淺談CATIA在水電工程監(jiān)測設計中的應用

李 菁

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

1 概 述

CATIA是由法國達索系統(tǒng)公司開發(fā)的、跨平臺的商業(yè)三維設計軟件。目前國內對該軟件應用較為成熟的領域主要有航空、航天、汽車、機械、造船、石化等。

中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司(以下簡稱中國電建成都院)監(jiān)測中心于2013年起利用CATIA平臺，以在建工程為依托，開展了三維監(jiān)測設計工作。由于CAITA軟件的應用，設計工作已由早期單純的三維展示功能轉變?yōu)閷⑷S設計融入生產流程。經過一年時間的探索、消化、建模工作，已初步總結出了一套用于監(jiān)測工作的三維設計方法與步驟，并在溪洛渡工程滑坡體監(jiān)測設計、錦屏一級水電站三維可視監(jiān)測設計、猴子巖工程監(jiān)測設計等項目展開應用。

利用CATIA三維設計，可在監(jiān)測設計過程中定義監(jiān)測測點屬性，將設計參數(shù)植入三維模型，生成高質量、多方位、可編輯的立體模型。實踐表明：該軟件較Auto CAD在使用功能及開發(fā)應用方面具有明顯的優(yōu)勢。

2 利用CATIA進行監(jiān)測設計的優(yōu)勢

在水電工程安全監(jiān)測設計中需要布置大量的監(jiān)測儀器，傳統(tǒng)的二維設計往往按照水工建筑物的部位及安全監(jiān)測的類型分別出圖；但對于大型工程，其建筑結構復雜、相關專業(yè)交叉多，可能導致監(jiān)測專業(yè)與其它專業(yè)出現(xiàn)設計上的沖突。對監(jiān)測專業(yè)而言，傳統(tǒng)設計無法直觀的展示監(jiān)測點與建筑物、各監(jiān)測點之間的全局關系。特別是在進行外觀設計時，外觀測點的布置因存在現(xiàn)場通視條件、測線夾角不確定等因素，設計人員在進行設計時需要進行大量的現(xiàn)場踏勘且后期設計修改工作較多。

利用CATIA三維可視設計，可以更直觀、更準確的展示監(jiān)測測點之間的相互空間位置，以及測點與水工建筑物、地形、地貌的相對位置關系，直觀了解監(jiān)測儀器的布置與其它專業(yè)、相關建筑物、工程整體結構是否存在沖突的問題，從而幫助設計人員克服二維設計中的局限性，增強設計過程的精準程度，進而提高設計效率和設計質量。

3 CAITA監(jiān)測設計與二維監(jiān)測設計的應用對比

在外觀監(jiān)測設計過程中，傳統(tǒng)的二維設計是在平面圖上概略選點，組成三角網，滿足精度估算指標。但受現(xiàn)場地形、通視條件等諸多因素制約，在實際建點時往往還需做較大的調整。采用CATIA進行外觀設計時可不受上述條件限制，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 二維設計圖中，通常只能查詢平面坐標，而三維設計可準確查詢Z坐標，從而更能方便設計。

(2) 在二維設計圖中很難看出各測點與建筑物之間的立體空間關系，而三維設計則具有直觀性，可在設計過程中發(fā)現(xiàn)潛在的不合理性，從而提高監(jiān)測設計精度，減少施工期因測點通視等問題帶來的設計修改。

(3) 當建筑物中布置的監(jiān)測儀器類型較多時，二維設計只能表現(xiàn)不同類型測點的大致位置關系，而使用三維設計則可以生成各角度軸測圖，從而能夠快速、直觀地了解各類儀器、測點的空間分布狀態(tài)，以及測點與建筑物的相對位置關系，對監(jiān)測設計檢查、校核等具有很好的幫助作用。

(4) 對于同一類型的監(jiān)測儀器，在進行監(jiān)測設計時，根據(jù)工程實際情況，因型號改變其外形尺寸也會相應變化。在傳統(tǒng)的二維監(jiān)測圖紙中，其監(jiān)測儀器詳圖常為示意圖，圖中的尺寸不符合比例、不規(guī)范。而利用監(jiān)測三維模板設計UDF模型，可以根據(jù)實際要求快速改變儀器各部位的尺寸，準確提供同一種類、不同尺寸監(jiān)測儀器的詳圖，進而提高了設計的產品質量。

4 溪洛渡水電站滑坡體外觀監(jiān)測設計中采用CATIA的應用實例

溪洛渡水電站水庫正常蓄水位高程600 m，死水位高程540 m，庫容126.7億m3。水庫沿金沙江干流全長為199 km，沿金沙江支流西蘇角河、溜筒河、牛欄江、西溪河等累計長度為35 km，涉及四川省的寧南、布拖、金陽、昭覺、雷波和云南省的巧家、魯?shù)?、昭陽、永善等地區(qū)。

