高藝馨

(吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021)

1 工程概述

CATIA建模軟件被廣泛用于機(jī)械等領(lǐng)域等。本文將CATIA建模軟件運(yùn)用至某水電站三維設(shè)計(jì)中，通過集成模塊高效地完成了建模工作，提高了工程算量的精準(zhǔn)度與計(jì)算效率。

該水電站位于頭道松花江中下游河段，控制流域面積2685km2，河道長度136km，河道平均坡度3.58‰?？刂屏饔蛎娣e2685km2，是一座以發(fā)電為主的小型水利工程。壩址距離上游電站廠房約2km，距下游二級(jí)水電站壩址約6km。根據(jù)GB50201- 2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和SL252- 2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》要求，本工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模為小(2)型。

2 主廠房主要尺寸的確定

廠房為地面廠房，總長度為43.3m，總寬度為16.75m，分為主機(jī)間和安裝間，基礎(chǔ)坐落在強(qiáng)、弱風(fēng)化二長巖(4- 2)上。主機(jī)間布置3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，分別為1#、2#和3#機(jī)組。

2.1 機(jī)組中心距的確定

對(duì)發(fā)電機(jī)、蝸殼、尾水管最大外形尺寸進(jìn)行比較，其中發(fā)電機(jī)最大，作為控制尺寸，考慮機(jī)組附屬設(shè)備及主要通道，吊物孔等的布置，確定機(jī)組中心距為8.5m。

2.2 廠房寬度的確定

主廠房上游側(cè)布置了組合式調(diào)速器，并布置電氣盤柜，確定機(jī)組中心距上游側(cè)起重機(jī)軌道中心線的距離為5.5m。下游側(cè)考慮滿足發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的吊運(yùn)以及所必須的維護(hù)通道，確定機(jī)組中心距下游側(cè)起重機(jī)軌道中心線的距離為6m，起重機(jī)跨度為11.5m。

2.3 安裝場

安裝場位于廠房左端，與進(jìn)廠交通道路相連，滿足1臺(tái)機(jī)組安裝與擴(kuò)大性大修的要求?？紤]機(jī)組安裝檢修方便，安裝場與發(fā)電機(jī)層高程相同，高程為465.763m。

2.4 廠房各層高程及設(shè)備布置

大機(jī)水輪機(jī)安裝高程為460.85m；小機(jī)水輪機(jī)安裝高程為460.39m。大機(jī)尾水管層底板高程457.651m，布置2只肘型尾水管；小機(jī)尾水管層底板高程457.676m，布置1只肘型尾水管。水輪機(jī)層地板高程461.938m，布置2臺(tái)JP502-LH-155(Φ=0°)型水輪機(jī)及1臺(tái)JP502-LH-100(Φ=0°)型水輪機(jī)，與發(fā)電機(jī)同軸直聯(lián)?？諌簷C(jī)室、透平油罐室布置在水輪機(jī)層，安裝間下面。與水輪機(jī)層高程相同。發(fā)電機(jī)層地板高程465.763m，布置2臺(tái)SF800- 24型水輪發(fā)電機(jī)及1臺(tái)SFW320- 16型水輪發(fā)電機(jī)，在大機(jī)組的第Ⅱ象限均布置1臺(tái)GKT- 3000X型高油壓調(diào)速器，小機(jī)組的第Ⅱ象限布置1臺(tái)GKT- 1800X型高油壓調(diào)速器。起重機(jī)軌頂高程為473.14m，廠內(nèi)布置1臺(tái)20/5t電動(dòng)雙梁(慢速)橋式起重機(jī)。滿足發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪安裝及機(jī)組檢修時(shí)吊運(yùn)的要求。蝶閥廊道層底板高程459.57m，布置2只DN2000液動(dòng)蝶閥，1只DN1400液動(dòng)蝶閥。

3 廠房三維設(shè)計(jì)

3.1 骨架設(shè)計(jì)

水利水電工程設(shè)計(jì)采用的是自上而下的設(shè)計(jì)方法，先進(jìn)行總體布置，再逐級(jí)細(xì)化設(shè)計(jì)?？傮w布置需要定義整個(gè)工程的關(guān)鍵部位、軸線、高程面等，這就是三維設(shè)計(jì)軟件骨架設(shè)計(jì)方法。

