CATIA软件在水电工程三维协同设计中的应用

第４０卷第４期２００９年２月　　人　民　长　江Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　　Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．４Ｆｅｂ．，２００９收稿日期：２００９－０１－１２基金项目：水利部９４８科研项目“基于虚拟环境下的水利工程三维勘测设计集成技术”作者简介：王进丰，男，长江水利委员会设计院工程数字仿真中心，高级工程师。　　文章编号：１００１－４１７９（２００９）０４－００６８－０３ＣＡＴＩＡ软件在水电工程三维协同设计中的应用王进丰　李小帅　傅尤杰（长江水利委员会设计院，湖北武汉４３００１０）摘要：随着信息化的逐步深入，水利水电工程设计领域越来越需要大规模的分工与合作，需要跨专业、跨地域的基于网络化和信息共享的三维协同设计。提出了水利水电工程三维协同设计应关注的５类技术问题，结合ＣＡＴＩＡ软件，对三维设计、骨架、统一的三维模型、设计参数的管理和设计评审流程管理进行了研究。应用ＣＡＴＩＡ软件和协同管理模块ＶＰＭ能基本上满足水利水电工程三维协同设计的要求，功能上可以完成地质、水工建筑物、施工和机电专业的三维设计，其骨架设计思想、设计关联性和知识模板特别适用于工程预可研、可研、初设计阶段三维设计和方案的变更。关　键　词：三维协同设计；骨架；ＣＡＴＩＡ软件；应用；水利水电工程中图分类号：ＴＰ３９　　　文献标识码：Ａ１　概述水利水电工程投资规模大，设计和建造周期长，影响深远；参与设计的专业众多，工程设计管理复杂。尽管水利水电行业ＣＡＤ软件已经得到广泛应用，但还是“单兵作战”，由于专业间设计系统的不同，设计人员之间经常出现不协调，一个环节出现变更，反馈时间长，影响了工程的设计进程。随着信息化的逐步深入，水利水电工程设计领域越来越需要大规模的分工与合作，需要跨专业、跨地域的基于网络化和信息共享的三维协同设计。三维设计比二维设计有许多优势，三维表达直观（所见即所得），能发现和有效解决设计间的错、漏、碰等问题；一个数据源，为工程协同并行设计提供条件；可有效集成设计知识，包括规则性知识和过程性知识，促进知识重用，减轻设计工作量；模型关联，有效保证数据自动更新和一致。三维设计的这些优点更适用于水利水电工程多专业间的协同，适用于水利水电工程方案的设计。２　水电工程三维协同设计相关技术协同设计主要是指企业内不同设计部门、不同设计专业或者同一项目的不同设计企业之间进行协调和配合。水利水电工程设计参与专业众多，有测量、地质、枢纽布置、坝工、通航建筑、电站厂房、金属结构、施工导流、施工布置、水轮机和电气等专业，目前使用的主流设计平台都不具备协同设计功能。协同设计是一个系统工程，除了单独的设计功能外，还有相应管理功能，要实现水利水电工程专业间和专业内高效的三维协同设计，需要从三维设计功能和信息共享管理上关注以下问题的解决。２．１　地质、水工和施工等专业三维设计和数据关联当前大多数专业的ＣＡＤ系统是基于二维的，即使有专业采用三维设计，但专业间是以二维图形及说明文档形式传递设计成果，因下游专业应用该成果时必须对上游专业成果进行重新理解和构造，这样无法保证设计依据的即时性和有效性，设计变更时修改工作量大。三维模型容易理解，无多义性，各专业三维模型可以关联，设计变更快。在三维设计方面，目前业内有一种做法是采用地质软件ＧＯＣＡＤ做三维地质模型，用ＣＡＴＩＡ等软件做水工建筑设计，再将ＧＯＣＡＤ做三维地质模型手工导入，在ＣＡＴＩＡ中将三维地质模型和水工建筑物进行总装。