1 前言
我院自引進了MatrixOne和CATIA/VPM( Vir-tual Product Management)，通過同時使用這兩個系統，部署了統一的協同設計環境。水電設計業務流程可以在這個無縫的協同環境中實現，將復雜的工程設計活動和業務流程管理連接起來，提高設計質量和效率。
DS( Dassault Systemes)公司正全面利用ENOVIA開放式SOA架構實現對任何業務流程和軟件的無縫集成．這將給不同行業中的客戶都帶來無可比擬的益處。
DS公司在收購MatrixOne之后，開發出了全球性的ENOVIA解決方案。該解決方案將CATIA/ENOVIA VPM的具體產品設計信息和MatrixOne強大的協同業務流程管理能力和企業可見性相結合。通過這個新的解決方案將設計部門和管理部門無縫地集成在一起。
得益于ENOVIA靈活的SOA架構，DS公司的CATIA/ENOVIA VPM客戶將通過MatrixOne解決方案實現對強大的協同業務流程能力的全面兼容。從MatrixOne到ENOVIA VPM工程的現行工作環境的直接存取將會給項目經理提供工程活動和項目情況的實時可見性，使得他們能夠在產品開發流程的早期就發現潛在的問題，從而降低改進決策的時間和成本，客戶也因此從這個全新的ENOVIA解決方案中獲益。借助于ENOVIA MatrixOne，DS公司傳遞了一種完全的、統一的ENOVIA協同環境。
采用3D PLM設計與生產產品早已不是一種單純的概念，而是企業發展的必然趨勢，連不可一世的AutoCAD也從2007版本開始大幅度地增強了3D功能，將它過去的2D繪圖環境定義成“經典工作空間”，將“三維設計空間”放在了第一位。由于無圖紙設計與生產方式給企業帶來的將是革命性的變化，隨著市場競爭的需要，近幾年采用CATIA、UG等這類軟件的用戶群也在進一步擴大。
拱壩三維協同設計過程是通過MaxtriOne平臺實現設計流程管理和質量關口控制，在CATIA/VPM平臺實現拱壩結構的在線并行協同設計。在充分掌握和分析壩址地形、地質等基本設計資料基礎上，并經論證、核實后合理確定各項設計參數，直接在三維地質模型上進行多人并行的三維設計和結構分析。同時開展相關的研究工作和模型試驗工作，充分采用已有的先進科研成果，借鑒國內外其它拱壩的成功設計經驗，對拱壩結構設計中的關鍵技術環節進行全面的分析研究，直接通過三維模型來表達最終的拱壩結構設計方案。通過三維拱壩協同設計，實現分析計算模型、工程圖與三維幾何模型保持關聯更新能力，大大提高了設計質量和效率。
2 協同設計概述
VPM系統是為實施基于CATIA的在線設計而搭建的協同設計平臺，系統通過對統一存放在服務器的結構化數據的管理，進行設計任務分解與分配、設計數據的動態協同和歸檔。
在沒有VPM協同的情況下，設計人員通過單向、靜態的反復溝通達到協同的目的，這中間，沒有共享、統一的數據平臺，溝通的過程信息有所損失，溝通是單向的，同一個信息可能要反復傳遞，造成效率降低和數據管理無序。
在有VPM協同的情況下，設計人員通過集中的、實時動態的數據管理平臺達到協同設計的目的，實現信息的集中管理、集中發送，達到完全共享的目的，帶來設計動態溝通效率的提高，實現數據的集中管理、有序共享。
目前我院VPM和MatrixOne擁有各自獨立的數據庫（見圖1），采用MarixOne作為項目管理平臺、VPM作為三維協同設計平臺。專業處室在Matrix-One中進行拱壩結構設計任務分解、指派計劃，同時在VPM中建立拱壩結構模型節點，并分配設計人員。目前我院還沒建立MatrixOne的任務節點與VPM的模型節點的對應關系，未來的目標是通過ENOVIAVPM與MarnxOne軟件的集成化開發，實現Matrix-One的計劃任務與VPM模型節點的關聯。
