設(shè)閘門(mén)時(shí)堰頂高程等于水庫(kù)的正常高水位,泄洪時(shí)庫(kù)水位雍高,從而加大了淹沒(méi)損失,但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,管理方便,適用于泄洪量不大、淹沒(méi)損失小的中小型工程。設(shè)置閘門(mén)的溢流壩,閘門(mén)頂高程大致與正常高水位齊平,堰頂高程較低,可利用閘門(mén)的開(kāi)啟高度調(diào)節(jié)庫(kù)水位和下泄流量,適用于大型工程及重要的中型壩。

b.孔口設(shè)計(jì)?？卓谠O(shè)計(jì)主要包括洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定、設(shè)計(jì)流量的確定、單寬流量的確定、孔口尺寸的確定和布置、溢流堰頂高程的確定等,可依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]和規(guī)范[4]進(jìn)行計(jì)算。

c.消能防沖設(shè)計(jì)。溢流壩頂下泄的水流具有很大的能量,必須采取有效的消能措施保護(hù)下游河床免受沖刷。消能防沖設(shè)計(jì)主要包括連續(xù)式鼻坎設(shè)計(jì)、挑距和抗沖估算等環(huán)節(jié)。

d.溢流面體型設(shè)計(jì)。溢流面由頂部曲線(xiàn)段、中間直線(xiàn)段和反弧段3部分組成。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括頂部曲線(xiàn)段的設(shè)計(jì)和溢流壩剖面的繪制等。

溢流壩段的CATIA參數(shù)化建模與擋水壩段類(lèi)似,不同之處在于其根據(jù)溢流曲線(xiàn)方程、運(yùn)用CATIA的規(guī)則曲線(xiàn)準(zhǔn)確模擬溢流壩段的溢流面,以保證所建溢流壩段模型精準(zhǔn)。設(shè)計(jì)后的溢流壩段如圖3、圖4所示。

圖3 溢流壩段模型上游側(cè)

圖4 溢流壩段模型下游側(cè)

2.3.3 重力壩附屬建筑物的建模

2.3.3.1 廊道三維模型的創(chuàng)建

為了滿(mǎn)足灌漿、排水、觀測(cè)、檢查和交通等要求,需要在壩體內(nèi)設(shè)置各種不同用途的廊道,這些廊道相互連通,構(gòu)成廊道系統(tǒng)[5]。廊道斷面多為城門(mén)洞形,寬度和高度應(yīng)能滿(mǎn)足灌漿作業(yè)的要求,一般寬為2.5～3 m、高為3～4m。底面距基巖面不宜小于1.5倍廊道寬度。灌漿廊道隨壩基面由河床向兩岸逐漸升高,坡度不宜陡于 40°～45°,以便鉆孔、灌漿及搬運(yùn)設(shè)備。

在CATIA環(huán)境下,只要確定典型剖面、給出軸線(xiàn)就能夠完成三維模型的創(chuàng)建,而且軸線(xiàn)可以是直線(xiàn)、折線(xiàn)甚至是曲線(xiàn),適用與廊道三維模型的創(chuàng)建。廊道截面相對(duì)簡(jiǎn)單,只要確定廊道起點(diǎn)樁號(hào)、截面中心位置以及軸線(xiàn)走向,便可以完成三維模型的創(chuàng)建。

2.3.3.2 溢流壩導(dǎo)墻及閘墩的三維模型創(chuàng)建

在CATIA中只需創(chuàng)建1個(gè)導(dǎo)墻和橋墩模型,通過(guò)鏡像和陣列功能控制導(dǎo)墻和橋墩的個(gè)數(shù)及間距,快速實(shí)現(xiàn)兩邊導(dǎo)墻和溢流壩段上多個(gè)橋墩模型的創(chuàng)建。閘墩的平面形狀應(yīng)滿(mǎn)足如下要求:在上游端使水流平順,減小孔口水流的側(cè)收縮;在下游端可減少墩后水流的水冠和沖擊波。所以上游常采用半圓形或橢圓形,下游端一般采用流線(xiàn)型圓弧或半圓形曲線(xiàn)。設(shè)計(jì)后的廊道、閘墩及導(dǎo)墻如圖5和圖6所示。