虽然用这种方式可以完成水利水电工程三维设计，但这种采用异构三维软件来完成的三维设计不能保证设计关联性，例如由于新的钻孔数据而更新了三维地质模型，下游水工专业设计所依据的地质模型是不能自动及时更新的。水利水电工程各专业三维协同设计应该采用同构的三维设计软件，完成地质、水工建筑物设计、施工设计、机电设备布置等。２．２　总体骨架与局部骨架机械行业标准件设计组装，是采用自下而上的设计方法，是在设计初期将各个模型建立，在设计后期将各模型按照模型的相对位置关系组装起来。水利水电工程设计与之不同，采用自上而下的设计方法，先进行枢纽总体布置，再进行水工建筑物细部设计。　第４期　　　王进丰等：ＣＡＴＩＡ软件在水电工程三维协同设计中的应用图１　ＣＡＴＩＡＶ５Ｒ１９地质三维模型应用　　总体布置需要定义整个工程的关键定位、布置基准、各水工建筑物相对位置关系和重要尺寸，这与三维设计软件骨架设计思想相同，在工程总体设计初期就从工程装配的最高层面上考虑工程的设计结构，考虑和表达整体装配及各个子装配的相对位置关系，自上向下游传递设计数据表达，有目的规范地进行各专业设计。有了工程总体骨架，在总体骨架的驱动和关联下产生专业子骨架，子骨架可以继续向下派生传递，直至关联到具体的零件。骨架是设计思想传递的载体，上级骨架通盘考虑下级骨架及零件参数传递关系及驱动关系，前期的这些信息是后期详细设计的基础，所以设计后期发现的缺陷及违反设计规范的问题，可以通过更改相应的驱动骨架，后续的零件通过更新自动更改到正确的设计。２．３　统一的三维设计模型与参考目前设计内容的一些变更无法得到及时共享，导致与之相关的设计得不到最新的设计参考而产生错误。这对于高度协同化的设计工作而言，这种错误的结果不堪设想。数据从最初建立开始一直到整个工程设计周期，都需要实现数据共享，设计者之间可以相互参阅，即时发现设计中的毛病，这样对提高产品设计质量、缩短设计周期有很大好处。水利水电工程三维协同设计需要统一的数字化电站数据源，通过统一管理设计模型和设计参考，保证各专业在最新版本的三维模型上工作，任何专业的修改对其他专业的影响能即时体现，同时方便定义角色、分配权限，防止越权修改和误操作等。２．４　设计结构、参数、关联信息和知识的管理在传统的二维设计中，零件的表达和它的有关设计参数无法完全放在一起，当然也没有直接的关系，这些技术资料的保存和更新都十分麻烦。三维参数模型含大量结构、参数、关联和知识信息，将数据库技术和三维设计技术结合，深入到三维模型内部，便捷地提取这些信息，准确迅速地进行查询、统计和管理等。２．５　设计评审流程管理和交流三维设计评审流程：三维设计—三维校核—三维评审—三维发布。协同平台需要对设计流程进行定义和管理，对设计模型的意见和建议能在模型上进行批注，保证协同设计人员通过网络对三维模型进行实时浏览、批注，提供交流功能，对设计进行即时交流和通信，在网络上开会进行评审。３　ＣＡＴＩＡ软件在三维协同设计中的应用ＣＡＴＩＡ软件是法国Ｄａｓｓａｕｌｔ系统公司的产品，能将地质、枢纽、施工、机电整合一起进行水利水电工程三维设计，其协同模块ＶＰＭ管理设计模型、结构、骨架、参数、关联信息，定义角色，提供设计校核、评审功能，方便设计人员即时交流。３．１　应用ＣＡＴＩＡ软件进行水利水电工程三维设计地质专业根据测量点云和等高线数据建立坝区三维地形，根据平面地质图、产状线、钻孔数据建立地层分界面和地表覆盖层，对工程关心的区域进行分割划分，建立三维地质模型（见图１）。坝工专业沿坝轴线对地质专业提交的地质模型剖切产生地质线，根据地质线进行开挖线设计（挖到覆盖层以下），根据设计高程、设计水位等参数设计大坝轮廓，最后完成大坝三维参数设计和开挖面设计。