1 引言
CATIA三维设计已经在多个行业中成功应用，如航空航天、汽车工业、船舶制造等领域，近些年来，一些国内著名的水电工程设计院也开始采用该软件进行水电工程三维设计，CATIA已经在土木工程三维设计领域崭露头角。由于CATIA主要是针对航空航天领域进行开发，在水电工程设计领域应用的时间并不长，故在最初的水电工程三维设计中，需要积累各种水工建筑物模型模板，模板累计越多，模板本身的灵活性越高，参数化水平越高，水电工程设计的效率才能越高。
水工建筑物的种类繁多，其对二维施工图的要求也较高，往往建立一个模型需要花费很长时间。比如，水电站发电厂房结构形式多样，各个组件之间的关系错综复杂，但是在掌握了设计方法后，仍然可以通过小部件的参数化拼接来实现整个厂房模型的参数化，从而满足各种水电工程厂房的形式需要。通过建立这类常用且通用性较好的模板，就可以减少重复输入，大大提高工作效率。本文将结合CATIA知识工程设计模块中的部分功能，结合参数和规则进行模板参数化设计，结合作者多年的设计经验，实现精细化建模，从而满足高效、快捷的设计要求。
2 模板设计
水电工程也属于土木工程领域，其应用较多的还是板’、梁、柱，栏杆，楼梯等结构形式，好的模板可以适应任何的工况，且让设计者能够易于理解，灵活应用，下面作者主要对水电工程中由板、梁、柱组成的框架模板及栏杆模板进行讲解，最后通过一个楼梯的设计模板将这些模板设计思想进行统一。
2.1 梁柱模板的设计
梁柱的模型虽然简单，但是在工程设计中，梁柱数量很多，一个个输入也比较繁琐，把梁柱建立成模板，重复输入，可以大量节约时间，并且不需要修改草图，直接修改参数即可。比如，发电厂房主要的梁柱形式为矩形形式，它们的控制参数主要是位置，宽和高，柱的输入条件是位置点，底面，顶面，其参数有柱宽，柱高，宽度方向偏心距，高度方向偏心距。梁的输入条件是轴线，起始端和终止端，以及梁顶面，其参数有梁高，梁宽，偏心距。
将梁柱模板设计成为用户特征，可以插人到其他零件里去，还可以利用梁柱模板建立框架结构模板，将框架结构模板设计成为超级副本，这样的模板插入后还保留了原有的设计过程，方便后期深度修改。
框架模板的建立步骤如下：首先建立输入条件，输入条件有轴网控制点，底面，第一层平面，二层平面，三层平面；利用底面和控制点分别建立一个横轴的草图和一个纵轴的草图。利用创成式设计中的相交命令，使纵横轴两个草图相交，得到相交点群；利用其中一点插入柱，然后利用相交点群，用户阵列柱，就能得到全部的柱子；（其中不需要的柱子可以在选择点群时点选取消）；然后，新建几何体，此几何体可以命名为一层板梁，利用轴网位置控制点和一层平面，建立第一层板，再利用板、一层平面和轴网中的某一个轴线，将梁一个一个插入到此几何体内，这样一层的板梁建立完成；同理建立二层板梁，三层板梁。完成后，建立超级副本。使用时，直接插入到零件中去。
2.2 栏杆模板
水电工程图中，栏杆大多只为示意，栏杆做法一般见标准图，所以栏杆样式只需要设计成比较简单的样式。栏杆的输入条件为两点和一条竖向线或者水平平面。为设计美观和简单，不需要参数控制。栏杆高度设置为1.2m，共三道横向钢管，中间栏杆柱间距在1.2m左右，相邻两个栏杆柱的间距相等。
建立过程如下：首先建立输入条件，两个点和一条竖向直线；用直线连接两点，利用此线和竖向直线，建立平面，以此平面和输入点，建立草图。
新建参数，LS：两点间距，JL：栏杆柱间距，NU：栏杆柱数量。
LS=distance(端点1，端点2)
栏杆柱的个数随两点间距变化而变化。如果两点间距小于等于1.2m，则没有中间栏杆柱。需要建立规则如下：
根据同样的方法还可以建立其它栏杆类型，以满足工程设计要求。
2.3 楼梯模板
通常水电工程中用的楼梯都是板式两跑楼梯，而水电工程中的层高以及楼梯间的进深和宽度都不相同。有的相邻两跑楼梯的休息平台长度也有不同，有时受到其他因素的影响，楼梯的支撑方式也有所不同。为了同时满足这些条件，需要设置很多参数并加载不同的模板，进行组合。
图1 框架模板
2.3.1 首先建立楼梯板的特征模板
(1)先建立输入条件，两条相交的直线，一条线为位置线，一条为方向线，并利用相交直线得到相交点，以及一条直线端点的法线面。以此法线面和端点建立踏步草图，此草图控制参数有踏步高度、踏步宽度、踏步厚度、楼梯板高度。见图2。
图2 踏步草图
以此草图拉伸一个梯板宽度后得出踏步实体，再根据踏步个数、踏步阵列间距、阵列方向选择草图中的斜线，从而得到踏步板。
式中，n-踏步个数；
h-楼梯高度；
b-踏步高度。
式中，s-踏步阵列间距；
a-踏步宽度。
(2)建立上下休息平台，上下休息平台的草图和踏步草图建立方式相同，实体拉升长度为楼梯板宽度。楼梯井上下游休息平台建立完成后，用下休息平台的底面切割实体。
