1 引言
CATIA三維設計已經在多個行業中成功應用，如航空航天、汽車工業、船舶制造等領域，近些年來，一些國內著名的水電工程設計院也開始采用該軟件進行水電工程三維設計，CATIA已經在土木工程三維設計領域嶄露頭角。由于CATIA主要是針對航空航天領域進行開發，在水電工程設計領域應用的時間并不長，故在最初的水電工程三維設計中，需要積累各種水工建筑物模型模板，模板累計越多，模板本身的靈活性越高，參數化水平越高，水電工程設計的效率才能越高。
水工建筑物的種類繁多，其對二維施工圖的要求也較高，往往建立一個模型需要花費很長時間。比如，水電站發電廠房結構形式多樣，各個組件之間的關系錯綜復雜，但是在掌握了設計方法后，仍然可以通過小部件的參數化拼接來實現整個廠房模型的參數化，從而滿足各種水電工程廠房的形式需要。通過建立這類常用且通用性較好的模板，就可以減少重復輸入，大大提高工作效率。本文將結合CATIA知識工程設計模塊中的部分功能，結合參數和規則進行模板參數化設計，結合作者多年的設計經驗，實現精細化建模，從而滿足高效、快捷的設計要求。
2 模板設計
水電工程也屬于土木工程領域，其應用較多的還是板’、梁、柱，欄桿，樓梯等結構形式，好的模板可以適應任何的工況，且讓設計者能夠易于理解，靈活應用，下面作者主要對水電工程中由板、梁、柱組成的框架模板及欄桿模板進行講解，最后通過一個樓梯的設計模板將這些模板設計思想進行統一。
2.1 梁柱模板的設計
梁柱的模型雖然簡單，但是在工程設計中，梁柱數量很多，一個個輸入也比較繁瑣，把梁柱建立成模板，重復輸入，可以大量節約時間，并且不需要修改草圖，直接修改參數即可。比如，發電廠房主要的梁柱形式為矩形形式，它們的控制參數主要是位置，寬和高，柱的輸入條件是位置點，底面，頂面，其參數有柱寬，柱高，寬度方向偏心距，高度方向偏心距。梁的輸入條件是軸線，起始端和終止端，以及梁頂面，其參數有梁高，梁寬，偏心距。
將梁柱模板設計成為用戶特征，可以插人到其他零件里去，還可以利用梁柱模板建立框架結構模板，將框架結構模板設計成為超級副本，這樣的模板插入后還保留了原有的設計過程，方便后期深度修改。
框架模板的建立步驟如下：首先建立輸入條件，輸入條件有軸網控制點，底面，第一層平面，二層平面，三層平面；利用底面和控制點分別建立一個橫軸的草圖和一個縱軸的草圖。利用創成式設計中的相交命令，使縱橫軸兩個草圖相交，得到相交點群；利用其中一點插入柱，然后利用相交點群，用戶陣列柱，就能得到全部的柱子；（其中不需要的柱子可以在選擇點群時點選取消）；然后，新建幾何體，此幾何體可以命名為一層板梁，利用軸網位置控制點和一層平面，建立第一層板，再利用板、一層平面和軸網中的某一個軸線，將梁一個一個插入到此幾何體內，這樣一層的板梁建立完成；同理建立二層板梁，三層板梁。完成后，建立超級副本。使用時，直接插入到零件中去。
2.2 欄桿模板
水電工程圖中，欄桿大多只為示意，欄桿做法一般見標準圖，所以欄桿樣式只需要設計成比較簡單的樣式。欄桿的輸入條件為兩點和一條豎向線或者水平平面。為設計美觀和簡單，不需要參數控制。欄桿高度設置為1.2m，共三道橫向鋼管，中間欄桿柱間距在1.2m左右，相鄰兩個欄桿柱的間距相等。
建立過程如下：首先建立輸入條件，兩個點和一條豎向直線；用直線連接兩點，利用此線和豎向直線，建立平面，以此平面和輸入點，建立草圖。
新建參數，LS：兩點間距，JL：欄桿柱間距，NU：欄桿柱數量。
LS=distance(端點1，端點2)
欄桿柱的個數隨兩點間距變化而變化。如果兩點間距小于等于1.2m，則沒有中間欄桿柱。需要建立規則如下：
根據同樣的方法還可以建立其它欄桿類型，以滿足工程設計要求。
2.3 樓梯模板
通常水電工程中用的樓梯都是板式兩跑樓梯，而水電工程中的層高以及樓梯間的進深和寬度都不相同。有的相鄰兩跑樓梯的休息平臺長度也有不同，有時受到其他因素的影響，樓梯的支撐方式也有所不同。為了同時滿足這些條件，需要設置很多參數并加載不同的模板，進行組合。
圖1 框架模板
2.3.1 首先建立樓梯板的特征模板
(1)先建立輸入條件，兩條相交的直線，一條線為位置線，一條為方向線，并利用相交直線得到相交點，以及一條直線端點的法線面。以此法線面和端點建立踏步草圖，此草圖控制參數有踏步高度、踏步寬度、踏步厚度、樓梯板高度。見圖2。
圖2 踏步草圖
以此草圖拉伸一個梯板寬度后得出踏步實體，再根據踏步個數、踏步陣列間距、陣列方向選擇草圖中的斜線，從而得到踏步板。
式中，n-踏步個數；
h-樓梯高度；
b-踏步高度。
式中，s-踏步陣列間距；
a-踏步寬度。
(2)建立上下休息平臺，上下休息平臺的草圖和踏步草圖建立方式相同，實體拉升長度為樓梯板寬度。樓梯井上下游休息平臺建立完成后，用下休息平臺的底面切割實體。
