CATIA在水工隧洞三维设计中的应用

CATIA在水工隧洞三维设计中的应用
摘要：由于我国水利水电工程的快速发展，水工隧洞设计工作已经引起相关部
门的重视，通过做好水工隧洞设计工作，不但能够提高工程项目施工的安全性，
而且有效保证水工建筑物的整体质量。

CATIA应用软件, 可以帮助工程设计人员在
全三维可视化环境下设计产品, 并对产品在整个生命周期内进行跟踪管理关键词：CATIA; 三维设计; 水工隧洞
在水利水电工程建设过程中完成水工隧洞施工之后，必须要运用混凝土材料
来进行隧洞封堵，使堵头和周围的围岩或混凝土形成一个完整的封闭体系，以此
来承受不同水位下的荷载。

水工隧洞堵头的设计质量和施工质量直接影响到整个
工程的安全性和稳定性。

因此，在水工隧洞设计过程中，设计单位必须要对水工
隧洞堵头设计工作高度重视，针对不同围岩的工程地质和水文地质条件，结合已
有支护或衬砌情况，以及相邻建筑物的布置及运行要求，具体情况具体分析，在
设计过程中不断积累经验，不断提高堵头设计工作的质量。

一、水工隧洞设计方法
1、结构力学设计方法。

对于结构力学设计方法的应用，是在隧洞结构力学基础理论知识前提下，充分的考虑水工隧洞水文条件和地形地质等情况，建立力学
模型辅助设计。

对于该项设计方法的应用，最明显的特征便是有明确的设计目标
和清晰的设计思路，可有效保障水工隧洞相关施工方案的合理性以及科学性，有
益于施工效率的提升。

2、有限元分析设计方法。

对于有限元分析设计方法的应用，主要是利用对单一变量法的控制，对影响施工隧洞设计内外因素进行详细的分析，可将隧洞设计
的科学性进行提升。

对于该设计方法的应用，具有非常强的匹配性和实用性。

在
应用的过程中，要针对洞内实际荷载的情况进行分析，针对围岩和锚杆等荷载能
力实施详细的计算，并依据最终的计算结果，调整好隧洞当中的开挖厚度和弹性
抗压能力。

对于该项设计方法的应用，在施工方案比较清晰的隧洞施工当中比较
适用，依据相应的设计需求，可将设计方案的可控性以及可行性进行提升，所以
该项设计方法也是主要的设计方法。

3、预期设计方法。

该项设计方法为依据水工隧洞的具体施工方案进行设计的，在正式施工之前，要做好相应的预判和预测工作，如施工产生的成本、进度以及
质量等，有益于保障施工的进度及质量。

在实施预测和预判时，要高度关注整体
布局的合理性等。

对有转弯段的隧洞进行转弯半径确定时，如果工程施工周期比
较长，要做好对转弯半径的合理把控，同时还应该对辅洞和支洞的设计以及施工
过程引起足够的重视，以便在确保施工质量的前提下提高施工进度。

4、功能反馈设计方法。

该设计方法需要使用当前先进的设计以及检测技术，可将水工隧洞功能要求的设计方法进行详细的调整，使其能够不断的完善。

在对
这种方法进行设计的时候，一定要提前对施工现场具体情况进行充分的了解和掌握，采集施工中出现的新问题，不断对设计方案进行优化完善，提升设计方案的
合理性，可更好地避免相关施工质量问题的产生，同时也可以有效提升工程施工
效率。

二、模板建立与调用
1、模板建立。

过去在水工隧洞设计过程中, 往往会遇到以下问题: 二维设计
过程中不能对多条隧洞进行有效地组装和干涉检查, 使检查过程复杂化; 隧洞进水口、洞线、洞形等诸多调整需要重新计算工程量, 重复性工作量较大; 在设计过程
中,需要根据地质条件来分析并调整隧洞, 二维设计可视化程度不高, 不直观, 调整较为麻烦且不精确。

CATIA 软件可将数十张二维图转化为真实、可视的三维模型, 并通过参数化的模板文件方便地进行方案的变更。

参数化设计通过提取结构中一些主要的定形、定位或装配尺寸参数作为自定义变量,利用公式、规则、检查等方式将模型关联化,可以方便地创建一系列形状相似的建筑物。

知识工程将一些经验公式、分析算法、优化计算、条件控制等智能知识打包到一个盒子中, 留出条件输入的参数接口, 使得设计人员只需明确目标模型所属的类型, 输入控制目标模型具体细节的关键参数,调用打包在模型内部的一系列计算公式及判断条件, 即可自动进行一系列内部运算与调整, 快速生成符合用户设想的几何模型。

