林述濤 王志艷 殷 玲 呂建鳴 任勝健

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100191)

1 概述

隨著我國鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷加快，橋梁設(shè)計(jì)和建造的數(shù)量也在大幅提升，但現(xiàn)有的橋梁設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)計(jì)算與繪圖分離導(dǎo)致傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)繪圖工作效率低下。因此，迫切需要設(shè)計(jì)繪圖一體化的軟件，提高效率，將更多的注意力集中在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。

針對橋梁設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及行業(yè)存在的問題與需求，北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司自主研發(fā)了“基于Open Cascade圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)實(shí)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化橋梁設(shè)計(jì)軟件”。

Open CASCADE(簡稱OCC)平臺(tái)是由法國Matra Datavision公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM軟件平臺(tái)，開源OCC對象庫是一個(gè)面向?qū)ο驝++類庫，提供二維和三維幾何體的生成、顯示和分析，用于快速開發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)應(yīng)用程序。

本軟件正是基于Open Cascade這一平臺(tái)，采用目前工程CAD中較為前沿的技術(shù)——“數(shù)據(jù)變量驅(qū)動(dòng)圖形設(shè)計(jì)技術(shù)”構(gòu)建橋梁的三維信息模型，此模型不僅包含橋梁的三維幾何信息，而且溶入了對設(shè)計(jì)對象的實(shí)際工程意義、裝配關(guān)系、功能、材料等的描述，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)繪圖軟件真正意義上的數(shù)字一體化。

2 圖形平臺(tái)簡介

目前國內(nèi)交通行業(yè)繪圖軟件多數(shù)都沒有獨(dú)立的圖形平臺(tái)，大多是基于已有的CAD軟件進(jìn)行二次開發(fā)，本項(xiàng)目采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的圖形平臺(tái)，并且保持與目前主流圖形平臺(tái)的兼容性。

本圖形平臺(tái)獨(dú)立于任何CAD平臺(tái)，不依賴于任何第三方軟件運(yùn)行，如圖1所示。二維圖紙的生成為動(dòng)態(tài)過程，用戶可以指定不同類的圖元在不同的層中，可以指定標(biāo)注、文字等圖元的樣式，最大限度地降低圖紙的二次編輯工作量。生成的二維圖紙可以直接導(dǎo)出為DXF格式和DWG格式，圖紙中的文字樣式、標(biāo)注樣式可以直接被AutoCAD識(shí)別，方便用戶進(jìn)行二次編輯。

3 數(shù)據(jù)實(shí)體技術(shù)

在編寫數(shù)據(jù)庫類應(yīng)用程序時(shí)，處理對象關(guān)系映射(O/R mapping)是一件很復(fù)雜的事情，就筆者的理解，數(shù)據(jù)實(shí)體(Data Entity)主要是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)(底層數(shù)據(jù))向邏輯數(shù)據(jù)(用戶應(yīng)用層數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換的中間層，主要面向解決對象關(guān)系映射問題。在微軟的Visual Studio開發(fā)環(huán)境中，基于ADO.net可以自動(dòng)形成數(shù)據(jù)實(shí)體，但是自動(dòng)化的過程不能很好地滿足用戶自身需求。本文基于橋梁自身的特點(diǎn)，不斷摸索構(gòu)建了自己的數(shù)據(jù)實(shí)體，并基于此數(shù)據(jù)實(shí)體構(gòu)建了完善的橋梁數(shù)字模型。數(shù)據(jù)實(shí)體的位置及作用如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)實(shí)體示意

4 數(shù)字化橋梁設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要功能及創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 技術(shù)層次劃分

軟件的技術(shù)層次共分四層，分別為:表現(xiàn)層、交互層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)層，如圖3所示。表現(xiàn)層即為程序界面，并不僅僅就指模板，所有和表現(xiàn)相關(guān)的邏輯都應(yīng)該被納入表現(xiàn)層的范疇。交互層包括數(shù)據(jù)庫交互和圖形平臺(tái)交互兩部分，向用戶提供對應(yīng)用程序的交互性訪問。數(shù)據(jù)層包括OLE DB和圖形平臺(tái)，將具有相同特征的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一起?；A(chǔ)層包括.Net FrameWork 3.5和C++運(yùn)行庫，是提供和執(zhí)行客戶端應(yīng)用程序邏輯的工具。