圖1 VPM協同平臺的c/s模型
拱壩協同設計流程是在網絡環境下的結構設計、分析、管理的虛擬設計過程，專業負責人可以從更高的高度來管理設計流程，即使這么做的利益不會馬上顯現。設計人員可以重用現有的模板、標準件庫，或者構思重復利用的設計流程。鼓勵使用可替代的技術和方法（例如模板、標準件、工程結構組件），通過主骨架模型來驅動孔口、廊道、電梯井等結構模型，而非從頭到尾逐個建立三維模型及繪制圖紙。當新的方案修改了，只需更新或重用現有的模板。這種重用機制的應用允許企業僅通過調整總體骨架、重用模板等技術，而非被迫進行大規模新建三維模型，能在更短的時間內對變化的設計方案、復雜的工地現場條件作出快速響應。
協同設計不僅僅是一種三維設計的方法論，還包含協同管理理念。例如，應用VPM協同設計系統后，管理者可以方便地管理各個工程項目的設計進度，并在深度和廣度上進行延伸。其原理是，通過分析上下游專業之間、專業內部工程結構之間的相互引用，使項目管理人員方便地了解什么時候、什么原因、哪些設計工作完成或正在進行、設計流程瓶頸出現在哪個環節等的數據信息，這樣就幫助了項目管理人員或專業室主任監控、優化他們的設計流程，降低了決策時間和成本。
在線協同設計的一個中心思想就是使企業應用擺脫專業間面向事后溝通協調的解決方案的束縛，輕松應對設計資料輸入變化、跟進施工現場的需要。提前對設計方案的可行性評估。單個孤立的專業模型是無法反映上下游專業間的數據輸入輸出及相互影響關系，即使是一個大型的工程模型，仍然不能滿足設計過程中的施工現場和設計方案不斷修改、變化的缺口。
通過三維協同，可以使得整個項目設計過程在3D狀態下，對項目各單元工程數據可視化管理，與業主、施工單位、專業間進行更方便高效的溝通。
通過VPM系統的完整變化的設計上下文環境，實現關聯設計管理，能夠支持參考已有的設計數據及設計知識模板重用，提升CATIA應用性能，數據共享更安全。VPM系統協同設計具有實時協同、在線設計的特點，可以提高協同工作的效率，很好地保證數據單源性和實時更新，縮短拱壩設計周期。
3 專業間的協同設計
通過三維協同設計，實現統一數據源，實現動態實時在線設計，對設計成果集中管理，可以避免專業之間、專業內部的設計盲區，降低出錯概率；通過參數化和關聯性，實現快速建模，提高三維設計效率。
VPM虛擬產品管理解決方案，可以幫助企業建立統一數據的協同設計管理平臺，對CATIA模型數據進行深層次、特征級的數據挖掘。正是由于VPM能夠基于3D數字電站協同的充分“理解”，為工程師高效管理三維模型數據提供了有力的幫助。
VPM系統協同設計具有實時協同、在線設計的特點，可以提高協同工作的效率，很好地保證數據單源性并實時更新，縮短設計周期。采用自上而下的模型結構組織方式，層次明確，比較適合復雜拱壩結構的設計任務逐級分解，實現跨專業、專業內的協同工作。
與地質專業協同，主要涉及到拱壩建基面開挖、基礎處理、邊坡支護等。地質模型的建立過程可以用“盲人摸象”和“雕刻藝術品”的迭代過程來比喻。把前期獲得各種片斷的地質信息放在三維模型里面反演、推測，通過綜合比較這些地質勘探數據，去偽存真，匯總成一個整體的地質模型。然后根據施工進展所揭示的新的地質信息，補充新的勘探資料，再修正、更新地質模型，使地質模型不斷逼近和反映真實地質情況。在傳統的二維圖設計模式下，各種地質資料變更信息比較多，難于管理及分類，以及無法量化、形象、及時地判斷地質變化對水工結構設計影響程度和范圍。
