CATIA在南水北调中线工程渠道开挖中的应用

　　随着三维化设计软件的出现，各个行业也逐渐开始采用三维软件进行产品设计，三维技术在机械、电子、航空、航天以及建筑等部门也得到广泛的应用。CATIA 软件是由法国达索系统公司开发的大型高端CAD/CAE/CAM 一体化应用软件，广泛应用于航空航天、汽车、机械、造船、通用机械、数控加工、医疗器械和电子等诸多领域。文章结合南水北调中线一期工程总干渠焦作2 段第五标段开挖工程量计算，阐述了利用CATIA 软件在渠道开挖工程中进行应用的效果，并提出三维设计在施工现场管理中的应用优势所在。

1、工程概况

　　南水北调中线一期工程总干渠焦作2 段第五标段在设计桩号Ⅳ61+500～Ⅳ66+960，始于中州铝厂工企站铁路桥，止于纸坊河渠道倒虹出口，总长度5460 m，其中渠道长度4873 m，建筑物总长587m，该渠段位于河南焦作市修武县境内及马村区。第五标段渠段共有各类建筑物13 座，其中：河渠交叉1 座，左岸排水1 座，铁路桥5 座。渠道为梯形断面，设计渠底宽度为16～17.5 m，渠道内一级边坡为1：2～1:2.25，渠底高程96.37～95.962 m，一级马道(堤顶)宽5.0 m，渠道纵比降为1/23000。

2、建模思路及步骤

　　在本工程中，开挖计算包括渠道、倒虹吸、左岸排水等建筑物开挖，以典型的渠道开挖为例，利用三维方法建模，倒虹吸、左岸排水等开挖建模方法类似。通过构建三维地形、渠道轴线、渠道开挖面，快速计算得到了该部位的开挖工程量。工程，渠线长，渠道、倒虹吸等建筑物交叉布置，因此开挖工程量计算比较繁重，同时，在施工过程中，往往会遇到现状地形地貌的变化与测量提供的数据不符等影响，在工程量计算过程中，有可能需要调整开挖坡比或开挖的深度，如果建立三维地形体进行三维开挖，在可视化的条件下，利用参数对渠线的开挖进行控制，软件自动更新，会给工程量计算带来极大的方便。

　　项目施工阶段的工程开挖资料往往会一直伴随至项目最终阶段，例如一段渠道的开挖，以往可能需要数十张断面图、excel 表、二维图等，工程信息存储量较大，且查看起来不直观，考虑所有的开挖工作均存储在一个带三维地形的模型中，当需要在某个桩号查看剖面时，软件动态切割工具对关注位置进行切割，将开挖剖面由传统的二维表达方式转化为更为直观化、可视化的三维表达方式。具体建模步骤如下：提取工程二维地形图的点云数据，分析、处理生成三维地形体;根据AUTOCAD 中的渠道线路，将渠线布置在三维地形体上;建立开挖轮廓线，通过拉伸、扫掠等命令构件开挖面;开挖运算，并进行工程量计算等。

3、工程三维设计过程

　　3.1、建立三维地形体

　　利用三维方法进行渠道开挖计算，首先就需要建立三维地形体，由实测的CAD 地形图通过数据转换成CATIA 软件可读取的asc 格式文件。要注意以下几点。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“Digitized Shape Editor”模块中，将不正确的高程数据依据需要进行修改编辑，初始点云的导入直接关系到后续工作的质量与精度, 因此对点云数据的修改要慎重;应用Mesh 面创建命令创建整个地形Mesh 网格面, 特别注意，根据点云形成的三角网格面片在修改时也会影响到拟合的曲面质量, 特别是三角网格面片的周边一圈网格, 有时候软件会将某些明显不应该连接点也形成线和网格,因此需要剔除;有些网格则是过大、过小或者形状过于奇异, 使用特定的命令可以对它们进行修正，对生成的Mesh 面进行分析、处理，检查生成的三角网格的质量。

　　3.2、建立渠道开挖模型

　　将设计图纸提供的线路，布置在catia 三维环境中，定位轴线位置后，绘制渠道的轴线，之后依据渠道开挖图的开挖坡度，最终形成渠道开挖面。如图1、图2、图3 所示，具体步骤如下。第一，在草绘环境中，选择渠道轴线起点，在XY 平面中画出渠道轴线平曲线，再将平曲线拉伸成曲面，并展开曲面形成展开面，再在展开面上画出渠道坡度，折叠后最终形成渠道轴线，如图1 所示。

图1 建立渠道轴线示意图

　　第二，建立一横向垂直平面，法线方向为渠道轴线;在草绘环境中画出渠道开挖边坡轮廓线，这时候如果要考虑修改问题，可以定义参数对轮廓进行尺寸约束，由于软件本身带有参数化功能，当需要修改如坡度、马道长度等参数时，程序自动更新功能无需再重新建模，如图2 所示。

图2 建立边坡轮廓示意图

　　第三，进入创成式外形设计模块，利用扫掠命令拉伸出渠道开挖面，扫掠轮廓选择边坡轮廓，引导线选择渠道轴线;最终形成渠道开挖面，如图3 所示。

图3 建立开挖面示意图

　　3.3、工程量统计

　　渠道开挖轮廓建立后并定义工作对象后，选择“插入”-“分割”命令，要分割的对象选择地形体，分割面选择开挖面，确定后，程序会自动完成整体开挖工程量的计算，选择测量命令，工程量即可得出。

4、体会与建议

　　在已建好的三维地形体上，查看渠线布置与周围地形的关系是否满足设计要求，准确、直观、快捷地反映出了开挖量，体现了可视化的优越性，并且土方开挖量根据现场施工需要，自动更新，得到新的工程量，与真实三维地形体的结合，计算出的工程量与普通的二维计算(断面法)相比，工程量获取精确、简单、快捷。

　　在本工程中，还有渠道、倒虹吸、桥梁等其他建筑物，同样可以应用catia 三维建模方法在开挖后的地形上进行建立，构建工程三维化模型，对一些复杂、二维图空间想象较为困难的工程，应用可视化的三维模型，会给施工人员带来极大的方便。另外，断面控制点坐标也可以输入进模型中，与现场测量以及实际地形地貌进行对比分析，调整。

　　作为现场施工技术人员掌握此技术，会大大提高现场开挖工程乃至建筑物混凝土浇注工程量的控制能力。三维设计不是简单的三维建模，它不仅真实地反映了三维实体特征，还融入了许多知识重用、标准和既有经验的校核等等，这是一个系统工程，需要不断的探索。有理由相信，随着计算机软、硬件的发展和施工水平机械化、自动化程度的提高, 三维设计最终会成为主流，广泛应用于施工现场的质量控制、成本控制等各个方面。