CATIA软件在道路三维动态规划设计中的应用_黄少华[1]

第45卷第14期2014年7月
人民长江Yangtze Ｒiver Vol．45，No．14July ，2014
收稿日期：2014－04－10
基金项目：水利部科技推广计划项目“水利工程虚拟仿真技术推广与应用”(TG1418);水利部“948”计划项目
“水利工程勘测设计三维协同技术”
(201308)作者简介：黄少华，男，高级工程师，博士，研究方向为水利地理信息系统、水利工程三维设计、水利工程虚拟仿真技术。

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mail :huangshaohua@cjwsjy．com．cn
文章编号：1001－4179（2014）14－0061－03
CATIA 软件在道路三维动态规划设计中的应用
黄少华，万
军，王进丰
（长江勘测规划设计研究院建筑设计院，湖北武汉430010）
摘要：针对目前道路工程三维设计软件某些功能的不足，介绍了采用三维设计软件CATIA 进行道路规划设计的方法与流程。

与传统设计软件相比，
CATIA 软件不仅可通过三维参数化及模板技术建立道路三维动态模型，而且当规划设计方案变更时，可通过修改设计参数的方式方便快捷地调整道路三维设计模型;此外，CAT-IA 软件还能自动计算工程量、填挖量，生成工程二维CAD 图。

运用CATIA 软件可显著提高道路工程的动态设计效率。

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键
词：CATIA ;道路规划;道路设计;三维设计
中图法分类号：U41
文献标志码：A
水利水电工程建设中，要涉及进场公路、施工道
路、营地公路等道路的规划设计。

规划阶段，存在大量的线路比选工作，对于每一个方案都要进行平面和纵、横断面设计，并计算相应的工程量、开挖与填方量。

设计阶段，需要绘制大量图纸，施工过程中还需要根据现场情况进行大量的变更设计，一个方案的确定往往需要经历多次的设计－反馈－重新设计过程。

传统的道路二维平面设计方法用平、纵、横来表达道路的三维空间位置，设计人员仅依靠道路的平、纵、横二维设计数据来对道路规划设计方案进行合理性评价，其缺点是对多种道路设计方案不能实现快速直观的比对，存在工作效率低、精度差等问题。

三维可视化规划设计作为土木设计行业的发展方向，正逐步应用
在道路规划设计中，如宋占峰等［1］；符锌砂［2］；秦涛等［3］；王国锋等［4］
均在三维可视化规划设计方面进行
了有益的探索，也取得大量成果。

但上述研究只是对
地形构建与道路整体三维模型进行了探讨，实现了道路设计数据的三维可视化，还没有实现真正的道路三维动态规划设计。

另外，国内软件公司按照我国现行道路设计的规范和标准，基于AutoCAD 软件研发了比较优秀和实用的道路三维规划设计软件，如维地、鸿业
道路辅助设计软件，用于等级公路、互通立交、城市道
路及平交口的三维设计，具有参数化、模板功能［5］
，但这些软件的参数化关联设计以及地形曲面处理功能有限［6］。

针对上述应用软件功能的不足，本文介绍采用三维设计软件CATIA 进行道路三维动态规划设计的方法与流程。

所用的CATIA 软件是法国Dassault Sys-tems 公司应用于工程设计与仿真的三维软件产品，已广泛应用于航天、汽车、机械、船舶等领域，近年来在国内也逐步应用于水利水电工程等土木设计行业。

CATIA 具有较强的曲面处理与分析功能，能够处理与
分析高精度的三维地形数据［7］
；CATIA 具有全三维参数化设计功能，能实现道路工程结构设计的全参数化
约束，这样，当设计方案变更时，可通过调整设计参数实现三维设计模型的快速动态修改；CATIA 具有完备的知识工程功能［8］
，可建立道路典型横断面、结构设
计的通用模板库，实现知识重用，可以快速重用于新的道路规划设计中。

