基于3DE平台的大坝分割技术研究

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場景三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。

模板设计允许交互式创建特性、部件和组装模板，这些模板封装了几何规范、相关参数和关系（知识），以便进行关联重用。用户特征（图2）是知识工程模板的一种呈现方式，它实质是一个黑盒，通过确定一个或多个输入条件，在不开放设计方法和规则内部的知识资产的前提下，将设计数据传递给合作伙伴，使合作伙伴能够利用这些内在的知识。

根据大坝分割的技术特点，沿坝体轴线方向分割的模型都具有相似性。通过修改分割面，模板可以重复利用，也可以通过建立参数化的模板库，直接调用模板进行复用。3DE平台提供了工程语言来帮助工程师高效复用这些模板，利用知识工程语言，实现模板的快速实例化。该工程语言通俗易懂，未学过编程语言的工程师也能轻松上手，实现模板复用。通过工程语言中的模板资源，能够实现用户特征模型的快速实例化，其中部分代码如下：

#建立几何集

Set oPBodyFeature = new（"OpenBodyFeature"， "拱坝分缝"， `沿坝轴线分缝` ）

#遍历特征体

iDam = iDamPF.Find（"MechanicalFeature"， NULL， true）

lstStr = List（"A"，"B"，……，"Z"）

#快速模板实例化

i = 1

for i while I <= IstSplitJoints.Size（）-1

{

UDFeature = CreateOrModifyTemplate（"CjwUDF"， oPBodyFeature， ` lstResSplit`， i）

UDFeature.SetAttributeObject（"拱壩"， iDam）

UDFeature.SetAttributeObject（"左侧面"， IstSplitJoints.GetItem（i））

UDFeature.SetAttributeObject（"右侧面"， IstSplitJoints.GetItem（i+1））

EndModifyTemplate（UDFeature）

}

3.1.2 基于部件（CBD）的设计元素和设计模板分割

CATIA三维建模应用发展到3DE体验平台后，已经可以适用于12个行业应用领域，针对各领域不同的建模方法和思路，在3DE平台上对水利水电工程达索系统提出了创新的建模方法：用于创建从概念设计到详细设计的可重复使用的部件模板，模型颗粒度范围为LOD100～LOD500。模板可以是用户特征和工程模板。该方法被称为基于部件的设计方法，简称CBD（Component Based Design）设计方法（图3）。

CBD方法最早是为了解决水利水电行业中从概念设计到详细设计过程的问题而提出的。该方法的核心思想是通过锚点在3D零件中捕捉设计意图，通过将与锚点关联的特征模板（UDF）一次性实例化以创建概念设计模型，然后通过将跟锚点关联的基于产品的工程模板或装配一次性实例化，而在产品结构中得到详细设计模型。CBD设计方法还支持更改LOD级别，即转换特征级模型为产品级模型，根据提供的输入元素可自动实例化和同步用户特征。工程模板的创建与用户特征的输入相同，在产品装配中可一键自动转换用户特征为工程模板，加快了概念模型到详细模型的转换速度。

3.2 基于CBD的大坝施工模型分割技术

坝体浇筑是以筑块（对于混凝土坝来说是浇筑块，而对于土石坝而言是填筑块）为单位进行的，一个大坝由若干个筑块构成。筑块作为对象，其属性主要包括筑块所属坝段号、图形模型描述、材料属性及仓号。为了得到筑块高程信息且满足多方案对比的需求，运用3DE平台的CBD设计方法，可实现对大坝施工模型的精准分割和多方案比对。

3DE平台的CBD设计方法主要就是通过创建设计模板和定义设计元素实现。在大坝施工模型分割技术中，设计模板可以实现特征级别到产品级别的大坝施工模型细分，设计元素则指明CBD设计过程中特征级别和产品级别的出处。可将运用CBD设计方法构建大坝筑块的三维数字化模型与传统的大坝分割模型进行对比，如图4所示，通过对比可清晰分析出传统大坝分割技术和CBD分割技术的优劣。利用大坝的参数化建模，通过CBD分割技术，可一次性高效完成筑块模型的转化，且可修改、复用，其灵活快捷的方式更有利于工程师完成大坝施工模型的细部处理。

3.2.1 CBD设计元素

建筑模型信息（简称BIM）对建筑物的信息进行一致的集成管理，被认为是建筑全生命周期管理中必不可少的技术[11]。将BIM的基础性研究融入到3DE平台中可以预先有效地分析和优化施工组织和资源配置，从而保证真实施工的顺利进行。CBD设计元素也是由BIM统筹者创建，其包含产品属性和资源表。资源表提供对象定义的3D缩略图信息和特征模板、产品模板信息，能实现在定义某一业务对象为指定的设计元素时，不影响其产品结构。