骨架由點(diǎn)、線、面等控制元素構(gòu)成。顧名思義，骨架可以支撐整個(gè)模型，是模型設(shè)計(jì)的脊梁。廠房各種建筑物均基于以上骨架進(jìn)行設(shè)計(jì)，骨架的更改會(huì)聯(lián)動(dòng)其他構(gòu)件的更改。骨架從功能上分為定位骨架(如機(jī)組安裝高程面、廠房中軸線等)和定型骨架(如橫梁走向線等)；從層次上分為總骨架、專業(yè)骨架及更細(xì)的構(gòu)件骨架。骨架采取多級(jí)組織型式，總骨架由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人統(tǒng)一發(fā)布，專業(yè)骨架引用總骨架，專業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)人員引用專業(yè)骨架建立下一級(jí)的構(gòu)建骨架，骨架關(guān)聯(lián)引用應(yīng)該是逐級(jí)引用，應(yīng)避免越級(jí)引用以免發(fā)生混亂。

以廠房的三維設(shè)計(jì)為例，廠房作為整體樞紐工程的一部分，它的建立需要總體布置對(duì)其定位，這就需要在整個(gè)樞紐工程的總體骨架建完以后，從總體骨架中引用關(guān)鍵元素作為廠房三維設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)，只要能定位廠房即可，所引用元素越少越好，以此為基礎(chǔ)建立廠房的骨架，廠房所有的三維建模都以廠房骨架為基礎(chǔ)，不在與外界元素發(fā)生關(guān)鍵。一旦廠房的位置發(fā)生變化，只需要在總體骨架中對(duì)廠房所引用元素進(jìn)行修改即可，廠房整體隨之到新的位置。

廠房骨架數(shù)據(jù)可根據(jù)需要定義多層次骨架，分別驅(qū)動(dòng)不同的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。如在主廠房系統(tǒng)下的主廠房骨架包含高程、縱樁號(hào)、橫樁號(hào)3個(gè)方向的控制元素，起到全局控制和協(xié)調(diào)3個(gè)機(jī)組段廠房位置相對(duì)關(guān)系的作用，當(dāng)在此3個(gè)方向上需要調(diào)整樁號(hào)和高程位置時(shí)，僅需調(diào)整此廠房骨架數(shù)據(jù)，更新后下游廠房機(jī)組段隨之調(diào)整。而在某機(jī)組段廠房里還可包含板梁柱骨架，此骨架主要在平面方向上定義縱向梁、橫向梁走向線及立柱的中心點(diǎn)，在具體某層板梁柱設(shè)計(jì)過程中可參考走向線及中心點(diǎn)，快速設(shè)計(jì)和定位板梁柱。

如圖1所示，為定義骨架結(jié)構(gòu)。

圖1 定義骨架結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，主廠房骨架主要包含高程方向平面、橫樁號(hào)方向平面、縱方向平面，可根據(jù)需要定義平面間可變參數(shù)。

圖2 主廠房骨架平面圖

如圖3所示，高程方向平面，可根據(jù)需要定義參數(shù)。

圖3 高程方向平面圖

如圖4所示，縱樁號(hào)平面和橫樁號(hào)平面，為了便于管理及可識(shí)別的要求，注意將同類元素放在同一個(gè)幾何圖形集中，并重新命名。

圖4 縱橫樁號(hào)平面圖

機(jī)組段中的板梁柱骨架，主要參考主廠房骨架設(shè)計(jì)的縱向梁、橫向梁的走向線，立柱的中心點(diǎn)等元素，下游的梁柱均參考此骨架設(shè)計(jì)的。

3.2 參數(shù)化與關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

廠房設(shè)計(jì)過程中，大多數(shù)結(jié)構(gòu)體的形式是確定的，需要變化的僅僅是外形尺寸。CATIA的知識(shí)工程具有強(qiáng)大的功能，尤其是參數(shù)化設(shè)計(jì)，在眾多三維設(shè)計(jì)軟件中具有較大的優(yōu)勢。通過對(duì)廠房結(jié)構(gòu)體的分析和專業(yè)的總結(jié)，將廠房結(jié)構(gòu)體分解成若干個(gè)典型區(qū)段，將這些典型結(jié)構(gòu)中的典型尺寸用參數(shù)來驅(qū)動(dòng)，在完善設(shè)計(jì)及修改方案時(shí)，只需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，與參數(shù)相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)體即可自動(dòng)更新完成修改。也可以將一組類似的參數(shù)通過電子表格的形式列出來，再將表格中的數(shù)據(jù)與參數(shù)關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到使用多組數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)一個(gè)模型的效果。例如在蝸殼的單線圖設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用表格來驅(qū)動(dòng)模型。