2.4 各部分模型的裝配

圖5 廊道模型

圖6 閘墩及導(dǎo)墻模型

裝配設(shè)計(jì)即產(chǎn)品的高效管理和裝配設(shè)計(jì),它體現(xiàn)了在裝配環(huán)境下可由用戶(hù)控制關(guān)聯(lián)關(guān)系的設(shè)計(jì)能力,通過(guò)使用自上而下和自底向上的方法管理裝配層次,使裝配設(shè)計(jì)和單個(gè)零件設(shè)計(jì)之間的并行工程得以實(shí)現(xiàn)[6]。裝配設(shè)計(jì)通過(guò)使用圖形化的命令建立機(jī)械設(shè)計(jì)約束,可以直觀方便地將零件放到指定位置,并通過(guò)修改參數(shù)實(shí)現(xiàn)零件尺寸和位置的動(dòng)態(tài)更新。設(shè)計(jì)者可以重新排列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),動(dòng)態(tài)地把零件放到指定位置,并進(jìn)行干涉和縫隙檢查。系統(tǒng)提供了多種高效的工作方式和直觀的用戶(hù)界面,功能強(qiáng)大,使用方便,大幅度減少設(shè)計(jì)時(shí)間和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過(guò)裝配設(shè)計(jì),可以將重力壩各個(gè)部分有機(jī)地裝配成一個(gè)完整的重力壩工程,服務(wù)于實(shí)際設(shè)計(jì)需要,實(shí)現(xiàn)重力壩工程實(shí)際意義上的三維設(shè)計(jì)。

要進(jìn)行裝配設(shè)計(jì),首先要對(duì)擋水壩模型、溢流壩模型及其附屬建筑物的模型參數(shù)按照設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,CATIA所建的模型尺寸與參數(shù)相關(guān)聯(lián),只需修改參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)更新。重力壩模型是在零件基礎(chǔ)上建立的,創(chuàng)建一個(gè)產(chǎn)品對(duì)象,把擋水壩模型、溢流壩模型及其附屬建筑物作為產(chǎn)品的一個(gè)個(gè)零件,參照骨架元素把這些按照設(shè)計(jì)修改參數(shù)后的模型零件有機(jī)地裝配起來(lái),以構(gòu)成完整的工程。主要裝配過(guò)程有:地質(zhì)模型和骨架裝配、知識(shí)模板功能的擋水壩模型裝配、知識(shí)模板功能的溢流壩模型裝配、導(dǎo)墻和閘墩的模型裝配、工作橋及其他模塊的裝配、廊道的模型裝配等。裝配過(guò)程主要通過(guò)模型對(duì)象的組合、擴(kuò)展和參數(shù)化裝配來(lái)實(shí)現(xiàn),CATIA為這些操作提供了專(zhuān)門(mén)的功能模塊,操作并不復(fù)雜,這里不再贅述。模型裝配完成以后可將整體模型發(fā)布出來(lái)作為一個(gè)整體,如圖7所示。

圖7 發(fā)布的重力壩設(shè)計(jì)模型

3 結(jié) 語(yǔ)

重力壩三維可視化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,必須全方位、多角度地開(kāi)展研究工作,以確保研究成果具有客觀性,并能夠有效地指導(dǎo)決策過(guò)程。筆者針對(duì)重力壩設(shè)計(jì)的具體情況,基于CATIA平臺(tái),運(yùn)用自上而下的三維設(shè)計(jì)理念系統(tǒng)地對(duì)重力壩參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究,結(jié)合2個(gè)重力壩工程實(shí)例,實(shí)現(xiàn)了重力壩的可視化設(shè)計(jì)。研究認(rèn)為:①參照重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范和重力壩的設(shè)計(jì)思想,按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可將重力壩工程劃分為地址地形部分、擋水壩部分、溢流壩部分、廊道系統(tǒng)和閘墩等結(jié)構(gòu),對(duì)重力壩各個(gè)部分分別建模,并實(shí)現(xiàn)其參數(shù)化。②根據(jù)自上而下的三維裝配設(shè)計(jì)理念,運(yùn)用知識(shí)工程方法,可將各部分參數(shù)化模型轉(zhuǎn)換成為文檔模板,為重力壩工程的三維模型裝配打好基礎(chǔ),通過(guò)調(diào)整各個(gè)文檔模板的參數(shù)可使數(shù)據(jù)滿(mǎn)足重力壩工程的要求,并能夠完成重力壩工程三維模型的裝配和開(kāi)挖。③三維模型建立以后,為使所建模型更加智能化、自動(dòng)化、并行化且更符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,可對(duì)重力壩模型的混凝土分區(qū)、模型的二維圖轉(zhuǎn)換、工程量的量取、模型有限元分析、局部功能的二次開(kāi)發(fā)、程序驅(qū)動(dòng)模型的自動(dòng)建立等問(wèn)題做進(jìn)一步的研究,使實(shí)際工程模型全景觀地展現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前,以更好地服務(wù)于工程。

:

[1]華東水利學(xué)院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第五卷:混凝土壩[M].北京:水利電力出版社,1987.

[2]焦愛(ài)萍.水利水電工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指南[M].鄭州:黃河水利出版社,2003.

[3]SL252—2000 水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[S].

[4]SL319—2005 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]林繼鏞.水工建筑物[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

[6]魯君尚,張安鵬,王書(shū)滿(mǎn),等.無(wú)師自通CATIAV5之裝配設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)渲染[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.