汽车、机械制造等领域应用广泛。
在水利行业，CATIA也正在快速运用于水电项目的设计、施工与管理。钟登华等搭建了基于CATIA的堆石坝施工动态仿真平台[6]。王天兴等基于VB对CATIA进行二次开发，实现了基于CATIA的土石坝的边坡稳定计算[7]。李小帅等以CATIA与3DS MAX为平台，结合CG知识库，构建了水电工程三维可视化仿真场景[8]。黄志澍等提出了基于CATIA创建三维水电标准件模板库的一般步骤，通过灵活应用模板库构件模型，可以大大提高设计效率和精度[9]。王晓龙等提出了基于CATIA的水电站引水系统三维设计方法，并结合CFD有限元计算，进行设计优化[10]。此外，诸多学者还进行了基于CATIA的水电站枢纽工程三维设计与应用的相关研究 [11-13]。
2 基于CATIA的堤防工程设计建模
2.1 堤防工程的设计特点
堤防工程作为防洪工程体系的重要组成部分，是防御洪水的最后一道屏障。堤防工程一般具有线路长、沿线地形地貌变化大、堤身填筑断面标准化等特点。正是如此，不同堤段的工程措施可能多变，需根据不同的地形地质条件采取相应的治理措施，比如反压平台、堤外硬护坡和堤身堤基防渗等。
目前堤防工程设计仍然以传统的二维设计为主，尚未见到三维设计的相关研究。由于堤防工程线路长、工程措施多变的特点，传统二维设计工作十分繁杂，特别是在施工图阶段，一般需要每隔50 m绘制横断面来进行工程设计和工程量统计，一旦设计方案调整或优化，图纸修改工作量巨大，严重影响工作效率，成为困扰设计人员的一大难题。
第7期 朱 飞 ，等：基于CATIA的堤防三维参数化设计 人 民 长 江2019年 2.2 建模思路
为了提高效率以及产品精度，开展三维堤防建模的研究与应用势在必行。三维堤防建模的两个关键点在于：① 构建满足施工图精度要求的三维地质模型;② 建立参数化堤防实体模型，便于批量化建模及修改。因此，堤防工程三维建模需要各个专业协同设计完成，其一般思路可以概括如下（见图1）。
（1） 三维地质模型。三维地质模型一般由地质专业和测量专业负责，需要精确地反映工程区域的地形和地质情况。堤防工程的堤基地质条件是设计关注的重点，要求模型中能够将各地层信息、透镜体等特殊地质结构体现出来。为了便于水工专业提出合理的基础处理措施，还需要模型能够简单快速地给出各地层的地质属性和参数。
（2） 骨架模型。水工專业人员通过分析工程特点，建立骨架模型，骨架模型一般为模型的关键控制点、线和面，自顶而下控制三维设计模型。骨架为布置设计的结果，一般会随着布置方案的调整而改变。在堤防工程中，一般可以将堤顶轴线上的控制节点作为骨架模型，一旦轴线需要调整，则只需更改骨架模型中的设计信息，就会改变整个模型，便于控制和轴线变化相关的设计变更。
（3） 堤防三维实体模型。水工人员基于骨架模型，通过导入堤防控制节点信息，生成堤防轴线，然后基于堤防断面的参数化模板，可快速生成初步的堤防实体。为了完善结构设计，还可以通过建立护坡、垫层、堤顶道路等细部结构的参数化模板，来快速生成细部结构实体。将三维地质模型和堤防实体结合，通过布尔运算等操作，可建立堤防三维实体模型。
（4） 工程运用。基于已建立的堤防三维实体模型，可实现工程量统计、堤防剖面二维出图以及通过生成轻量化模型导入到便携设备，现场指导施工。
2.3 模型实现
2.3.1 工程概况
洪湖东分块蓄滞洪区位于长江中游北岸，湖北省洪湖市境内，是洪湖分蓄洪区的重要组成部分，是处理城陵矶地区超额洪水，保障荆江大堤、武汉市防洪安全的重要组成部分[14]。
洪湖东分块蓄滞洪区由腰口隔堤、洪湖监利长江干堤、东荆河堤和洪湖主隔堤组成（见图2），其中腰口隔堤工程全长25.949 km，为新建堤防，设计蓄洪水位30.48 m，堤顶超高2.0 m，设计堤顶宽度8.0 m，内外边坡均为1∶3，在隔堤背水坡高程28.48 m处设置宽度为3 m的戗台。由于蓄洪区水面广、吹程长，因此隔堤堤外坡采用植生块护坡，护坡长度为25.469 km。根据运行特点，植生块护坡范围为堤顶以下高度4.0 m范围内，护坡厚度为15 cm，堤外坡28.48 m高程设置M10浆砌石脚槽（0.6 m×0.9 m），坡顶设置C20混凝土封顶（0.2 m×0.5 m）。腰口隔堤典型断面如图3所示。