在三維協同設計環境下，水工設計人員可以從整體上把握工程的地質情況，根據需要剖切生成二維圖，并能實時了解地質信息變化。而無需查閱各種地質二維圖紙和地質勘探資料，通過想象力形成空間三維的地質認識。
例如在錦屏一級拱壩的建基面開挖中(見圖2、3)，地質專業人員根據新的揭露的地質信息，調整斷層巖脈位置后，系統會自動只通知引用關聯該斷層的建基面、混凝土網格置換結構進行更新。斷層位置在建基面上變化，是否需要調整混凝土網格置換設計方案，一目了然。還可以對地質信息變更后的建基面巖體質量重新評估、統計比較開挖方量，確定是否需要調整基礎處理設計方案等。在VPM上可以保留不同設計階段的地質模型及其對應的基礎處理措施設計成果，方便追溯以往的設計成果，如作為后期整理和積累工程設計經驗的素材。
圖2 拱壩建基面開挖（與地質專業協同）
圖3 建基面開挖及基礎處理（與地質專業協同）
與機電專業協同，主要有拱壩的孔口群閘門啟閉設備、廊道內部的監測設備、管線、壩頂門機等設備布置等。由于這些機電設備依附于拱壩結構，由拱壩結構設計人員在完成這些結構設計之前，按照機電專業的要求，將結構控制元素先發布出來并通知機電專業，然后由機電專業引用所發布的控制元素進行機電設備的布置。這樣拱壩結構設計和機電設備布置町以并行進行，互不干擾。同時機電設備通過引用拱壩專業已經發布的控制元素，保持上下文關聯，無需因為結構位置的變化而重新布置機電設備。當機電設備在拱壩結構內無法布置或互相交叉干涉時，通過三維會簽方式，直接修改拱壩細部結構，再由機電專業人員重新布置設備，不斷調整，提高了專業間的溝通和設計效率。
圖4是在三維協同設計過程中，拱壩設計人員將下游閘墩弧形閘門的支鉸點控制點元素發布出來，機電專業人員在VPM環境中，根據所發布的支鉸點元素直接定位、安裝弧形閘門。如果弧形閘門無法在虛擬閘墩上布置。可以通過調整閘門尺寸，或調整閘門的支鉸位置來實現。通過這種虛擬現實設計方式可以實現無紙化、實時設計，可以大大避免在施工現場發生的安裝調試的各種問題。
圖4 出口閘墩布置弧形閘門（與機電專業協同）
4 拱壩結構的骨架驅動、參數化設計
通常我們用裝配樹表達拱壩的層次化結構。在分析拱壩結構模型的基礎上，研究壩體、孔口、廊道、電梯井、基礎處理的關聯性設計方法，采用了在VPM在線協同設計環境下直接進行拱壩結構設計的方法，通過控制骨架的方式實現拱壩層次化結構，管理各個單元結構關聯性、建立各層模型的裝配關系。在專業內，各個拱壩結構節點由多人在線并行設計，結合具體的零件特征建模方法，實現整個拱壩結構的全相關驅動（見圖5）。
圖5 骨架驅動的模型節點
在可研設計階段就采用自頂向下設計方法，建立拱壩整體骨架模型和控制參數，逐層分解細化。經過可研、招標、技施的不同設計階段的迭代設計過程，得到最終拱壩結構的三維模型。在可研設計階段，很多設計方案不確定，其幾何模型也不確定，隨著設計的深入、結構的細化，逐步建立起清晰的拱壩結構裝配模型和零件幾何模型。因為在設計初期就詳細考慮了拱壩的層次化結構、整體控制骨架布置和主要設計參數，并通過發布／引用機制管理各個結構的關聯性，所以很少出現反復修改裝配結構的情況。這樣以后整個拱壩結構模型的更新只由控制結構或關鍵設計變量來控制，大大提高了拱壩的快速設計效率。
