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(長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 渠道施工設(shè)計(jì)及CATIA軟件簡(jiǎn)介

在進(jìn)行長(zhǎng)距離輸水渠道布置時(shí)，存在大量的線路比選工作，對(duì)于每一個(gè)方案都要進(jìn)行縱、橫斷面設(shè)計(jì)，計(jì)算相應(yīng)的工程量、開挖與填方量。設(shè)計(jì)階段，需要繪制大量圖紙，施工過程中還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行大量的變更設(shè)計(jì)，一個(gè)方案的確定往往需要多次的設(shè)計(jì)—反饋—重新設(shè)計(jì)過程，如果渠道設(shè)計(jì)參數(shù)中有任何一點(diǎn)數(shù)據(jù)變動(dòng)，就必須對(duì)一系列的圖紙進(jìn)行修改和校核。

傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)方法存在工作效率低、精度差等問題，三維可視化設(shè)計(jì)作為水利設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展方向，正逐步應(yīng)用在渠道的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，如桑國慶等[1]2009年采用AutoCAD Civil 3D軟件進(jìn)行大型渠道動(dòng)態(tài)三維可視化設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于山東濟(jì)平干渠的設(shè)計(jì)中。虞松賓[2]2009年采用Bentley公司的MicroStation V8軟件平臺(tái)和GeoPak Site軟件包進(jìn)行某大型灌溉渠道工程量計(jì)算，均取得了比較好的效果。AutoCAD Civil 3D軟件和MicroStation GeoPak Site軟件包都是基于土木工程對(duì)象的設(shè)計(jì)軟件，有很強(qiáng)的大范圍三維地形處理與分析功能，在渠道前期的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，對(duì)工程選線及工程量、土方挖填量的計(jì)算等具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但這2款軟件的曲面處理及三維參數(shù)化設(shè)計(jì)功能較弱，對(duì)于渠道的施工詳圖設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用具有局限性。

2 渠道分段設(shè)計(jì)與模型管理

由于受數(shù)據(jù)處理能力及容量的限制，以及方便設(shè)計(jì)分工與數(shù)據(jù)管理，一般將渠道進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，建筑物處、渠道斷面變化處等都應(yīng)分段，分段同時(shí)應(yīng)考慮地形變化的影響，地形變化大的地方分段密，反之則可以稀疏一些，但段距也不宜過大[6]。從CATIA對(duì)地形數(shù)據(jù)的處理能力來說，分段渠道的長(zhǎng)度一般應(yīng)在15 km以內(nèi)。

基于CATIA的協(xié)同設(shè)計(jì)功能或采用數(shù)據(jù)目錄索引的方式[7]，可以對(duì)渠道分段三維設(shè)計(jì)的成果進(jìn)行管理。在CATIA中建立渠道分段設(shè)計(jì)模型的管理目錄樹，目錄樹與渠道分段的三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行鏈接，可以任意調(diào)用相應(yīng)渠段的三維設(shè)計(jì)模型成果。

3 建立模型及布置渠道中軸線

從出施工設(shè)計(jì)詳圖的要求，地形比例尺應(yīng)達(dá)到1∶1 000及以上精度，一般一段渠道的設(shè)計(jì)，地形數(shù)據(jù)的范圍為渠道兩旁各延伸1 km左右,長(zhǎng)度在15 km以內(nèi)。在CATIA中，三維地形可以采用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)描述，也可以采用曲面方式描述。地形的輸入格式，可以是基于AutoDesk *.dwg方式的三維等高線，也可以是點(diǎn)云方式，也可以是基于ArcGIS TIN文件格式的地形數(shù)據(jù)，導(dǎo)入CATIA軟件中，可以生成采用TIN描述的地形三維模型[8]。在CATIA中，將地形TIN模型轉(zhuǎn)換為地形曲面模型，再將地形曲面模型與同范圍大小的長(zhǎng)方體三維實(shí)體模型進(jìn)行相交，生成地形三維實(shí)體模型。

布置渠道中軸線，可以將渠道中軸線的三維點(diǎn)(包括x，y，z坐標(biāo))逐個(gè)添加布置，也可以采用EXCEL表格文件，從外部文件導(dǎo)入渠道中軸線各點(diǎn)的坐標(biāo)序列，然后將渠道中軸線各點(diǎn)進(jìn)行連接。一般的，可以先在xy平面上確定各端點(diǎn)的平面坐標(biāo)，然后自動(dòng)生成切點(diǎn)和圓心的xy平面坐標(biāo)，依據(jù)渠道規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的成果數(shù)據(jù)給定的“渠底高程”，給渠道中軸線賦予z值，得到渠道中軸線在三維空間上的布置，如下圖1所示。