根據(jù)相關工程資料反映，溪洛渡水庫蓄水至540 m高程時，水庫影響區(qū)庫岸失穩(wěn)后危害性較大的區(qū)域有23處。監(jiān)測專業(yè)針對庫區(qū)滑坡安全監(jiān)測開展了一系列設計工作。筆者僅對外觀監(jiān)測設計部分進行闡述。

根據(jù)工程現(xiàn)場的實際情況，結合CATIA軟件特點，設計人員在外觀設計時采用了以下途徑：①定位測點→②檢查測點位置→③查詢測點情況→④計算→⑤導入UDF模型→⑥生成報表→⑦按照二維出圖的路徑開展工作。 具體設計步驟如下：

(1)本次設計采用縮小1 000倍的surface單層地質模型。由于原始地形模型為0+250 km范圍的溪洛渡庫區(qū)模型，其范圍過大，為方便設計，在進行監(jiān)測測點布置前，首先在地形曲面上選定滑坡的監(jiān)測區(qū)域，生成地形曲面并對曲面進行發(fā)布，同時進入屬性管理，對曲面進行定義，以方便后續(xù)設計。

(2)在發(fā)布好的地形曲面上繪制表面變形測點并進入屬性管理，按測點的位置及類型進行編號。對于布置好的測點，可按設計需要檢查其布置的邊界條件及通視條件。若發(fā)現(xiàn)有不滿足要求的測點，根據(jù)實際情況更改邊界條件或調整測點位置，一個測點可能需要調整數(shù)次才能滿足設計要求，采用三維可視化可為測點的調整提供便利條件。

(3)由于單個庫區(qū)滑坡的設計僅為表面變形測點的布置，不涉及外觀控制網的計算，故本次三維外觀設計在確定了所有測點坐標后，使用外觀精度估算軟件進行計算，對于點位精度不符合設計要求時則調整點位并重新計算，直至其合格為止。

(4)監(jiān)測外部變形測點的種類分為外部變形觀測墩、水準工作基點、GPS觀測墩等，監(jiān)測專業(yè)在工程前期已根據(jù)不同類型的監(jiān)測測點建立了UDF模型并形成了UDF模型庫，在三維設計時，只需選擇UDF模型并導入地形曲面相應位置即可。對于導入后的UDF模型需檢查該模型的方向、位置等參數(shù)是否符合設計要求。

(5)CATIA三維外觀設計最終的成果還是以二維圖紙呈現(xiàn)。由于溪洛渡庫區(qū)滑坡較多，在設計時，對于每個滑坡單獨建立一個幾何圖形集，包括該滑坡的所有測點和滑坡范圍的地形曲面。

(6)在二維出圖階段，首先應利用地質模型建三維等高線、水位線等，根據(jù)設計二維圖的要求，選擇一個或多個幾何圖形集。進入二維出圖模塊，生成可表示出各滑坡相對位置的總布置圖和單個滑坡測點監(jiān)測布置圖，并對圖紙進行尺寸、測點編號等標注工作，以滿足出圖要求。由于三維模型和二維圖紙模塊具有相關性，在后期，若在三維模型中進行了設計更改，二維圖紙可以同步自動調整而無需重復修改二維圖(圖1、2)。

圖1 溪洛渡庫區(qū)滑坡局部三維模型圖

由CATIA生成的二維圖紙也可另存為Drawingl.dxf文件，通過Autocad軟件進行二維圖紙的編輯。但該二維圖紙與三維模型已不具有關聯(lián)功能。

5 結 語

圖2 溪洛渡庫區(qū)局部二維出圖

CAITA三維監(jiān)測設計作為一種全新的設計工作方法，大量消化、吸收了目前常用的二維設計中的經驗，將三維的設計理念融入監(jiān)測設計，從而提高了設計效率及精度。今后，可針對監(jiān)測專業(yè)的特點，對CAITA平臺進行二次開發(fā)，使監(jiān)測三維設計工作進一步深化。

通過CATIA三維設計，可以直觀地了解測點與地形地物、水工建筑物以及各測點之間的三維空間關系，使設計工作更為準確、快速。

通過測點的空間定位，設計者可以考慮多種設計方案，通過對比分析，優(yōu)化設計方案，形成設計分析與設計優(yōu)化一次完成，從而進一步強化了設計方案的合理性和可靠性。

由于三維設計過程及成果的可視化，可減少現(xiàn)場踏勘工作量，節(jié)約人力、物力，縮短設計周期，減少設計失誤。

目前，三維設計取代二維設計已為大勢所趨，其在國內水電工程監(jiān)測行業(yè)的應用雖然起步較晚，軟件的二次開發(fā)目前尚不夠完善，但該軟件對工程的實用性及其所具有的良好的模型擴展功能可為用戶提供一個嶄新的設計平臺，應用前景廣闊。

作者簡介:

李 菁(1984-)，女，四川成都人，助理工程師，學士，從事水電工程安全監(jiān)測設計工作.