腰口隔堤堤基上部黏土厚度不大，下部为淤泥质土，存在沉降变形问题。针对这类软基，拟在堤内外设置反压平台，堤内外坡反压平台高2～3 m，宽15～20 m。该工程还采用塑料排水板作为竖向排水体，砂垫层作为水平排水体来保障排水固结效果。
2.3.2 地质建模
根据堤防三维勘测设计建模的一般思路，地质建模由地质专业和测量专业协同完成。在建立CATIA水利水电三维地质建模平台基础上[15]，对于堤防工程，基于曲面建模的思路，根据实测钻孔资料生成三维地质体，如图4所示。另外，通过开发地质体属性插件，可快速标注地质体地层岩性、物理力学性质等属性特征及地质体典型照片，实现了地质及工程信息的集成，设计人员可以快速、方便地查询地质模型的属性，有利于提高三维协同设计效率。
地质建模过程中发现地形面模拟的精度直接影响到模型的精度，进而影响到工程量的计算精度。以腰口隔堤为例，假如地形面高程方向测量误差在5 cm左右，单个堤防横断面占地宽度假定为80 m，则整个腰口隔堤（25.574 km）由于地形面误差造成的土方量误差将在10万m3左右。因此在地形测量时，应加密工程占地范围内的测量点，提高测量精度。
2.3.3 堤防建模
（1） 骨架及堤顶轴线。选择腰口隔堤堤顶轴线上的关键节点作为骨架元素，基于骨架，拟定堤防的堤顶轴线。首先利用草图工具进行二维堤防断面绘制，由于堤防的各个断面均以堤顶轴线为控制线，因此可采用基于定位草图的方式，先绘制任意一条直线和直线上任意一点，再根据平面定义命令，绘制经过该点的直线的法向平面，即可得到堤顶轴线上各控制点的法向平面，如图5所示。
（2） 堤防实体。腰口隔堤的堤防结构主要包括堤身、护坡、堤顶道路、排水板和砂垫层等结构。作为堤防工程三维建模的初步探索，本文主要介绍堤身和护坡的建模过程，具体如下。首先绘制堤防断面模板。通过分析堤防断面型式及工程措施，提炼出需要参数化的结构尺寸，在草图中绘制标准断面。绘制过程中通过约束命令对各线段进行约束，通过公式或者函数对各线段的尺寸进行参数化驱动[16]。制作知识工程模板，该模板的输入条件为堤顶轴线及控制节点，输出为参数化断面模型。对于堤防横断面，本文将堤顶宽度、堤内外坡坡比、堤内外平台宽度等参数化;对于护坡结构，将护坡厚度、长度、坡比、封顶和脚槽尺寸等参数化;分别构建了堤防横断面和护坡结构的参数化模板（见图5）。此外，为了完善细部结构设计，本项目还制作完成了堤顶混凝土路面、砂垫层等参数化模板。
基于知识工程模板中的用户特征，可将堤防横断面和护坡结构实例化到堤防轴线的各个法向控制断面上，然后基于多截面命令，即可生成三维堤防实体，如图6所示。从图中可以看出，结合三维地质模型之后，堤防三维勘测设计模型可以直观地反映堤防型式与平面布置。
2.3.4 专业间协同设计
堤防工程设计主要涉及水工和地质两个专业，协同工作主要为堤基基础处理。由于地质专业已经将地层信息、钻孔信息等存入到三维地质模型中，水工人员可通过三维模型整体把握工程地质情况，通过二维切图了解各个断面具体地质信息，根据实际地质情况进行堤基处理措施设计。在施工图阶段，地质专业可以根据新的勘探资料修正更新地质模型;水工人员可根据地质信息变化情况，对堤基处理措施进行调整优化。
2.4 模型应用
2.4.1 工程量计算
工程量是工程方案比选和施工组织设计的重要依据，也是计算工程投资的重要基础。传统的堤防工程量计算是分段计算求和，施工详图阶段一般每隔50 m统计一个设计断面的堤身清基量、开挖量、填筑量、护坡工程量等，工作量巨大且存在一定误差。该示例采用CATIA测量工具直接量算工程量，计算简便且精度相对较高。
腰口隔堤工程在可研阶段时拟定了两个堤线方案进行比选，为了体现参数化建模的灵活性，对堤顶轴线参数进行简单修改后，便可快速得到比選堤线和推荐堤线的三维模型。通过提取清基面可以绘制清基范围线（即堤防占地线）和计算清基工程量，通过测量堤防填筑实体、护坡、脚槽封顶等的体积等可得到相应工程量。表1给出了采用CATIA测量工具计算的结果和传统二维设计计算的工程量比较。