圖1 渠道中軸線在三維空間上及在xy平面上的布置

將渠段中軸線與地形TIN三維模型在CATIA中同時(shí)調(diào)出，如下圖2所示渠段中軸線在三維地形上的布置圖。

圖2 在三維地形上布置渠道中軸線

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 渠道三維實(shí)體模型基本設(shè)計(jì)

采用統(tǒng)一的方式來描述各種類型的渠道橫斷面，包括全挖渠段、全填渠段、半挖半填渠段，如圖3所示，在渠道橫斷面統(tǒng)一的描述方式中，挖方和填方共用一級(jí)馬道以下的部分，如果一級(jí)馬道以上部分向上延伸，則為挖方渠道橫斷面，如果一級(jí)馬道以上部分向下延伸，則為填方渠道橫斷面。描述渠道橫斷面的基本設(shè)計(jì)參數(shù)有：樁號(hào)、渠道底寬、各級(jí)馬道坡高、坡比及馬道寬、填方堤頂?shù)缆穼?、填方各?jí)護(hù)坡坡高、坡寬及馬道寬等。

圖3 渠道橫斷面統(tǒng)—的描述方式

在CATIA中，制作渠道橫斷面基本參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，并保存為三維參數(shù)化模板形式，以供調(diào)用。然后，調(diào)用渠道橫斷面基本三維參數(shù)化模板，依次在渠道中軸線上布置渠道橫斷面，見圖4所示，根據(jù)實(shí)際渠段橫斷面的設(shè)計(jì)方案，可修改和調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。

通過手機(jī)媒介對(duì)基層崗位員工進(jìn)行培訓(xùn)教育，在推行方式上，要做到先易后難、循序漸進(jìn)，要根據(jù)企業(yè)實(shí)力，選取適宜的模式。另外，要做好E-training，應(yīng)加強(qiáng)推行過程中的監(jiān)督管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)進(jìn)行處理，做到持續(xù)改進(jìn)。

圖4 在渠道中軸線上布置渠道橫斷面

將整個(gè)渠段的渠道基本橫斷面，在CATIA中采用“多截面曲面”命令，進(jìn)行連接，生成渠段的整體基本參數(shù)化設(shè)計(jì)曲面模型。將渠段的整體基本參數(shù)化設(shè)計(jì)曲面模型與地形三維實(shí)體模型進(jìn)行相交，根據(jù)相交關(guān)系，可以確定該渠段是全挖方渠段、全填方渠段還是半挖半填渠段。對(duì)于全挖方渠段，將渠段的整體基本三維參數(shù)化設(shè)計(jì)曲面作為切割面對(duì)地形三維實(shí)體模型進(jìn)行切割，切割面以上的地形三維體即為渠段開挖體，依據(jù)渠段開挖體可統(tǒng)計(jì)開挖量，切割面以下的地形三維體即為被渠道開挖后的地形三維體；對(duì)于全填方渠段，根據(jù)渠段的整體基本三維參數(shù)化設(shè)計(jì)曲面模型可生成渠段三維實(shí)體模型，將地形三維曲面作為切割面對(duì)渠段三維實(shí)體模型進(jìn)行切割，切割面以上的渠段三維體即為渠段填方體，依據(jù)渠段填方體可統(tǒng)計(jì)填方量；對(duì)于半挖半填渠段，要將半挖半填渠段分別當(dāng)作全挖方和全填方渠段，按照上述的方法制作渠段的開挖體和填方體，統(tǒng)計(jì)開挖量和填方量。圖5為經(jīng)過渠道挖填后的地形三維實(shí)體模型。

圖5 經(jīng)過渠道挖填后的地形三維實(shí)體模型

4.2 渠道結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)

在經(jīng)過渠道挖填后的地形三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行排水溝、襯砌、堤頂公路、墊層、換土層、齒墻、截流溝等渠道的結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)。下面以排水溝為例介紹，其它結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)與此類似。

(1) 首先制作排水溝三維設(shè)計(jì)模型，并發(fā)布為通用的排水溝三維設(shè)計(jì)模板。排水溝三維設(shè)計(jì)參數(shù)包括：排水溝所在的馬道曲面、排水溝內(nèi)側(cè)曲線、排水溝深、排水溝寬、排水溝混凝土厚，見圖6所示。

圖6 渠道排水溝三維設(shè)計(jì)模板

(2)在挖填后的地形三維實(shí)體模型上，選擇排水溝三維設(shè)計(jì)參數(shù)：排水溝所在的馬道曲面、排水溝內(nèi)側(cè)曲線，并初步設(shè)定參數(shù)：排水溝深、排水溝寬、排水溝混凝土厚的值，排水溝三維設(shè)計(jì)模型即沿著馬道內(nèi)側(cè)曲線布置。