设计元素实例化的方法有3种：适应性、参考和分布。适应性的实例化方法可根据上下文的输入得到模板实例化结果;参考的实例化则是简单将对象实例化的过程;而分布的实例化是将与关联特征带链接地简单复制的过程。根据大坝施工模型分割的设计需求，需要选择相应的设计元素类型（图5），且在3DE平台中，需要保证设计元素类型与设计模板类型的一致性。该案例中创建的设计元素类型为适应性。通过构建的大坝施工模型设计元素类型得以对该对象类型进行配置，如BIM属性、资源表等。

3.2.2 CBD设计模板

3DE平台的知识工程模块提供了丰富的工具，例如参数、关系、公式、规则等手段，以将企业知识嵌入到零部件中，然后通过提取这些知识，在企业内部进行配置，从而实现企业知识的重用，提高设计效率。设计人员在进行模板设计时，无需掌握模板的制作原理，只需确认目标模型中输入的关键参数即可。调用时，模型内部会自行进行运算与调整，快速生成符合设计想法的几何形状。3DE平台中知识工程的主要命令包括：① 公式命令，可将图形的尺寸、比重、体积等数据以参数的方式表示，通过编辑参数，可以控制产品的特性设计;② 设计表命令，可将标准设计的变量名称及变量值与Excel 链接制成表格，并通过读取所列的Excel文件，将文件的变量与Excel的字段链接;③ 函数命令，通过建立参考方程，利用一个参数来定义另一个参数;④ 规则命令，通过参数数值的判定逻辑来制定规则，以预防在设计中参数值违反设计规范。

用户可通过几何模型的表现形式，提取模型中的主要定位、定性或尺寸参数作为自定义变量，利用数学公式、几何拓扑约束和规则建立灵活的几何模型。将几何模型分解成层次合理、相对简单、标准化的单个模块，构建成用户特征或工程模板;在修改时模型可以自动更新，提高修改时生成模型的效率。这种通过用户特征或工程模板实现一键实例化的功能，也能融合到3DE平台的CBD设计中，且这种通过知识组件封装后的设计方法能带来更好的设计体验。

除了在3DE平台中基于设计元素选择相应的设计对象类型外，还需要将用户特征和工程结构区分开。一般而言，用户特征被通过知识工程思想创建到设计对象类型的骨架中，筑块按用户特征模板的设计思路，通过统一的锚点定位，按一致性的输入条件，创建最小单元的筑块个体几何模型（图6）;将筑块切割尺寸以参数的方式建立并保持关联，可以方便模型的调整。

3.3 基于3DE平台的大坝施工模型分割

区别于一般的几何模型，大坝施工模型是一种动态模型，会随着大坝施工进程不断变化。由于大坝施工仿真要反映大坝的动态上升过程，所以需要根据施工工艺把大坝分成若干个筑块。大坝施工模型数据比较大，使用常规建模方法对大坝进行切面划分的工作量太大;且在大体积混凝土施工中，经常会出现裂缝的情况，而为了避免裂缝情况的发生，通常会给大坝坝体设置横缝、纵缝，这样就会形成许多坝段和筑块。在3DE平台上，用户也需要结合工程实际情况，对大坝坝体采取坝段和筑块分别不同的切割方式。

大坝施工模型的坝段分割就是利用3DE平台的知识模板特性，建立坝段分割模板，以大坝和分割面为输入条件，通过知识工程语言快速对大坝施工模型沿坝体轴线进行分割。通过大坝分割模板的复用和根据不同分割面要求，确保工程师通过知识工程和捕捉来实现工程设计过程中的重复性作业，且不需要技能方面的编程资源，就可以实现工程设计经验的积累和共享。

由于大坝施工模型经分层分块后，其筑块数量可达成百上千个，为了便于施工使用，需要将筑块从特征级别转为零件级别。在实际施工过程中，每个筑块由于受到外界环境和混凝土浇筑量等不同因素影响，施工顺序和施工组织也都不一样。为满足施工组织要求，会对沿大坝高程方向划分的筑块根据模型的几何尺寸、空间位置和使用功能等进行多方面考虑，沿高程采取参差不齐的分割。