利用知识工程规则对有压隧洞是否有调压井进行条件控制,代码如下:
模板是整个三维设计中的重要组成部分, 模板建立必须符合水工结构规范设计要求。

常用的隧洞形式有圆形、城门洞形、马蹄形等, 提取隧洞体形的主控参数作为自定义变量, 建立主控参数间的相关关系并进行一系列计算。

以建立隧洞截面类型 ( 将隧洞的常用类型均包含在内 )参数为例, 添加字符串类型变量并命名为圆形、城门洞形、马蹄形等, 利用知识工程规则, 将该参数的选择加以限制。

CATIA 中规则功能简单易懂, 整个过程使用 VB Script语言来实现。

if `截面类型 `= = "圆形 " {`洞身段草图集 \洞身内轮廓选择 `= `洞身段草图集 \洞身圆形内轮廓 ` `洞身段草图集 \洞身外轮廓选择 `= `洞身段草图集 \洞身圆形外轮廓 ` }if `截面类型 `= = "城门洞形 " 。

建立了/ 截面类型0参数, 应用模板时, 在规则限制下, 不同的截面类型将调用不同的草图轮廓并生成相应的隧洞实体。

同样, 可以通过其他尺寸参数控制隧洞其他草图轮廓, 如/ 隧洞衬砌厚0、/ 隧洞圆形洞洞径0、/ 隧洞平曲线半径0等, 从而完成隧洞模板的建立。

1. 2 模板文件应用与调用这里引入 UDF 概念对模板文件进行应用, UDF( user de- fined fea ture)是零件工作层面上的一种特征集合模板。

用户可以利用 UDF自定义创建应用特征并保存在目录浏览器中 ( Ca-t a log ), 并且可以选择插入y 用户特征来新建零件 UDF。

目录浏览器模块对整个工程模板进行统一管理及调用, 管理建筑物模板库见图 1。

打开模板文件界面, 用户在使用模板文件时, 通过单击菜单栏中工具选项下的目录编辑器, 找到模板文件存放位置, 即可完成模板的调用。

2、地质体建立。

生成隧洞模板后,需要依据实际地形地质情况应用其进行后续设计。

在CATIA 中, 地形体建立需要将 CAD 中地形等高线数据转化为点云 ( * . asc) 格式, 并导入/ D ig itized Shape Ed-i tor0模块中, 形成地表面, 然后导入勘探数据, 利用平面地质图和剖面图以及钻孔资料等对地表面进行细化, 得到最终的地质体。

CAT IA V5 R20以上的版本可以根据需要对已经形成的点、线、面、体进行修改, 与所修改的几何集相关联的几何元素都会随之自动更新。

例如: 如果后期钻孔数据有所增加, 则可利用 / M eshM o rph ing0命令, 对前期已经形成的地质体进行修改, 修改后自动更新功能会形成新的地质体, 可在新建立的地质体上进行隧洞开挖体分析。

将水工隧洞分为进水口、进口渐变段、洞身段、出口渐变段部分分别建模, 为便于不同工程应用, 在建模过程中, 充分考虑模板的通用性, 利用知识工程常用的知识元素公式、规则、设计表、检查等手段将设计标准、设计要求等限制条件嵌入到模板中。

将工程建筑物的坐标、轴线等骨架元素发布给各个专业并组合, 构成该工程的整体骨架,再将设计的模板按骨架定位在工程地质体上, 从而构成该建筑物在地质体上的真实三维模型, 并结合地形进行工程量统计。

可见, 骨架设计相当于不同工程与设计模板间的纽带。

根据 CAT IA制图标准化要求, 可以由管理员将制图系统环境进行规范化设置, 将一些统一的要求进行锁定, 防止用户更
改, 从而达到规范化设计与管理的目的。

总之，水工隧洞设计时，必须考虑隧洞的总体布置及功能功效的发挥，结合工程地质、施工方案、工期安排以及施工经验进行科学有效的设计，只有这样才能不断提升水工隧洞设计质量，才能对水工隧洞的设计方法不断创新和优化。

参考文献：
[1] 李志德 . 小断面长距离引水隧洞施工技术研究 [D]. 兰州理工大学，2017.
[2] 孙露 . 引水压力隧洞设计的相关问题探讨 [J]. 吉林水利，2017(02):3-5+12.
[3] 窦法荣，焦梦妮韦光林.某工程水工隧洞堵头设计施工总结[J].黑龙江水利科技，2018，42（02）：110-112.。