有了三维地质模型和三维大坝模型就能很方便准确的计算大坝工程量和开挖量（见图２）。图２　ＣＡＴＩＡ大坝三维设计应用３．２　应用ＣＡＴＩＡ软件骨架设计思想进行协同设计骨架设计思想是先总体规划，后细化设计。采用自上而下的设计方法，整个工程先进行总体枢纽布置设计，在总体骨架控制驱动下，各专业完成本专业子骨架设计，继续向下驱动、关联直到由设计人员完成具体的零件（见图３）。骨架能协调多专业协同并行设计，例如厂房内部机组轮廓设计是参考水机专业提供的机组开挖面剪切得到的，在水机专业水轮机选型未确定的情况下仍然可以进行设计，水轮机选型确定后，将其外形传递驱动到厂房专业，厂房专业认可刷新即可以得到新厂房模型（见图４）。更改骨架，设计将自动更新修正，例如修改大坝设计方案，只需要修改大坝控制骨架，修改轮廓、参数、公式等，刷新后得到大坝新的设计方案（见图５）。９６　　人　民　长　江２００９年　图３　整体骨架与专业子骨架关系图４　专业协同并行设计应用图５　控制骨架更新大坝设计方案３．３　应用ＶＰＭ模块管理数字电站模型和参考ＶＰＭ模块将数字电站数据源存储到数据库和电子仓库服务器上，定义统一命名规则、分类和属性，构建最新版本数字电站模型和参考。同时为人员赋予访问权限和规则等，来实现数据共享、协同和重用。ＶＰＭ模块与ＣＡＴＩＡ集成后，零散的各自设计转变成集中在线设计，并能发挥以下优势：（１）确保设计数据的最新有效，某个数据更改，其他设计人员能立刻获得，保证即时协同，减少设计数据的重复和不准确性。（２）唯一工程设计结构树，所有的设计人员都会拥有同一个工程设计结构树，相互间数据的参考和引用更快捷。（３）严格数据安全管理，规范数据存取机制。总之，ＶＰＭ模块使每个设计人员在工程整个设计过程中都能使用统一数据库中的数据和最新版本的模型，保证设计数据的一致。３．４　ＶＰＭ模块管理三维模型结构、参数、关联和知识ＶＰＭ将ＣＡＴＩＡ模型暴露到特征级别进行查询、统计和管理，内容不仅仅是三维设计模型，还管理完整的产品结构、零部件引用、零部件实例、装配特征、装配约束、发布、上下文链接等。其主要优势体现在对结构非常复杂、多关联产品的管理，利用ＶＰＭ的影响图分析工具可以清晰查询分析ＣＡＴＩＡ数据间的多种复杂关联关系，设计者在变更设计数据前可估算上游数据对自己的数据、自己的数据对下游数据的影响程度。图６是分析某工程电气设计关联影响关系，快速获得数据更新同步状态。图６　数据的关联影响关系分析应用ＶＰＭ的上下文链接功能，设计人员不再是孤立的工作，可以通过构建设计环境，将其他专业的三维数据打开，作为设计的参考，确保设计正确性。图７是获得的导流洞进口附件参考数据。图７　选择参考导流洞进口附近区域在使用ＣＡＴＩＡ过程中积累了大量的知识模板，利用ＶＰＭ能有效管理、维护企业知识模板，使设计人员方便共享设计知识，简化设计过程。３．５　应用ＶＰＭ模块管理设计评审流程工程设计中设计人员之间的沟通无时不在，ＶＰＭ模块即时的消息互发可以进行快速的沟通和反馈，在网络环境下流转圈阅，对设计结果进行校核，在网络上召开会议，评审设计方案。ＶＰＭ模块与ＣＡＴＩＡ集成后，将设计与设计管理平台统一，审查信息会以技术包的形式记录下来，设计与审查环境统一显示了以下优势：（１）设计和审查统一平台，提高审查数据的准备和设计修改的效率。（２）三维的数字化审查和电子报告会议，使交流更直接。（３）分阶段分层次的审核方法，让设计问题最早暴露，降低更改成本。总之，ＶＰＭ能在安全的前提下给工程设计人员提供信息，即时交流，网络校核和评审，将个人的静态单机设计扩展到项目的动态网络设计，减少差错，提高设计效率。（编辑：徐诗银）０７