以拱壩設計流程為對象，研究主骨架模型技術和內涵，采用參數化、設計工程、模板標準件庫實現快速建模。通過主骨架模型將各工程結構，如孔口、廊道、電梯井、壩后橋、壩頂結構、閘門、基礎處理等關聯起來，目的就是要實現自動更新零件或部件，以保證設計結果的一致性。實現關聯設計的關鍵就是要解決相關約束在零件間、部件間以及零件與部件間的傳播與求解，使整個拱壩各個結構只被少量的幾率，縮短設計周期（見圖6）。
在構建水工標準件模板UDF的時候，可以應用CATIA知識工程建模技術，如Parametric Curve（參數曲線）、Design Table（設計表）、Rule（規則）、Check（檢查）、Reactions等，使結構相似的拱壩結構統一表達為一個CATPart文件。當設計者在調用模板的時候，只需修改模板設計參數即可實現快速建模。通過已有的拋物線拱圈模板，快速建立溪洛渡、錦屏一級、大崗山等拱壩模型，并調整拱圈參數實現拱壩體形優化。在實際設計工作中，可以迅速適應設計方案發生變更，無需重復建模，提高設計效率。
圖6 采用骨架驅動、模板參數化的拱壩模型
5 二維出圖
在水電設計行業，二維圖被作為最終設計方案成果表達。為了減少手工修改二維圖的繁瑣工作，盡量保持二維圖與三維模型的關聯性，可以極大地提高效率。對于結構規則、可復用程度高、結構簡單的結構圖可以采用文檔模板出圖，如廊道典型斷面結構圖及鋼筋圖、壩體澆筑塊結構圖、基礎處理的洞室斷面及洞內圍巖支護圖。但拱壩大部分結構屬于非標準的復雜結構，可以直接通過投影、剖切等方式生成二維圖，與三維模型保持關聯。由于經過校審后的設計方案和結構尺寸基本已經確定，最后完成的二維圖的元素與三維模型可保留關聯或打斷關聯關系，作為最后藍圖存檔。
6 拱壩結構的設計分析一體化
傳統的三維設計過程中，分析的主要任務是設計的后驗校核和事故分析。目前CAE工具存在多個系統并存的局面，使用不方便，而且培訓成本比較高。同時將幾何模型轉成分析模型，參數化信息丟失，不能與原來的CAD模型保持關聯，當幾何模型的結構和尺寸發生變化，只能重新建立分析模型，導致分析品質和效率的低下。
20世紀90年代前大部分CAD模型都是非參數化的，90年代開始以參數化為主，到2000年之后，發展到知識工程化。從本世紀初開始，以CATIA V5為代表的CAD軟件商強調設計的智能化，所有的數據都是參數化的，如各種設計方案可以通過EXCEL表格來驅動，用戶可以自己定義特征、規則等。在這種情況下，在PLM中集成CAE功能就非常重要了。與之相對應的．CAE的發展軌跡，從FEM到計算力學，再到CAE，參數化CAE已成為主流，通過設計數據參數化，容易進行形狀優化。此時的主流CAE開始講究與CAD系統界面的融合，使設計方案能夠得到快速檢驗。理想的情況下，設計和分析在同一環境下，也就是在PLM集成平臺，就可以實現設計一分析的快速循環，使得傳統產品開發變成短過程的開發過程，即設計一分析的循環型產品開發過程，也就是基于CAE或基于分析的設計。
未來CAE的發展，是要達到設計仿真一體化、分析模擬的數據和流程的統一管理、多學科仿真及混合有限元分析等。無論怎樣，設計、仿真一體化都是大勢所趨，未來CAE要更多為設計服務，為水工結構設計創新提供更好的支撐。
CATIA分析與仿真解決方案為我們提供了高度自動化、透明的分析解決方案。CATIA能夠自動進行網格劃分和初步的有限元分析，同時與原三維模型保持關聯。當三維模型結構發生變化，有限元模型也跟隨更新，無需重新建立模型，大大縮短了建模時間和提高了分析效率。設計人員可以隨時修改三維模型，分析人員可以利用已有的三維模型，進行水工結構的應力、位移等計算分析。
利用CATIA自帶的網格剖分工具生成的網格，提取節點、單元信息，按照ANSYS的格式編寫輸入文件，然后在ANSYS讀人節點單元信息，再賦值材料信息、荷載、邊界約束，進行有限元分析。
