第三节 水工建筑物的CAD设计

一、基本概念

计算机辅助设计（Computer-aided design，CAD）是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储能力和数据处理能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断、创造性劳动进行高质量设计的一种专门的技术手段。它可以加快设计进程，缩短设计周期，提高设计质量。

CAD技术是一种全新的现代设计方法，推动了设计技术的革命，已显示出了巨大的经济效益。CAD技术作为电子信息技术的一个重要组成部分，是促进科学技术成果的开发和转化、实现设计自动化、增强企业技术创新能力和竞争能力、推动社会发展进步的一项关键性高新技术。随着计算机技术的发展，CAD技术日趋成熟，并广泛应用于机械、电子、建筑、汽车、航天航空、轻工、纺织、地矿等领域，使产品设计和工程设计的工作内容与方式发生了根本性的变革，并产生了巨大的效益。

CAD技术发展至今，已经历了二维绘图、线框模型、自由曲面造型、三维实体造型、特征造型等重要的发展阶段，其间又有参数化、变量化等辅助技术的出现。而源于航空航天工业，以其精确、安全和高可靠性，满足航空航天领域中各种应用需要的三维设计软件CATIA V5，共有11个几乎涵盖现代工业领域的全部应用的功能模块：基础架构、机械设计、外形设计、分析与模拟、工厂规划、加工制造、数字化模拟、设备与系统、制造加工的数字过程、人类工程学与分析和智能模块。CATIA V5先进的建模功能与完善的仿真技术，无疑为形成贯穿水利水电工程设计全过程的CAD集成系统提供了一个相对完善的软件系统支撑环境。

二、CAD系统的构成

要实现计算机辅助设计的目标，不但需要强有力的硬件支撑环境，更需要有计算机图形学、工程数据库以及入工智能等软件技术作为不断发展的基础。

（一）CAD系统硬件

20世纪80年代，中型机、小型机（VAX）和工作站（SUN、HP、IBM）是支持CAD/CAM系统的主要硬件。

20世纪90年代，随着微电子技术突破性的发展，个人微机的性能提高很快，将原来用软件来实现的算法改用硬件来实现，即所谓软件硬化技术，同时价格的降低带来了个人微机的普及，个人微机及联成网络的高档微型机，已逐步成为CAD硬件的主流。

（二）CAD系统软件

CAD系统软件可分为3个层次：

1.系统软件（一级软件）

用于计算机的管理、维护、控制和运行，主要有：

（1）操作系统：DOS、WINDOWS、UNIX，以及用于对计算机系统的资源（硬件、软件）进行管理和控制的程序，是用户与计算机的接口。

（2）程序语言编译系统：FORTRAN、C⁺⁺、BASIC，以及多种编程服务程序、常用的数学库、错误诊断、检查程序等。

2.支撑软件（二级软件）

这是CAD系统的核心软件和开发应用软件的基础。支撑软件包括图形绘制软件、工程数据库管理系统、网络管理系统、用户接口等。其中，计算机图形学和工程数据管理技术与CAD发展关系最为密切。计算机图形学主要包括造型技术、画面绘制、图形显示、人机交互技术以及图形标准化等内容。当前计算机生成图形有交互式方法和参数化方法等。

三维图形绘制与设计是工程设计的必然趋势，三维图形绘制与设计技术在机械、电子、航空、航天以及建筑等行业已经得到广泛的应用。

目前国内外流行的三维设计软件很多，根据产品的性能及应用领域的不同，大致分类如下：

（1）用于三维渲染绘图设计，如3DMAX、MAYA等。

（2）着重于三维建模功能，如AutoCAD、Solid Works、ANSYS等。

（3）大型集成化系统，它不但兼有CAD／CAE（Computer Aided Engineering）软件之长，还集成有CAPP（Computer Aided Process Planning）、PDM（Product Data Management）等分析、工艺、产品资料管理等功能，如法国著名飞机制造公司Dassau1t与IBM公司合作，共同开发推出的CAD/CAM/CAE/PDM应用系统CATIA V5、美国Unigraphics Solutions公司开发的三维参数化软件Unigraphics（简称UG）、由设计至生产的机械自动化设计软件Pro／E、Autodesk等。

3.工程设计应用软件（三级软件）

这是设计者与CAD系统的界面，是用户根据本专业工程设计规范和要求，利用系统软件和支撑软件开发的专用软件。

1999年5月推出的CATIA V5，具有供用户进行二次开发的自动化接口，鼓励第三方软件在CATIA V5平台上运行，用户可以使用Visual C⁺⁺、Visual Basic等语言进行本专业领域的专用设计软件开发，完成宏程序执行，实现用户界面定制以及特殊几何形体的生成等功能。

三、中国的水工CAD技术

水工CAD应用软件的发展已经经历了3个阶段：①单功能CAD系统；②基于文件管理方式的多功能CAD系统；③基于工程数据库技术的集成化CAD系统。前两类CAD系统的主要问题是使用不方便，难于保证数据的一致性和可靠性，系统工作的质量和效率不高。为此，人们通过不断努力和探索，认识到只有建立集成化的CAD系统才是正确的发展途径。集成化系统是以工程数据库为核心，具有层次结构，包括两方面的要求：①CAD系统的功能齐全有力，在整个设计过程的各个阶段中都能有效地使用CAD技术；②要求从设计数据的输入，生成各阶段设计成果，直到生产与工程管理，能形成一个完整的信息流通过程。

针对水利水电工程建设各设计阶段的不同特点，用于各设计阶段的CAD软件侧重点应有不同。

（1）前期勘测规划阶段。CAD软件主要用于收集工程的地形、地质、气象等资料，输入到系统的数据库中，建立数字化的地形地质模型，提供后续设计所需的信息。

（2）可行性研究阶段。CAD软件主要用于数据库建立和应用，根据国家政策法规、规划要求及其他工程设计资料，进行可行性设计方案分析论证。

（3）初步设计阶段。CAD软件主要用于几何建模、设计方案的技术经济比较、形成最优设计方案、数值分析计算和结构优化。

（4）施工图设计阶段。CAD软件主要用于具体的结构计算分析，施工图绘制，综合协调各专业成果，完成分析、计算、绘图、材料统计、文件报表、概预算等系列工作。

中国水工CAD技术开发与研制工作始于20世纪70年代中期。进入80年代，水利水电系统的各大设计研究院在美国原Calma公司的DDM软件支撑环境下，分工在Apollo工作站上开发了拱坝（中南勘测设计研究院）、重力坝（华东勘测设计研究院）等水工CAD软件系统。

中南勘测设计研究院开发的拱坝CAD系统总体采用结构化设计方法，将拱坝设计分为若干功能模块，每个功能模块再进行细分，各个功能模块之间有联系，由主控程序实行统一调度，设计人员可以按主控程序的提示，以任意顺序执行各个功能模块，各功能模块设置见图5-6。

主控程序界面为用户操作界面，以传统的拱坝设计流程作为主控程序的控制流程，应用主控程序实现对所有模块的控制，即可完成拱坝各个环节的设计工作，主控程序的基本结构如图5-7所示。

随着个人微型机的迅猛发展，由网络和服务器型计算机构成的客户/服务器结构计算机环境比小型机、中型机更灵活方便，且个人微型机基本上能实现原Apollo工作站上开发软件的功能，因此一批微机水工CAD软件陆续推出。如天津勘测设计研究院开发的电站厂房CAD系统、中南勘测设计研究院开发的隧洞CAD系统等。