1CATIA 道路三维动态规划设计流程
（1）根据一定的规则，将道路进行分段设计；
人民长江2014年
（2）收集道路规划设计的基础资料，如地形、地质、社会经济等资料，以及前期规划或土力学计算的成果，如道路中心线的坐标、路基高程、道路边坡坡比等设计参数；
（3）根据地形资料建立道路的地形三维实体模型，并在其上布置道路中心线；
（4）建立道路横断面三维参数化设计模板，模板各部位的尺寸和形状应尽量采用参数化设计，以方便调用；
（5）沿道路中心线布置道路各横断面设计模型，将道路各横断面设计模型采用“多截面曲面”方式进行结合，生成道路的三维参数化设计曲面模型；
（6）将道路的三维参数化设计曲面模型与地形三维实体模型进行相交，生成道路的开挖体和填方体，以及经过道路挖填后的地形三维实体模型；
（7）在道路挖填后的地形三维实体模型基础上，进行路肩、边沟、绿化带等道路详细结构三维设计，生成道路三维设计整体模型；
（8）统计各类工程量，以及开挖和填方量；
（9）根据制图标准，建立出图样式、布局，并根据道路三维设计整体模型生成平面布置图、纵断面图、横断面图等。

2道路分段设计与设计模型管理
由于受数据处理能力及容量的限制，以及从方便设计分工与数据管理角度出发，一般将道路进行分段设计，地形变化大的地方分段密，反之则稀疏一些，但段距也不宜过大。

根据CATIA软件对地形数据的处理能力，分段道路的长度一般应在15km以内。

基于CATIA软件的协同设计模块或通过Excel索引文件，与道路分段的三维设计模型进行链接，采用文件目录索引的方式进行道路分段三维设计模型的管理。

通过CATIA软件中道路分段设计模型的管理目录树，可以任意调用相应路段的三维设计模型成果。

3建立地形三维模型
按工程二维CAD图的出图要求，地形精度的比例尺应在1ʒ1000及以上，地形数据的范围为道路两旁各延伸1km左右，长度在15km以内。

CATIA软件中，三维地形既可以采用不规则三角网来（TIN）描述，又可以采用曲面方式描述。

地形的输入格式，可以是基于AutoDesk*．dwg方式的三维等高线，也可以是点云方式，还可以是基于ArcGIS TIN文件格式的地形数据，导入CATIA软件后，生成以TIN描述的地形三维曲面模型。

将地形三维曲面模型与同范围大小的长方体三维实体模型进行相交，生成地形三维实体模型。

4布置道路中心线
首先进行道路的平面曲线设计，然后将道路平面曲线在地形三维模型上投影即生成道路中心线。

道路平面曲线设计要确定道路的走向和平面组成要素，以及各要素的参数信息，最后定出道路各桩号坐标。

道路平面曲线初步确定后，在CATIA软件中将道路平面曲线的三维点（包括X、Y、Z坐标）逐个添加布置，或采用Excel表格文件从外部文件导入道路平面曲线各点的坐标序列，然后将各点连接。

操作时可以根据地形、地貌的情况（如坡度和平滑要求），对道路的平面曲线设计进行调整，然后再投影到地形三维模型上，即生成调整后的道路中心线。

在CATIA软件中，可以采用展开、调整、折叠的方法调整道路平面曲线在地形三维模型上的投影线。

上述中心线布置方法如图1所示。

图1在地形三维模型上布置道路中心线
5道路横断面设计
道路横断面是指道路中心线各点的法向切线，设计中采用统一的方式描述各种类型的道路横断面，包括全挖方路段、全填方路段、半挖半填路段，典型的道路横断面还应设置多级马道。