3.3 模板設(shè)計(jì)

在廠房建模工程中，有很多結(jié)構(gòu)經(jīng)常需要用到，如：板梁柱、牛腿、樓梯、窗戶、門等，且這些結(jié)構(gòu)重復(fù)利用率非常高，幾乎每個(gè)廠房建模都要用到，每次重復(fù)建模會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，模板設(shè)計(jì)很好的解決了這個(gè)問題，將設(shè)計(jì)過程及設(shè)計(jì)參數(shù)打包，預(yù)留輸入接口，快速完成模型及其他數(shù)據(jù)，使用者可快速完成建模，簡化建模方法，模板設(shè)計(jì)是一個(gè)一勞永逸的方法，一次建模，用到時(shí)只需調(diào)用即可。

3.4 典型機(jī)組段設(shè)計(jì)

為滿足后期機(jī)電專業(yè)布放機(jī)電設(shè)備的需要，需要將典型機(jī)組段按結(jié)構(gòu)分層設(shè)計(jì)，典型機(jī)組段主要包含以下模型：頂棚系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)層、電氣夾層、水輪機(jī)層、球閥層、機(jī)墩風(fēng)罩、蝸殼尾水管、尾水平臺(tái)。

在板梁柱設(shè)計(jì)過程中，可集合板梁柱設(shè)計(jì)過程，匯總成模版，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，利用模板快速復(fù)用，提高設(shè)計(jì)效率。

3.4.1 頂棚系統(tǒng)

參考主廠房骨架控制線框，設(shè)計(jì)包含吊車梁、頂棚、立墻及吊車梁導(dǎo)軌，注意按Body劃分這些結(jié)構(gòu)，便于后續(xù)做布爾運(yùn)算。

3.4.2 發(fā)電機(jī)層

引用主廠房骨架與板梁柱骨架完成發(fā)電機(jī)層底板與梁的設(shè)計(jì)，將生成的結(jié)果進(jìn)行布爾運(yùn)算，并按機(jī)墩風(fēng)罩外輪廓曲面剪切開孔。

3.4.3 電氣夾層

參考主廠房骨架及板梁柱骨架，按幾何體組織設(shè)計(jì)縱向梁、橫向梁、底板、立柱，布爾運(yùn)算結(jié)合底板、梁，并按機(jī)墩風(fēng)罩外輪廓剪切開孔。同理完成水輪機(jī)層、球閥層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.4.4 蝸殼與尾水管

將蝸殼輪廓形成設(shè)計(jì)模板、結(jié)合蝸殼單線圖數(shù)據(jù)表，快速實(shí)例化多個(gè)蝸殼單線輪廓，并擬合成蝸殼外形曲面，同理形成尾水管外形曲面。

3.4.5 尾水平臺(tái)

參考主廠房骨架數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)尾水平臺(tái)，并為水泵房開腔室，最后用尾水管外形曲面剪切尾水平臺(tái)實(shí)體。

3.4.6 機(jī)墩風(fēng)罩

參考主廠房骨架數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)機(jī)墩風(fēng)罩實(shí)體輪廓，最后用尾水管外形曲面及蝸殼外形曲面剪切尾機(jī)墩風(fēng)罩實(shí)體。

4 工程實(shí)例展示

結(jié)合具體水電站廠房工程，運(yùn)用CATIA三維設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)骨架設(shè)計(jì)思想，充分利用參數(shù)化與關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢，調(diào)用已有模板對(duì)其建模。成果如圖5～11所示。

圖5 電站廠房總體布置圖

圖6 電站廠房橫剖面圖

圖9 門模板

圖10 窗戶模板

圖11 混凝土樓梯

通過CATIA建模，得到廠房工程量見表1。

表1 廠房工程量

5 結(jié)語

本文將CATIA運(yùn)用于某水電站廠房三維設(shè)計(jì)中，較傳統(tǒng)CAD二維建模，該方法大大提高了工作效率，減少了作業(yè)人員工作量。本文僅對(duì)廠房做了粗略建模，計(jì)算得到的工程量偏大，在后續(xù)的研究工作中，將采用CATIA進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在保證水電站安全的基礎(chǔ)上，通過改變廠房布置，空間結(jié)構(gòu)，減少工程量，達(dá)到精簡投資的目的。