(3) 將排水溝三維設(shè)計(jì)模型與挖填后的地形三維實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，排水溝所占體積從挖填后的地形三維實(shí)體模型中移除。根據(jù)排水溝的設(shè)計(jì)方案，可以對(duì)排水溝三維設(shè)計(jì)模型的參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)整，見圖7 CATIA目錄樹中的“排水溝.1”下的一系列設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖7 布置與修改排水溝三維設(shè)計(jì)模型

5 統(tǒng)計(jì)工程量并生成工程圖

5.1 工程量統(tǒng)計(jì)

在進(jìn)行渠道三維設(shè)計(jì)過程中，已將上述的三維地形開挖體、渠道填方體、排水溝、渠道襯砌層、墊層、換土層、堤頂公路、齒墻、截流溝等的三維設(shè)計(jì)實(shí)體模型分別放入相應(yīng)的幾何體中，這樣，可以采用CATIA中的體積測(cè)量工具，很方便地基于各個(gè)幾何體中的三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算工程量、開挖量與填方量等。

5.2 工程圖生成

5.2.1 平面布置圖

基于上述的渠道三維設(shè)計(jì)模型，切換到CATIA“工程制圖”工作臺(tái)，很方便地生成工程布置圖及各類結(jié)構(gòu)圖。在CATIA中，進(jìn)入“Shape sculptor”工作臺(tái)，可從地形三維實(shí)體模型生成地形等高線。在如下對(duì)話框中，選擇地表曲面、輸入主等高線和次等高線等相關(guān)參數(shù)，確定后，結(jié)果見圖8所示。

圖8 從三維地形模型生成xy平面的地形等高線

進(jìn)入“工程制圖”工作臺(tái)，點(diǎn)擊正視圖，選擇xy面，生成渠道設(shè)計(jì)平面布置圖，見圖9所示。

圖9 渠道平面布置圖

5.2.2 渠道結(jié)構(gòu)圖

在建立的渠道三維設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，設(shè)置任意方向和位置的剖切面，對(duì)渠道三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行剖切，即可生成渠道二維結(jié)構(gòu)圖，圖10為生成的填方渠段二維結(jié)構(gòu)圖。

圖10 填方渠段二維結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)入CATIA“工程制圖”工作臺(tái)，點(diǎn)擊正視圖，選擇xz平面，可生成渠道橫斷面結(jié)構(gòu)施工詳圖。需要說明的是，從CATIA三維模型切割生成的二維工程圖，尺寸標(biāo)注不能智能布置，有重疊和壓蓋的現(xiàn)象，需要在CATIA“工程制圖”工作臺(tái)或者二維AutoCAD軟件中重新繪制或者調(diào)整標(biāo)注，見圖11。

圖11 生成渠道橫斷面結(jié)構(gòu)施工詳圖

最后在二維工程圖上，布置圖框、圖簽、比例尺、指北針等，即可完成渠道工程的施工詳圖。

6 結(jié) 論

綜上所述，CATIA在渠道三維設(shè)計(jì)中，具有如下優(yōu)勢(shì)功能：

(1) 可完成從地形測(cè)量成果，到生成渠道二維設(shè)計(jì)圖的所有設(shè)計(jì)過程。

(2) 采用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，可建立渠道工程三維設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)模型，保持設(shè)計(jì)對(duì)象(如地形、渠道中軸線、渠道橫斷面等)之間的智能關(guān)聯(lián)關(guān)系，如果此三維模型的任何部分發(fā)生變更，所有關(guān)聯(lián)的部分亦會(huì)隨之即時(shí)動(dòng)態(tài)更新。例如，改變渠道線路，渠道縱斷面、橫斷面、平面布置圖、工程量、開挖與填方量等都會(huì)自動(dòng)更新。

(3) 根據(jù)渠道工程三維設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)模型，可以自動(dòng)生成渠道平面布置圖、縱斷面圖、橫斷面圖，并易于保持制圖標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性。

(4) 可以方便計(jì)算各種分類工程量。

本文結(jié)合南水北調(diào)中線工程，采用CATIA三維設(shè)計(jì)軟件在渠道設(shè)計(jì)中進(jìn)行了初步嘗試。實(shí)踐證明，采用CATIA三維設(shè)計(jì)軟件能高效快速地建立渠道動(dòng)態(tài)三維設(shè)計(jì)模型，根據(jù)設(shè)計(jì)方案方便快速地修改三維設(shè)計(jì)模型，快速生成相應(yīng)的二維設(shè)計(jì)圖并計(jì)算工程量、開挖與填方量，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)，提高了設(shè)計(jì)效率與成果質(zhì)量。

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