为简化表示，本文设计的道路典型横断面为梯形，包括道路开挖、填筑横断面，如图2所示。

在道路横断面统一描述方式下，挖方和填方路段共用路基面，路基面以上为挖方路段横断面，路基面以下为填方路段横断面。

采用参数化描述道路横断面，设计参数包括，路面宽、道路开挖坡坡比、道路填筑坡坡比、开挖坡坡高、填筑坡坡高等。

先在CATIA软件中制作道路横断面参数化设计模型，并保存为三维参数化模板的形式，以便调用。

随后，调用道路横断面三维参数化模板，依次在道路中心线上布置各横断面参数化设计模型，根据实际道路横断面的设计方案，可修改和调整设计参数。

在CATIA 软件中采用“多截面曲面”命令将整个路段的各横断面设计模型连接起来，生成路段的整体参数化设计曲面模型。

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第14期黄少华，等：CATIA
软件在道路三维动态规划设计中的应用图2
道路开挖、填筑典型横断面设计
6生成道路基本设计三维实体模型
将路段的整体三维参数化设计曲面模型与地形三维实体模型进行布尔相交运算，根据相交关系，可以确定该路段是全挖方、全填方路段还是半挖半填路段。

对于全挖方路段，将路段的整体三维参数化设计曲面作为切割面对地形三维实体模型进行切割，切割面以上的地形三维体即为道路开挖体，根据道路开挖体可统计出开挖量。

切割面以下的地形三维体即为道路开挖后的地形三维体，见图3。

对于全填方路段，根据路段的整体三维参数化设计曲面模型可生成路段三维实体模型，将地形三维曲面作为切割面对路段三维实体模型进行切割，切割面以上的路段三维体即为路段填方体，依据路段填方体可统计填方量，见图4。

图3
经道路开挖后的地形三维模型
图4经道路填筑后的地形三维模型
对于半挖半填路段，
要将半挖半填路段分别当作全挖方和全填方路段，按照上述方法建立路段的开挖体和填方体，统计出开挖量和填方量。

在挖填后的地形三维实体模型基础上，进行道路细部结构如路肩、边沟、绿化带等的三维设计。

7统计工程量和出图
在道路三维设计过程中，将上述地形开挖体、道路填方体、路基体、路肩、边沟等的三维实体设计模型分
别放入相应的几何体中，随后可以采用CATIA 中的体积测量工具统计工程量、开挖量与填方量等。

以上述道路三维设计模型为基础，切换到CATIA “工程制图”工作台则能方便地生成工程布置图及各类工程设计视图。

需要说明的是，由CATIA 三维模型切割生成的工程二维图，尺寸标注不能智能布置，有重叠和压盖的现象，需要在CATIA “工程制图”工作台或者二维Auto-CAD 软件中重新绘制或者调整，然后再在工程二维图上布置图框、图签、比例尺、指北针等，即可完成二维CAD 图。

8结语
综上所述，
CATIA 软件具备强大的地形曲面处理和三维参数化造型功能，应用在道路规划设计中具有如下优势。

（1）可完成从地形测量成果到生成道路二维设计图的所有设计过程。

（2）采用了三维参数化设计技术，可建立道路三维规划设计动态模型，保持设计对象（如地形、道路中心线、道路横断面等）之间的智能关联关系。

如果三维模型的任何部分发生变更，所有关联的部分亦会随之动态更新。

（3）根据道路工程三维规划设计动态模型，可以自动生成道路平面布置图、纵断面图、横断面图，并易于保持制图标准的统一性。

（4）可以方便计算各种分类工程量。

同时，目前应用CATIA 软件进行道路规划设计也存在一些缺陷尚待优化，如CATIA 软件没有嵌入道路设计规范和标准，导致设计校核工作量大，如果在CATIA 软件中定制道路设计知识工程模板，嵌入相应的规范和标准，将能更高效地应用到道路规划设计中。

（下转第81页）
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6
第14期霍幼文，等：大型电站离心泵的节能设计
6结论
采用传统方法设计的离心泵，通过UG三维建模及ANSYS数值模拟，在空间曲面检查及流场分析等方面发现有明显的缺陷。