(3)一般相邻两跑楼梯之间设有楼梯井，且各层楼梯井的宽度都会有所不同。由于层高不同，相邻两跑楼梯之间的休息平台长度也有所不同。见图3。此时需要建立一个新的凸台，以填充休息平台之间的空隙，凸台长度定义为楼梯井的长度，此长度取相邻两跑楼梯休息平台的最小值，这一取值的修改需要放在后面修改。
图3 长度不等的休息平台
(4)栏杆可以采用先前的栏杆模板放在楼梯板踏步两侧或者一侧。也可以在此重新建立栏杆实体。栏杆建立完成后，做成知识工程模板（用户特征）。
2.3.2 模板组合
(1)建立新的零件（楼梯），建立两条水平相交直线，新建几何体，在几何体内插入第一跑；再新建几何体，以第一跑的上休息平台实体上的两条线作为输入条件，插入第二跑。以此插入到第10跑或者第20跑（数量可视需求可多可少）。
(2)以相交直线作为输入条件，建立轴网，将柱的模板插入到新的几何体中（几何体命名为柱），一般最多需要输入8个柱子，柱子的顶面不要采用楼梯板实体上的面，应该新建平面作为柱子的顶面。
(3)以楼梯板的上休息平台表面作为梁的顶面，柱的侧面作为起始端和终止端，轴网中的轴线作为梁的轴线，输入梁模板，建立垂直于上下楼梯方向的梁实体。根据梁的位置，将梁分为一侧边横梁，另一侧边横梁，一侧中间横梁，另一侧中间横梁共4个几何体。
(4)实际工程中，有的休息平台是单向板，有的是双向板。这就需要在休息平台两侧增加“┌”型梁。“┌”型梁可以参照矩形梁做成模板。同样，也分为四组纵梁。
(5)如果楼梯板的支撑方式只是两端支撑，没有中间横梁，楼梯板的形式是满足设计要求的。但是若有中间横梁，楼梯板就会多出一部分，这一部分必须修剪掉。修建这一部分的方法是参照中间横梁建立草图，来消除此部分。
(6)如果楼梯板的支撑方式只是两端支撑，没有中间横梁，楼梯板的形式是满足设计要求的。但是若有中间横梁，楼梯板就会多出一部分，这一部分必须修剪掉。修建这一部分的方法是参照中间横梁建立草图，来消除此部分。如图4。
图4 楼梯多余修建部分
(7)楼梯板、梁柱建立完成后，需要对部分参数进行修改，例如第一跑的上楼梯井长度就等于第一跑上休息平台长度和第二跑下休息平台长度中的较小值。采用公式如下：
式中，LTJ-楼梯井长度；
PAO1.UXP-第一跑上休息平台长度；
PA02.DXP-第二跑上休息平台长度。
同样的方法修改其它楼梯板中的楼梯井长度。
(8)利用楼梯板的参数对轴网进行参数化修改，使梁柱的位置和楼梯板的位置相对应。然后进行布尔运算，分类将各个几何体装配在一起。然后发布楼梯实体。至此楼梯模板便设计完成，见图5。
图5 楼梯模板
2.3.3 模板的使用
首先根据楼层的层高，以及楼梯间的进深和宽度，对楼梯参数表进行修改。多余的楼梯板可以删除，也可以直接切割掉。不需要的梯梁可以删掉，也可以从楼梯实体中取消其布尔运算，不然它会在发布结果中出现。
然后将楼梯与主体结构装配在一起，将楼梯实体发布结果引用到主体结构中即可。
2.4 管槽边坡模板
压力钢管管槽两侧的边坡的最大坡比垂直于边坡上的水平线，而不是垂直于压力钢管的中心线。而我们在设计两侧边坡时，设计方法是在垂直于管轴线的一个铅直面上建立一个草图剖面，给定一个边坡角度后，对草图沿管轴线进行拉伸。这个边坡角由最大坡比和管轴线所决定。它们的关系见以下公式。
式中，m-最大坡比；
θ-管轴线与水平面的夹角；
α-所求草图边坡角。
根据以上数值关系，模板设计过程如下：
(1)建立输入条件：不在一个水平面的任意两点，以及通过某一点的水平平面。
(2)将两点连接成直线（管轴线），投影到水平平面上。沿此水平投影线建立一个曲线的法向平面。参照法向平面和一个端点，做一个边坡剖面草图。
(3)建立参数，输入参数。包括管轴线距底面的高度，底面的宽度，最大坡比。中间计算参数包括管轴线与水平平面的夹角。此夹角采用以下公式计算：
θ=angle(管轴线，投影线)
(4)利用参数对草图进行约束。将草图沿管轴线拉伸。最后再输出成用户特征。
3 结语
上述模板类型包括特征模板、超级副本、文档模板，其中还有嵌套模板。水工建筑物种类繁多，外形复杂，作者通过对板梁柱、栏杆、楼梯等通用模板的详细介绍，从而为相关设计人员提供思路和方法。读者可以借鉴这样的思路和方法，不断地积累经验，总结思想，从而设计出更为优秀的模板，满足不同水电工程的设计需求。
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本文标题：CATIA在水工建筑物模板设计中的应用
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