水电工程设计系统仿真探讨

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发布时间：2021-08-15

资料介绍

2 水电工程设计系统仿真的主要内容

根据水电工程设计需求，系统仿真主要包括三

部分内容：三维设计、数值计算、虚拟现实。水电

工程中的三维设计类似于机械行业的制造仿真，是

工程项目在施工建造之前，以所见即所得的形式在

计算机中进行预演的过程；数值计算是利用计算机

求解工程中数学问题近似解的方法与过程，以有限

元计算为代表；虚拟现实是在计算机中建立人机交

互的虚拟场景，使人们可以身临其境地获得与在现

实世界中相同的感知，如视觉、听觉、触觉和嗅觉

等。

2．1 三维设计

三维设计是相对二维平面图设计而言的，现实

生活中的物体大多是三维的，但过去由于受到技术

水平的限制，不得不采用二维平面图这种抽象的表

达方式。二维平面图设计是采用有限的平剖面来表

达复杂的空间三维模型，是设计的不完全表达。三

维设计不仅更加形象、具体，更符合人类的视觉和

思维习惯，而且三维设计采用的是连续的三维模

型，能在最大程度上逼近原型，因此三维设计才是

设计的完全表达。

三维设计成果主要用来指导施工建造，直接关

系到工程的可行性、安全性和经济性，处于设计的

核心地位。水电工程三维设计的特点是强调“精确

性”，即三维设计成果是否精确的表达了设计者的

意图。

2．2 数值计算

以有限元为代表的数值计算是结构设计中较为

先进的计算方法，在水电工程设计中的应用越来越

广泛。一方面，当前许多新技术的突破，如高薄拱

坝设计、新材料和新工艺的应用等，需要利用有限

元的计算结果进行论证；另一方面，当前的许多工

程技术问题，如抗震、温度场、渗流场等的计算，

用传统计算方法难以满足设计要求，必须借助有限

元进行模拟。

有限元计算成果往往决定了设计方案是否成立，

其特点是强调“真实性”，即是否真实地反映了客观

规律，其计算结果在数值上是否与实际接近。

2．3 虚拟现实

虚拟现实(Virtual Reality)是近年来开始应用于工

程设计的一种新技术，其在景观设计、教育培训、运

行管理等各方面均具有广阔的应用前景，可延伸设计

产业链、增加设计附加值。虚拟现实技术在水电工程

设计中的应用才刚刚起步，目前主要侧重于对视觉及

结构功能的模拟。

虚拟现实强调的是“像”，即在感知上最大程度

地逼近原型。

3 水电工程设计系统仿真的特点

水电工程设计系统仿真具有以下几个特点：(1)

复杂多样性。大型水电工程设计通常涉及到社会的方

方面面，需要进行仿真模拟的领域颇多，如结构安

全、施工条件、自然地理、社会人文等，且各种自然

和社会条件相互制约，增加了系统仿真的难度。(2)

具有较强的针对性。水电工程由于受到地形、地质、

水文、气象等诸多边界条件的制约，标准化程度低，

这不仅体现在不同工程项目的设计方案型式各异，即

使是同一个项目不同设计人员所做的设计方案也是千

差万别。因此水电工程系统仿真通常针对特定项目进

行，其他工程项目的设计仿真经验只能借鉴，不能照

搬。(3)以结构设计仿真为主导。在水电工程设计

中，结构的可行性、经济性是压倒一切的，因此在以

前的设计仿真中基本都是围绕结构设计进行的；由于

过去往往只注重结构设计，而在人性化、个性化设计

方面做得不够，忽视了工程建设与自然和社会的和谐

统一。(4)缺少软件系统平台的支持。由于水电工程

仿真的复杂性和特殊性，长期以来缺乏专业的设计仿

真软件平台，更没有形成系统的仿真流程。面对行业

现状，水电工程设计单位只能针对特定工程问题，引

进其他行业的成熟软件并加以改造利用，这也是导致

业内仿真平台分散的原因，不利于设计成果的共享，

且极易形成信息孤岛，严重制约了仿真效率和质量的

提高。

4 以CATIA软件为中心的系统仿真路线

CATIA是法国Dassuah(达索)公司研制的一款三

维造型设计软件，目前主要应用于汽车、航空航天、

船舶、通用机械制造等行业。由于水电设计行业一直

无专业三维设计软件，近年来国内水电工程设计单位

引进CATIA软件并进行了行业化改造，已成为水电

工程设计领域主流的三维设计软件。笔者尝试以

CATIA三维设计软件平台为中心，探索建立水电工

程设计系统仿真流程的可行性(见图1)。

以CATIA为中心的水电工程设计系统仿真采用

水平分层、垂直应用的模式：(1)水平上分为中心平

台、功能模型、辅助设计平台、工程应用共四个层

次。由于三维设计处于水电工程设计的核心位置，因

水利水电技术第44卷2013年第8期

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