导叶体叶片表面的曲率半径变化不够流畅，相邻叶片之间存在较大的涡流损失。

通过调整叶片的进出口角、优化叶片的表面形状以及相邻叶片间的流体通道形状，消除了相邻叶片之间的涡流，减小了叶片出口的旋转分量，降低了沿程摩擦损失及涡流损失。

经过多次优化设计及模拟分析，水力性能得到了明显提升。

最终通过了试验验证，达到了预期的结果。

采用UG三维软件进行优化设计，以及运用AN-SYS软件进行数值模拟计算分析，并与传统的设计理论和经验相结合，可为电站提供更多更好的节能产品。

致谢：
李海峰博士在该项目中给予了大力支持，在此表示感谢!
参考文献：
［1］潘再兵，周文朝，施永涛．电站泵的节能与创新［J］．通用机械，2007，(S2):12－15，23．
［2］孙建平，张克危，贾宗谟．泵优化水力设计的现状及展望［J］．水泵技术1994，(5):12－15．
［3］郭建平，邢海仙，闫黎黎．高扬程大容量离心泵主要参数优化设计［J］．人民长江，2013，44(12):75－79．
［4］彭玉成，张克危，陈喜阳．基于CFD数值解析的轴流泵优化设计［J］．水泵技术，2005，(5):24－26．
［5］陈坚，郑玉春，丘传忻．大型轴流泵前置导轮的研究［J］．水利学报，1995，(10):8－14，22．
［6］关醒凡．现代泵理论与设计［M］．北京:中国宇航出版社，2011．
(编辑:赵秋云)
Energy－saving design of centrifugal pump in large hydropower station
HUO Youwen，PAN Zaibing，TANG Qiping
（Shanghai KSB Pump Co．，Ltd．，Shanghai200245，China）
Abstract：In a high lift centrifugal pump improvement project，it is required to increase the flow，head and energy－saving ef-ficiency with fixed installation dimensions．The vane airfoil and flow field are analyzed by applying UG3D modeling and CFD nu-merical simulation technology．With consideration of the traditional design theory and experience，the improvement is conducted by selecting suitable methods，i．e．，increasing the impeller diameter and exit width，adjusting the sizes of impeller front shroud and diffuser casing，modifying the geometrical shape of impeller vane and guide vane，so as to reduce the hydraulic loss and meet the requirements of flow and lift．Through repeated analysis and improvement，the simulated hydraulic efficiency is obviously im-proved at the required operating point of flow and head．The final test has met the requirements as expected．
Key words：centrifugal pump；energy－saving design；numerical simulation and optimization；
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
cross configuration
（上接第63页）
参考文献：
［1］宋占峰，詹振炎，蒲浩．道路整体三维模型构建方法的研究［J］．中国铁道科学，2003，24(4)．
［2］符锌砂．公路实时三维可视化系统构架［J］．中国公路学报，2007，20(6)．
［3］秦涛，许振辉，费韵，等．基于设计数据的道路三维动态建模［C］//中国公路学会计算机应用分会2010年学术年会论文集，
呼和浩特，2010．
［4］王国锋，王小忠，许振辉，等．真三维道路智能设计系统及其应用［J］．公路，2011，3(3)．［5］冯振萍，冯晓东．纬地道路辅助设计软件特点及应用［J］．内蒙古公路与运输，2010，(5)．
［6］刘超．鸿业市政道路设计软件在道路设计中的应用及常见问题［J］．林业科技情报，2013，45(4)．
［7］王进丰，李小帅，傅尤杰．CATIA软件在水电工程三维协同设计中的应用［J］．人民长江，2009，40(4)．
［8］黄志澎，薛利军，张燕，等．基于CATIA平台的水电三维标准件模板库［J］．水电站设计，2009，25(4)．
(编辑:郑毅)
Application of CATIA in3D dynamic design of highway projects
HUANG Shaohua，WAN Jun，WANG Jinfeng
（Changjiang Institute of Survey，Planning，Design andＲesearch，Wuhan430010，China）
Abstract：The application method and procedures of CATIA software in planning and design of highway project is presented for solving some problems in3D dynamic design of highway project．In case of alteration of design solution，the3D highway dynamic model established by technologies of3D parameterization and template can be adjusted conveniently by altering the related design parameters．In addition，the CATIA can calculate the engineering quantity and filling－excavation volume automatically and gen-erate2D CAD drawings．Compared with conventional2D design method，the CATIA can improve design efficiency significantly．Key words：CATIA；planning of highway；design of highway；3D design
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