[摘要]在水电站设计中如何在相对有限的空间合理布置大量设备，是机电专业关注的重要问题。本文针对水电站厂房内管道和设备，提出了一种基于知识工程的参数化三维设计方法，通过建立一个构件库，快速构建水电站厂房的管道和设备的三维空间模型，进行干涉检查和分析，提前发现并避免碰撞和冲突，使整个水电站布置更加科学合理。

[关键词]三维设计 管道 厂房 1 概述

水电站所处位置通常都是在崇山峻岭之间、大江大河之上，地形和地质条件复杂，水电站厂房的空间布置常常收到各种制约，并且水电站厂房内通常还有超大型的设备，如水轮机、发电机等，厂房内设备繁多，使得机电专业在设计过程中需要花费大量的精力考虑设备的布置是否合理，是否碰撞等。

现阶段设计人员通常使用二维设计方法，依靠个人设计经验和各专业之间的反复校核，才能确定设备的布置位置。这种办法基于二维图纸，实际布置是在三维空间内，不能直观的反映设备在空间的实际位置，和各个设备之间什么样的层次关系，仅仅依靠经验可以判断大型设备是否合适，受手段限制不可能很周全，有些细节地方容易出现问题。假如出现碰撞等情况，现阶段大多还是现场解决，这样或多或少影响工程的质量，增加工作量，最关键的是一旦出现问题调整起来比较困难；假如设计人员使用三维设计，那么通过三维模型可以很直观的看到厂房的整个空间布置，宏观上有一个整体概念，哪个地方布置哪种设备，可以更好的进行规划，这样就可以尽最大可能的避免设计上的失误。同时，不同专业有冲突，在修改设计的时候也有个参照，这样更能保证工程的质量和进度。

CATIA V5 是IBM 和Dassault System 公司共同推出的新一代CAD/CAE/CAM 软件，目前世界范围内是应用面最广，影响力最大的CAD 软件。CATIA V5 具有强大的知识工程和参数化建模的功能，并允许用户自由和开放式的建立自己的标准件库。本文就以我公司实际项目为例，使用CATIA V5 平台，研究和探索了厂房内管路的三维设计。

CATIA V5 虽然有自带设备与系统模块和标准件库功能，但其开发格式是开发商自定义的专业格式而且不全面，目前还不能有效的和我国的行业标准结合起来，同时具体到各个企业又有各自的一些标准，因此本文选用CATIA 的基础模块和自己定制设备标准件库。

2 水电站厂房管路三维设计方法和过程

2.1 三维设计方法

机电专业人员考虑如何在厂房内布置管道及设备，不仅有方向上的考虑，还要有尺寸方面的考虑，同时也包括设备的选型，设备的尺寸形状直接会影响空间布置，所以三维设计里也需要考虑这些因素，设计中主要采用参数化设计、模板、知识工程等。

2.1.1 参数化设计

参数化设计是利用原有设计，提取一些主要的定形、定位尺寸或数量等数据作为自定义变量，修改这些变量的同时由一组公式计算出并变动其它相关尺寸，即可得到所需的新的设计产品。

2.1.2 模板

模板指系统化工程部件设计的集成体，其具有很强的适应性和变形能力。模板创建时提取出的点线面等元素的基本原则是可以起到控制性作用的元素。

在产品中插入多个模板以后，实例化的模板中间的参数能相互引用，在单独的一个模板中参数引用是以参数等于外部参数方式引用。

CATIA V5 提供了创建用户特征和创建超级副本的功能来建立模板，创建用户特征或超级副本就是将整个封装设计过程进行封装，包括设计中的参数和相互关系，封装后成为一个有固定特定又有相对适应性模板，类似Office 里创建宏的功能。

2.1.3 知识工程[1]

CATIA 知识工程模块能有效地把产品的知识库结合到产品的开发设计中去，能使设计人员在确保提高设计效率的同时，遵循最佳的设计实践。CATIA 知识工程顾问模块能将隐含的设计实践嵌入整个设计过程，并转化为明确的知识。

CATIA 知识工程模块允许用户设计知识库并且对库进行管理，这些知识库可以捕捉企业知识并自动执行知识，包括最佳实践、应用过程、设计确认和设计修改等。团队内所有成员都可以使用知识库，这可以保证团队内所有成员符合统一标准。

2.2 三维设计过程

水电厂房内管道繁多，水、油、气管交错布置，并且管道上各种阀门设备尤其多，设计人员应根据厂房整体的结构模型考虑，合理地设计整个厂房内的管道布置和相关设备的布置。整个设计工程应保持参数化，以便后期调整和修改。详细步骤如下：

2.2.1 建立参数和参照元素

管路部件都是根据各种标准生产的标准间，需要提取并建立关键的参数，比如管径、机组间距等；另外，设计伊始需要建立必须的参考元素，主要是点线面，比如高程面、机组中心线等等。

2.2.2 建立管路基线

不论哪种管道，管内都有一个中心线，故需要先把这个中心线搭建布置出来。

在CATIA V5 的专业模块里，管道设计是从此步开始，不过，CATIA V5 功能模块里提供的工具是基于定制好的标准的，和国内的标准不一致，使用起来不是特别方便，故采用基础模块里线条设计来设计中心线。

CATIA V5 的创成式外形设计模块提供了很多线条工具，包括、圆角、相交、投影[2]等等，结合草图设计，可以方便的设计出整个需求的中心线，在整个设计过程中，保持参数约束，方便后期设计中发现纰漏时修改。

2.2.3 建立和调用设备零部件的模板库

CATIA V5 的管道设计模块里提供了布置设备功能；通过此功能可以调用软件里提供的标准件库里的标准件库，但CATIA V5 提供的标准件库里的零件和水工所需的并不相同，因此，设计人员需要自行建立相应的标准件库。

标准件库作为知识的集合，需要设计者建立不同的设备模板，建立模板时，要提取一些主要的参数和控制元素，以便调用模板时控制和调整设备模型。

通过不同项目的积累，设备数目越来越多，这时候管理就是一个问题，CATIA V5 提供了一个库管理系统，设计者添加不同的系列分类，系列下添加零件特征。也可以对零件添加关键字和参考等，方便管理。通过将不同种类的设备分类后归入一个模板库，作为单位的知识库积累。

2.2.4 构建管路系统

通过调用已经建好的管路模板库，依照设计好的管道中心线，快速布设整个管路系统，如果遇到新的设备，可以随时新建模板并添加入库，在调用模板时需要一些定位点，可以根据建立的模板添加所需求的控制元素，通常是点或者面。

所有的管路通过调用模板库布置完成后，最终效果如图1所示。