圖3 總體設(shè)計(jì)圖

4.2 主要功能

本軟件的基本功能包括四個(gè)模塊:建模助手模塊、前處理模塊、計(jì)算模塊和繪圖模塊。如圖4所示。

4.2.1 建模助手模塊

建模助手模塊只需用戶輸入最必要的參數(shù)就可以自動(dòng)生成模型，簡化建模過程，提高了建模效率。簡單三步完成建模:定義橋梁軸線線形;定義橋梁主梁截面;建立橋?qū)ο蟛⒃O(shè)置參數(shù)變化。如圖5所示。

用建模助手建立的橋梁模型不僅僅是幾何模型，還支持圖形拾取，當(dāng)選擇構(gòu)件時(shí)，右側(cè)構(gòu)件屬性窗口會(huì)列出構(gòu)件屬性的通用數(shù)據(jù)、截面及材料信息，方便進(jìn)一步校核和確認(rèn)。

4.2.2 前處理模塊

前處理模塊，可通過DXF導(dǎo)入、GUI輸入和圖形交互三種方式輸入數(shù)據(jù)。通過DXF可以導(dǎo)入主梁、橋墩和預(yù)應(yīng)力數(shù)據(jù)信息;GUI輸入同建模助手模塊中輸入的信息相似，包括主梁、橋墩、預(yù)應(yīng)力、施工階段和使用階段信息，斜拉橋還包括拉索信息;圖形交互可輸入截面、模型和施工階段信息。整個(gè)建模過程力求簡潔、快速又不失細(xì)節(jié)。如圖6～圖8所示。

如果是基于以前的工程或者是AutoCAD圖紙進(jìn)行建模，主模型的截面、橋面系單元、非橋面系單元和預(yù)應(yīng)力筋均可以直接通過DXF文件導(dǎo)入，因此能夠快速生成計(jì)算模型。

如果是新建模型，建議利用Excel編輯數(shù)據(jù)，然后直接復(fù)制到本程序中，實(shí)現(xiàn)高效建模。本程序中的所有表格都可以與Excel進(jìn)行交互。

程序使用非常簡單，直接按照“主界面-工作向?qū)А碧峁┑捻樞?，建模、設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖即可。

4.2.3 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊，由計(jì)算引擎、后處理和計(jì)算書三部分組成，其中后處理階段包括計(jì)算結(jié)果和按規(guī)范設(shè)計(jì)。計(jì)算引擎能夠分析設(shè)計(jì)目前規(guī)范中規(guī)定的常見橋型，計(jì)算效率高、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。所有計(jì)算結(jié)果查看方便，顯示清晰形象。自動(dòng)生成計(jì)算書并支持Word全功能編輯，能夠輸出目前常見的計(jì)算書格式，并方便用戶后期編輯，在保證計(jì)算結(jié)果與模型對應(yīng)的基礎(chǔ)上，簡化了計(jì)算書的編寫工作，提高了設(shè)計(jì)效率。計(jì)算書如圖9所示。

4.2.4 繪圖模塊

繪圖模塊，軟件可以由計(jì)算模型自動(dòng)繪制圖紙，包括預(yù)應(yīng)力筋豎彎布置圖、預(yù)應(yīng)力筋平彎布置圖、一般構(gòu)造平面圖、一般構(gòu)造立面圖和單元截面圖。如圖10所示。

自動(dòng)根據(jù)計(jì)算模型繪制圖紙，將設(shè)計(jì)繪圖集成為一體，避免重復(fù)勞動(dòng)，確保計(jì)算模型與圖紙的匹配，大幅提高設(shè)計(jì)效率。用戶只需輸入繪制圖紙的補(bǔ)充信息，本軟件可以根據(jù)計(jì)算模型自動(dòng)生成圖紙，并支持自動(dòng)更新。避免因繪圖重復(fù)建模，提高出圖的效率和準(zhǔn)確率。繪圖模塊繪制的圖紙附帶完善的尺寸標(biāo)注、材料數(shù)量表、附注等，輸出圖形的格式保持與目前主流圖形平臺(tái)兼容。

