基于3DE平台的大坝分割技术研究
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作者:郑洋 张克
摘要：计算机辅助设计技术已成为大坝施工过程中处理复杂数学模型的有力工具，为进一步实现模型信息集成、交互式设计和分析，基于已有的大坝模型，引入了3DExperience平台，并利用该平台的三维设计功能，使用基于部件的设计方法完成对大坝复杂施工过程中细部模型结构的划分。通过三维数字建模，建立了基于规则的知识工程模板，可以辅助设计人员提高建模效率，便于设计人员制定合理的施工方案。研究成果可为施工组织设计提供参考。
关键词： 3DExperience; 大坝施工仿真; 细部构造; 计算机辅助设计
中图法分类号：TV512 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.004
文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0017 - 06
0 引 言
大坝施工组织是一个十分复杂的过程，传统方法中凭经验使用类比法来安排大坝浇筑顺序和施工进度极为困难，且缺乏系统的定量分析和计算。近年来，随着计算机和系统仿真技术的迅速发展，在计算机上进行大坝施工仿真试验及分析逐渐成为可能[1-4]。但是，目前的研究多停留在对施工动态过程的仿真计算实现上，而很少考虑仿真建模过程的简化及仿真计算过程的直观表达。国外很多学者通过可视化施工仿真方法解决了施工过程中的一些关键性问题[5]。Wang等[6]在2014年将建筑信息模型BIM与施工仿真相结合，考虑施工工期的不确定性而得到工程施工的进度计划，建立了以BIM为基础的4D模型。中国对水电工程施工鼍叭维建模方法和可视化进行了大量研究。李小帅等[7]在2012年以CATIA与3DS MAX软件为平台，结合CG知识库，构建了三维可视化仿真场景。然而，水电工程三维模型多是基于3DS MAX或GIS等软件建立的，模型精度较低，难以修改，也不利于重复利用[8]。近年来，少数学者以CATIA为基础建立了参数化的大坝三维模型，实现了三维模型的参数化设计和快速修改，但基于施工仿真的数字模型却无法实现施工中的仿真模型重复使用。基于上述研究的局限性，本文首次提出在3DExperience（3DE）平台上开展大坝施工细部模型的划分工作，利用3DE平台的知识工程模板功能，可在大坝施工项目中进行模型复用;且结合实际工程，运用3DE平台实现知识经验重用，能有效提高大坝施工细部模型的设计和修改质量，精准建立大坝施工仿真模型，为施工组织提供重要的理论与技术支持。
1 3DE平台在水电工程中的应用
3DExperience平台提供了智能化的结构树，而且对实体或对象，都可采用变量和参数混合的方式进行建模，并利用知识工程设计思想构建通用的模板，因此在整个建模过程中，可以快速对模型进行设计、修改和实例化。近年来，随着软件技术的发展和应用，利用软件的开源和开放特性，工程师可以运用工程语言，结合模型特点，通过简单的逻辑编辑后批量实例化工程模板。
3DE平台是基于单一数据源（3D模型）的系统架构，能保证水利水电各专业之间数据的统一和及时更新，通过关联设计大大减少修改工作量。知识工程模块中的参数设计规则、文档模版等把工程设计流程和经验知识很好地集成在模型文件中，可快速实现不同施工方案的对比、开挖工程量的计算、数字化模拟施工过程和施工设计管理等，有助于缩短工程设计周期。高集成、大数据的特点让3DE平台在水电工程领域得到广泛应用。
在3DE平台中利用IFC设计类型和设计模板，并结合水利水电工程的规则、规范和三维设计方法进行知识工程开发，从而对大坝施工模型进行高效合理分割和提取，对提交的施工模拟方案进行各种不同方案的优化仿真。本文以拱坝施工模型为研究对象，探讨了数字化高效的三维模型分割技术。
2 三维大坝施工模型分割技术的解决方案
由于拱坝的三维建模通常采用对拱坝设计方程的离散取值拟合建模，因此，在3DE平台的三维设计软件中，利用Civil 3D Design模块和规则命令，设定拱坝参数，定义不同的系数后得到拱坝的三维参数设计模型，应用曲线方程，完成上游面和下游面的大坝曲面三维建模（图1）。
大坝浇筑是水利水电工程施工中的重要组成部分，特别是对于规模大、施工强度高、工期紧的工程，浇筑问题更显重要[9]。在完成大坝三维设计的基础上，需要在三维模型上提取相关信息，提供施工方案设计的原始依据[10]。对大坝进行合理的分割，提取必要的距离、面积、体积信息，结合已有的施工分析体系，可以快速完成水利水电工程施工进度方案的编制，同时将计算结果反馈到三维模型中。
结合大坝模型的设计特点，大坝施工模型分割的需求是将大坝进行沿坝体轴线方向和沿坝体高程方向两部分的分割。实际分割时，可以根据设计需求合理制定所需的分割方法，例如在沿坝体轴线方向分割时，可以采用知识工程中的参数化建立自定义特征的模板来实现。而沿坝体高程方向分割时，由于高程位置的不确定性，分割的部位难以控制。因此，需要制定一个合理的方法，并能保证后期变更时自动更新的需求。基于此，本文提出使用3DE平台的基于部件的分割方法，对大坝坝段进行基于设计元素和设计模板分割的技术。
3 基于3DE平台的大坝施工模型分割技术
结合大坝三维模型的设计特点，将大坝划分成不同区域，生成相应的分割模型。本文大坝施工模型的分割技术分为两种：① 基于模板的知识工程分割方法;② 基于部件的设计元素和设计模板分割方法。结合3DE平台的工程语言进行模型分割，提高实例化模板的效率。
3.1 基于3DE平台的大坝施工模型分割原理
3.1.1 基于模板的知识工程分割
在3DE平台的知识模板创建与CATIA模板创建一样，都是参数化建模的一个过程。参数化建模的关键在于运用参数、公式、规则、特征等驱动图形以达到改变图形的目的。3DE平台不仅具有系统定义的参数，还有用户自定义参数。通过用于自定义参数和公式的工具，设计人员可以很方便地制出各种各样的参数以及约束这些参数的公式。知识工程模板就是基于这样的参数化建模方法，并结合水利水电工程的特点，专门为重复性建模过程而开发的功能。
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