(3)一般相鄰兩跑樓梯之間設有樓梯井，且各層樓梯井的寬度都會有所不同。由于層高不同，相鄰兩跑樓梯之間的休息平臺長度也有所不同。見圖3。此時需要建立一個新的凸臺，以填充休息平臺之間的空隙，凸臺長度定義為樓梯井的長度，此長度取相鄰兩跑樓梯休息平臺的最小值，這一取值的修改需要放在后面修改。
圖3 長度不等的休息平臺
(4)欄桿可以采用先前的欄桿模板放在樓梯板踏步兩側或者一側。也可以在此重新建立欄桿實體。欄桿建立完成后，做成知識工程模板（用戶特征）。
2.3.2 模板組合
(1)建立新的零件（樓梯），建立兩條水平相交直線，新建幾何體，在幾何體內插入第一跑；再新建幾何體，以第一跑的上休息平臺實體上的兩條線作為輸入條件，插入第二跑。以此插入到第10跑或者第20跑（數量可視需求可多可少）。
(2)以相交直線作為輸入條件，建立軸網，將柱的模板插入到新的幾何體中（幾何體命名為柱），一般最多需要輸入8個柱子，柱子的頂面不要采用樓梯板實體上的面，應該新建平面作為柱子的頂面。
(3)以樓梯板的上休息平臺表面作為梁的頂面，柱的側面作為起始端和終止端，軸網中的軸線作為梁的軸線，輸入梁模板，建立垂直于上下樓梯方向的梁實體。根據梁的位置，將梁分為一側邊橫梁，另一側邊橫梁，一側中間橫梁，另一側中間橫梁共4個幾何體。
(4)實際工程中，有的休息平臺是單向板，有的是雙向板。這就需要在休息平臺兩側增加“┌”型梁。“┌”型梁可以參照矩形梁做成模板。同樣，也分為四組縱梁。
(5)如果樓梯板的支撐方式只是兩端支撐，沒有中間橫梁，樓梯板的形式是滿足設計要求的。但是若有中間橫梁，樓梯板就會多出一部分，這一部分必須修剪掉。修建這一部分的方法是參照中間橫梁建立草圖，來消除此部分。
(6)如果樓梯板的支撐方式只是兩端支撐，沒有中間橫梁，樓梯板的形式是滿足設計要求的。但是若有中間橫梁，樓梯板就會多出一部分，這一部分必須修剪掉。修建這一部分的方法是參照中間橫梁建立草圖，來消除此部分。如圖4。
圖4 樓梯多余修建部分
(7)樓梯板、梁柱建立完成后，需要對部分參數進行修改，例如第一跑的上樓梯井長度就等于第一跑上休息平臺長度和第二跑下休息平臺長度中的較小值。采用公式如下：
式中，LTJ-樓梯井長度；
PAO1.UXP-第一跑上休息平臺長度；
PA02.DXP-第二跑上休息平臺長度。
同樣的方法修改其它樓梯板中的樓梯井長度。
(8)利用樓梯板的參數對軸網進行參數化修改，使梁柱的位置和樓梯板的位置相對應。然后進行布爾運算，分類將各個幾何體裝配在一起。然后發布樓梯實體。至此樓梯模板便設計完成，見圖5。
圖5 樓梯模板
2.3.3 模板的使用
首先根據樓層的層高，以及樓梯間的進深和寬度，對樓梯參數表進行修改。多余的樓梯板可以刪除，也可以直接切割掉。不需要的梯梁可以刪掉，也可以從樓梯實體中取消其布爾運算，不然它會在發布結果中出現。
然后將樓梯與主體結構裝配在一起，將樓梯實體發布結果引用到主體結構中即可。
2.4 管槽邊坡模板
壓力鋼管管槽兩側的邊坡的最大坡比垂直于邊坡上的水平線，而不是垂直于壓力鋼管的中心線。而我們在設計兩側邊坡時，設計方法是在垂直于管軸線的一個鉛直面上建立一個草圖剖面，給定一個邊坡角度后，對草圖沿管軸線進行拉伸。這個邊坡角由最大坡比和管軸線所決定。它們的關系見以下公式。
式中，m-最大坡比；
θ-管軸線與水平面的夾角；
α-所求草圖邊坡角。
根據以上數值關系，模板設計過程如下：
(1)建立輸入條件：不在一個水平面的任意兩點，以及通過某一點的水平平面。
(2)將兩點連接成直線（管軸線），投影到水平平面上。沿此水平投影線建立一個曲線的法向平面。參照法向平面和一個端點，做一個邊坡剖面草圖。
(3)建立參數，輸入參數。包括管軸線距底面的高度，底面的寬度，最大坡比。中間計算參數包括管軸線與水平平面的夾角。此夾角采用以下公式計算：
θ=angle(管軸線，投影線)
(4)利用參數對草圖進行約束。將草圖沿管軸線拉伸。最后再輸出成用戶特征。
3 結語
上述模板類型包括特征模板、超級副本、文檔模板，其中還有嵌套模板。水工建筑物種類繁多，外形復雜，作者通過對板梁柱、欄桿、樓梯等通用模板的詳細介紹，從而為相關設計人員提供思路和方法。讀者可以借鑒這樣的思路和方法，不斷地積累經驗，總結思想，從而設計出更為優秀的模板，滿足不同水電工程的設計需求。
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本文標題：CATIA在水工建筑物模板設計中的應用
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