4.3 創(chuàng)新性

本軟件的創(chuàng)新性如下所示:

(1)具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、功能豐富、開發(fā)高效的圖形平臺(tái)。目前國內(nèi)交通行業(yè)繪圖軟件多數(shù)都沒有獨(dú)立的圖形平臺(tái)，大多是基于已有的CAD軟件進(jìn)行二次開發(fā)，本項(xiàng)目采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的圖形平臺(tái)，并且保持與目前主流圖形平臺(tái)的兼容性。

(2)實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)繪圖一體化，提供一站式設(shè)計(jì)全新體驗(yàn)。自動(dòng)根據(jù)計(jì)算模型繪制圖紙，將設(shè)計(jì)繪圖集成為一體，避免重復(fù)勞動(dòng)，確保計(jì)算模型與圖紙的匹配，大幅提高設(shè)計(jì)效率。本軟件采用信息模型的概念，用戶首先建立的是包含所有工程信息的真三維模型，基于動(dòng)態(tài)剖切技術(shù)二維圖紙的繪制過程是三維模型直接生成二維圖紙的自動(dòng)化過程。

(3)智能化建模助手。利用建模助手用戶只需輸入設(shè)計(jì)概念中約束模型的必要參數(shù)就可以快速建立模型。與傳統(tǒng)的建模助手相比，用戶輸入的參數(shù)少，不借助任何第三方軟件，輸入模型的自由度較大。例如，一跨變截面連續(xù)箱梁，傳統(tǒng)軟件需要輸入起始截面以及中間的許多插值截面，而本軟件只需輸入起始截面，建模助手自動(dòng)根據(jù)變化規(guī)律拉伸出模型，當(dāng)然對于簡單變截面有的軟件也可通過起始截面自動(dòng)拉伸生成模型，但對于復(fù)雜的變截面如截面的頂板、底板、腹板、總高、總寬等同時(shí)變化就不好實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拉伸了。

5 結(jié)束語

本軟件通過獨(dú)立的圖形平臺(tái)和先進(jìn)的界面編程技術(shù)，使用戶的建模過程充滿了超乎想象的形象性、便捷性和高效性;數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù)為用戶帶來了高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài);十幾年不斷完善的計(jì)算引擎為用戶帶來了準(zhǔn)確可靠的計(jì)算結(jié)果;設(shè)計(jì)繪圖一體化為用戶帶來了橋梁設(shè)計(jì)的整體解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，本軟件通過設(shè)計(jì)繪圖一體化的流程能夠顯著縮短單位橋梁的設(shè)計(jì)周期，在提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

本軟件于2010年10月份推出正式版，先后在單位內(nèi)部、北京路橋通國際咨詢有限公司、北京公科固橋技術(shù)有限公司、北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司、中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司、云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用，得到橋梁設(shè)計(jì)者的普遍支持和認(rèn)可，同時(shí)也獲得了許多改進(jìn)建議，目前軟件已經(jīng)升級到了2.0版本，更加貼合國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)習(xí)慣，且軟件已獲得了“2011年北京市優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)”和“二〇一一年度全國優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)行業(yè)獎(jiǎng)工程勘察設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件一等獎(jiǎng)”。

[1]高佐人，彭衛(wèi)兵，呂建鳴.可設(shè)計(jì)重構(gòu)的橋梁信息模型研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2009，04.

[2]吳杰，高佐人，曾慧明.樹狀建筑工程設(shè)計(jì)重用模型[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20.

[3]趙紅紅，李建成，王朔等.信息化建筑設(shè)計(jì).中國建筑工業(yè)出版社，2005，10.

[4]呂建鳴，陳可.斜拉橋空間有限元精細(xì)化建模技術(shù)研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1(2):1-6.