表2给出了推荐堤线和比选堤线的工程量比较。可以看出，基于CATIA三维设计与二维设计的工程量基本一致，仅土方量存在一定的误差，但已在可接受范围内，表明CATIA模型的精度较高;另外，根据推荐堤线和比选堤线的工程量比较，可以快速地估算工程投资的差别。由于比选堤线的堤防模型可在推荐堤线的基础上对堤轴线进行修改快速得到，从中也体现了CATIA在模型修改以及工程量统计上的效率，这是传统的二维设计无法企及的。
2.4.2 二维出图
根据已建好的三维勘测设计模型，利用CATIA的交互式工程制图功能，绘制二维设计图纸。在工程制图界面下，利用CATIA水利水电三维地质建模平台上的二维出图功能[14]，可以快速生成包含地层、钻孔、堤防结构等的设计横断面，而且设置统一的绘图比例、标尺、高程、图签等信息，随后只需稍作加工整理便可出图应用，如图7所示。
3 结 语
本文基于CATIA平台提出了堤防三维勘测设计建模的一般思路和方法，实现了腰口隔堤的堤防三维建模，并进行了初步的工程应用。和传统的二维设计相比，CATIA三维建模在模型修改、工作效率和直观表达方面都具有显著的优势，在堤防工程中具有很好的应用前景。下一步需要进一步丰富基于CATIA三维堤防模型的工程应用，完善二维出图功能，指导施工，使之能够成为提高设计水平、提高施工管理水平的利器。
參考文献：
[1] 黄艳芳，李小帅.CATIA软件在双曲拱坝设计中的应用初探[J].人民长江，2009，40（21）：26-28.
[2] 张兵，李斌，吴伟功.CATIA在水利工程地质建模中的应用[J].水利水电技术，2010，41（1）：26-28.
[3] 王小平，王陆，蔺志刚.基于CATIA设计表的水工建筑物关联设计[J].水利水电技术，2013，44（1）：53-55.
[4] 何婷婷，王福得，钮导导，等.CATIA在各类水工建筑物设计中的应用研究[J].水利规划与设计，2017（9）：120-122.
[5] 张社荣，顾岩，张宗亮.水利水电行业中应用三维设计的探讨[J].水利发电学报，2008，27（3）：65-69.
[6] 钟登华，张琴娅，杜荣祥，等.基于CATIA的心墙堆石坝施工动态仿真[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2015，48（12）：1118-1125.
[7] 王天兴，张继勋， 任旭华.基于CATIA的斜心墙土石坝建模与分析[J].水利水电技术，2017，48（6）：23-31.
[8] 李小帅，万军，黄艳芳，等.CATIA V5环境下水电工程三维可视化仿真场景中的应用研究[J].长江科学院院报，2012，29（12）：113-118.
[9] 黄志澍，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）：1-3.
[10] 王晓龙，董勤，杨耀威，等.基于CATIA的水电站引水系统三维设计探讨[J].水电能源科学，2012，30（11）：149-151.
[11] 李开明，秦子鹏，田艳，等.基于CATIA V5R20的重力坝三维参数化设计[J].石河子大学学报（自然科学版），2017，35（2）：254-258.
[12] 董甲甲，杨磊，杜燕林.基于CATIA的重力坝可视化设计[J].水利水电科技进展，2010，30（5）：57-60.
[13] 伍鹤皋，付山，汪洋，等.基于CATIA的水电站月牙肋钢岔管三维参数化设计[J].武汉大学学报（工学版），2014，47（6）：738-742.
[14] 陈良柱.长江中游蓄滞洪区分洪运用方案研究[J].水利水电快报，2008，29（8）：11-14.
[15] 韩旭，冯明权，向能武，等.基于CATIA V5的三维地质建模应用教程[M].武汉：中国地质大学出版社，2014.
[16] 宁贵欣.CATIA V5工业造型设计实例教程[M].北京： 清华大学出版社，2004.
（编辑：胡旭东）