在三维设计早期的设计思想中，将特征转换为产品是通过软件自带的宏命令或VB编程来实现的。在3DE平台下，通过知识组件的设计，运用CBD设计方法就可以达到想要的结果。CBD设计方法应用的根本就是进行部件规格的捕捉，而创建部件规格有单个规格、按模式选择、曲线模式和线性模式4种方法。每个方法都有其应用特点：① 单个规格通常是进行手动选择的时候使用;② 按模式选择通常从集中对象选择（几何图形集或几何体）或定义输入阵列（点或轴系）;③ 曲线模式则为沿曲线创建阵列的方式;④ 线性模式则是沿着某个方向创建阵列。基于大坝分割的特殊需求，案例中选择了曲线模式进行处理，以满足不同位置上的大坝分割需求（图7）。

4 大坝施工模型分割技术应用

在土木工程设计中，尤其是建筑及交通领域，存在很多相似形状的构件（比如双倒角盖梁、长方体承台、圆柱形桩基等）。一般在实际应用中，同一个项目内，相同尺寸、相同结构只需要创建该构件及其编号一次，但相同结构、不同尺寸的构件却需要分别创建相应构件及其编号，即使是同一构件，在不同项目放置的位置也不一样，此时需要再重复创建编号，以便于统计所有构件的总工程量。

本文利用3DE平台的CBD设计方法，根据预定规则创建所需的点、线、面等几何元素，并基于这些几何元素进行了精细化结构设计;且知识工程组件有助于工程师通过简单的脚本编写，快速实现大批量几何特征及复杂设计结构的批量建模（图8），同时保证了后期设计变更的快速进行。

CBD设计方法根据土木工程行业的特点，结合3DE平台的技术优势，通过知识工程组件的封装改良使所需要的模型和结构快速成型。在模型概念设计阶段，通过定位到CBD的特征模板，设计人员能够将特征快速实例化以验证方案设计的合理性和规范性。在模型详细设计阶段，通过定位到CBD的产品模板，设计人员能够将产品结果便捷地实例化，为后续施工仿真奠定了坚实基础。

5 结 语

本文系统阐述了基于知识参数化设计的大坝施工模型智能化分割技术的实现方法。应用基于达索系统3DExperience平台提供的知识组件，用标准形式封装通用模块后，实现自动批量实例化部件且满足了不同位置的分割需求。设计过程可以通过无需编程的方式定义所述知识组件之间的数据关系和执行关系，建立这些知识组件之间的关联关系，优化工程设计的过程，并通过知识组件的集成化应用，动态生成、变更、执行和重用设计过程，从而提高工程设计效率。

参考文献：

[1] 朱光熙， 徐世志. 缆机浇筑混凝土坝的计算机模拟技术研究[J]. 水利学报， 1984（2）：62-71.

[2] 王仁超， 钟登华， 查京民. 高碾压混凝土坝施工过程仿真研究[J]. 水力发电学报， 1995（1）：25-37.

[3] 袁光裕， 晏新春. 三峡泄洪坝段混凝土施工计算机模拟[J]. 武汉水利电力学院学报， 1992， 25（1）：38-44.

[4] 孫锡衡， 齐东海. 水利水电工程施工计算机模拟与程序设计[M]. 北京：水利水电出版社，1997.

[5] SONG L， ELDIN N N. Adaptive real-time tracking and simulation of heavy construction operations for look-ahead scheduling[J]. Automation in Construction， 2012， 27：32-39.

[6] WANG W， WENG S， WANG S， et al. Integrating building information models with construction process simulations for project scheduling support[J].Automation in Construction， 2014， 37：68-80.

[7] 李小帥， 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.

[8] 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.

[9] 孙锡衡， 齐东海. 水利水电工程施工计算机模拟与程序设计[M]. 北京：中国水利水电出版社，1996.

[10] 何朝明， 邱向东， 李柏林， 等. 300m级高拱坝设计与施工三维可视化仿真研究[J]. 水力发电， 2006（3）： 24-26，38.

[11] 姬忠凯. 混凝土坝施工仿真智能建模方法研究[D]. 天津：天津大学，2014.

（编辑：高小雲）

Research on dam segmentation technology based on 3DE platform

ZHENG Yang1， ZHANG Ke2

（1. Wuhan Office， Shanghai Jiangda Technology Development Co.， Ltd.，Wuhan 430056，China; 2. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： Computer aided design technology has become a powerful tool to solve complex mathematical models in the process of dam construction. In order to realize information integration， interactive design and analysis for models， 3DExperience platform is introduced based on the existing dam model. With the 3D design function of this platform， a component-based design method is used to complete the division of the detailed model structure of the dam. Through 3D digital modeling， a rule-based knowledge engineering template is established， which can improve the modeling efficiency of designers， facilitate designers to formulate reasonable construction schemes. The research results can provide a reference for construction organizations and designs。

Key words： 3DExperience; dam construction simulation; detailed structure; computer aided design