以錦屏廊道配筋計算為例，在對廊道進行有限元計算時，首先進行包括基礎的拱壩空間三維整體有限元靜力分析，將各個檢查廊道、監測廊道等細部結構模擬到壩體上，并取隔離體，重新加密單元網格，指定與整體模型同樣的分析類型和分析選項，并將整體模型上子模型對應邊界插值位移載荷數據文件讀人模型中，施加水壓、沙壓、溫度場、重力，然后求解分析子模型，并得出相應結果，并得出廊道周圍的應力分布情況（見圖7-8）。
有限元配筋方法：根據有限元計算成果，將應力成果插值到相應的計算剖面特征方向線上，繪制該特征方向線的應力圖形，再根據應力圖形面積，確定所需的鋼筋量(見圖9-10)。
圖7 錦屏一級廊道子模型及各個廊道相對位置
圖8 錦屏一級某廊道斷面的S1應力等值線
圖9 錦屏一級某廊道斷面廊壁附近的主應力
以錦屏邊坡穩定分析為例，通過以下步驟完成邊坡塊體的剛體極限平衡法的分析：
(1)在VPM協同設計環境下，在滿足計算精度的前提下，對地質專業的地形、地質模型進行簡化、輕量化處理（見圖11）。
(2)在CATIA完成拱壩建基面、纜機平臺、墊座邊坡的三維開挖（見圖12）。
(3)為了簡化計算，將巖層面和裂隙面等結構面假設為平面，用參數控制結構面的位置、走向、傾向，切割生成可能存在的塊體（見圖13）。
(4)利用CATIA軟件的測量功能獲取各個結構面的面積、形心位置及滑塊的體積，將這些幾何信息和結構面力學參數換算為揚壓力、滑動力、壓力、重力及其方向，按照穩定計算程序輸入格式編寫，然后用穩定計算程序計算滑塊的抗滑安全系數。
(5)按照一定步長調整各結構面位置、走向、傾向參數，計算出新的安全系數，求得邊坡最小抗滑安全系數。
圖10 錦屏一級某廊道斷面的各種應力
圖11 錦屏一級左岸地形地質簡化模型
圖12 錦屏左岸纜機平臺及建基面、墊座開挖模型
圖13 錦屏一級左岸纜機平臺開挖前后的滑塊體攫型
通過結合CATIA進行邊坡穩定分析，可以直觀地反映塊體的幾何形狀，可以直接察看楔體滑塊和滑動面的情況，有時候根據塊體邊界面的位置方向就可以直接判斷是單滑還是雙滑模式；能輕松獲取各個結構面的面積、形心位置及滑塊的體積，減少了大量重復工作，提高了計算效率。在進行巖質邊坡楔體穩定計算時，通常構成楔體的某一組或兩組結構面位置并非完全確定，這就要在一系列滑動面組合下搜索最小穩定安全系數，滑動面組合情況越多，利用CATIA軟件進行計算的優勢越明顯。
DS的全生命周期管理工具，CATIA、ENOVIAVPM、Composor等在我院的數字錦屏一級電站、溪洛渡電站、坪頭電站、伊朗巴哈梯亞瑞電站設計過程中，得到了全面的應用，實現了設計、分析的緊密結合和數據共享，在全相關的基礎上，實現了三維數字電站循環型的協同設計、分析過程。未來水工結構CAE仿真趨勢是仿真PLM一體化、分析模擬的數據和流程的統一管理、多學科仿真以及有限元仿真的融合。
7 結束語
通過部署MaxtriOne和CATIA/VPM協同設計平臺，整合了拱壩設計和業務流程管理，大大提高了質量和效率。通過VPM在線設計，實現了專業間、專業內的協同，設計分析一體化。通過對拱壩三維協同設計的探索，為實現數字拱壩信息模型的數字化產品移交的設計模式奠定基礎。
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本文標題：基于CATIA的拱壩三維協同設計
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