皮 漫,張 權(quán)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 西安 710065)

0 前 言

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，作為PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，它可以幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來(lái)的產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前期階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程[1]。CATIA是達(dá)索公司針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)的軟件，當(dāng)前，絕大部分工業(yè)產(chǎn)品的制造加工根據(jù)三維設(shè)計(jì)產(chǎn)品直接進(jìn)行，無(wú)需出二維圖紙。所以CATIA工程圖模塊相比于其他模塊功能較弱[2]，水利水電工程采用二維圖紙施工建造仍然會(huì)在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)是主要的產(chǎn)品交付方式。因此，針對(duì)水利水電設(shè)計(jì)的工程圖開(kāi)發(fā)也是實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在水利水電工程方面全面應(yīng)用的必經(jīng)之路。

CATIA V5是一款通用的三維設(shè)計(jì)軟件，工程圖設(shè)計(jì)模塊中缺乏水電工程相關(guān)圖紙修飾的功能，而工程師習(xí)慣用Auto CAD進(jìn)行繪圖，在CATIA工程圖中進(jìn)行繪制和Auto CAD操作完全不同，操作較慢。也因?yàn)槿绱?，工程設(shè)計(jì)人員使用意向較低，所以需要開(kāi)發(fā)出針對(duì)水電工程常用的工程圖設(shè)計(jì)工具，如支護(hù)標(biāo)注、高程標(biāo)尺、比例尺、其他圖例等功能，減少設(shè)計(jì)人員手動(dòng)標(biāo)注的工作量[3]。基于以上需求提出了CATIA工程圖開(kāi)發(fā)任務(wù)，以提高設(shè)計(jì)出圖效率。

1 工程圖開(kāi)發(fā)需求

CATIA V5工程圖模塊二次開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)：① 針對(duì)水工建筑物模型，提出一個(gè)系統(tǒng)性的解決方案，操作功能解決的問(wèn)題要有普遍性，能解決常用的，需要反復(fù)操作頻率較高的功能性問(wèn)題；② 軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)難度，CATIA的開(kāi)發(fā)完全基于組件對(duì)象模型[4]。組件對(duì)象模型在1993年提出后，因?yàn)槠渲С侄M(jìn)制兼容，支持松散藕合式開(kāi)發(fā)，一段時(shí)間一直認(rèn)為是未來(lái)軟件開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)，但組件對(duì)象模型難以學(xué)習(xí)，隨著時(shí)間的推移軟件行業(yè)逐漸放棄了組件對(duì)象模型。CATIA是完全基于組件對(duì)象模型的，所以掌握組件對(duì)象模型就是首先要解決的問(wèn)題[5]。

功能需求方面，通過(guò)總結(jié)各種水工設(shè)計(jì)圖(布置圖，開(kāi)挖圖，體型圖)所需要的標(biāo)注方法，在功能開(kāi)發(fā)前，利用CATIA工程圖已有的功能進(jìn)行二維出圖試驗(yàn)，找出哪些工作需要反復(fù)操作，哪些工作需要計(jì)算或者通過(guò)模型來(lái)查詢，哪些視圖投影、剖切和剖視是無(wú)法直接完成或者無(wú)法順利完成。能使用CATIA自身的功能完成的，盡量采用CATIA自身的功能，能采用模板完成的，采用模板實(shí)現(xiàn)。機(jī)電專業(yè)材料統(tǒng)計(jì)可通過(guò)在機(jī)電環(huán)境字典文件中增加屬性值信息，建立相應(yīng)帶屬性信息參數(shù)表的三維模型，并且制定相應(yīng)的材料統(tǒng)計(jì)表生成式樣，配合二次開(kāi)發(fā)的機(jī)電專業(yè)材料表統(tǒng)計(jì)工具，可以快速生成滿足專業(yè)需求的材料表統(tǒng)計(jì)，生成工作工程量及工程信息清單[6]。通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，總結(jié)出以下需要開(kāi)發(fā)的功能。

(1) 需要計(jì)算的功能：① 平面高程，立面高程;② 平行樁號(hào)，軸線樁號(hào);③ 平面坡比，剖面坡比。及上述功能的自動(dòng)更新功能。

(2) 需要查詢的功能：① 控制點(diǎn)坐標(biāo)；② 構(gòu)件名稱。

(3) 集成化功能：① 邊坡支護(hù)；② 襯砌支護(hù)。

(4) 缺陷修復(fù)功能：① 等高線文字標(biāo)注功能；② 矢量填充功能。

(5) 擴(kuò)展功能：① 區(qū)域覆蓋功能；② 圓角素線生成；③ 水工專業(yè)常用圖例；④ 材料統(tǒng)計(jì)表。

2 開(kāi)發(fā)原理

CATIA工程圖模塊中的輪廓與三維模型關(guān)聯(lián)，各個(gè)部位均鏈接三維模型中的元素，在工程圖的標(biāo)注中，會(huì)自動(dòng)識(shí)別到三維模型中的元素。通過(guò)這個(gè)特點(diǎn)，在標(biāo)注時(shí)可直接讀取三維模型中相應(yīng)元素的空間幾何信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算[7]。

在工程圖中，為滿足基本的應(yīng)用需要，一般要實(shí)現(xiàn)CATI2DGeoVisu、CATIEdit、IXBYUpdateObject接口等。CATI2DGeoVisu接口的用途是實(shí)現(xiàn)自定義特征對(duì)象的繪制功能；CATIEdit接口的用途是實(shí)現(xiàn)自定義特征對(duì)象的雙擊功能；IXBYUpdateObject接口的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)象的更新功能。實(shí)現(xiàn)了這些接口，工程圖的自定義特征就能運(yùn)行在CATIA工程圖模塊中，如圖1所示。

圖1 工程圖修飾特征圖

例如：高程標(biāo)注，標(biāo)注二維圖中的輪廓高程?？芍苯幼x取三維模型中元素的Z值，自動(dòng)標(biāo)注成文字，并與三維模型相互關(guān)聯(lián)，模型修改時(shí)，高程標(biāo)注亦可自動(dòng)更新。

樁號(hào)標(biāo)注，采用相對(duì)位置計(jì)算。設(shè)置基準(zhǔn)樁號(hào)，其余樁號(hào)可根據(jù)與基準(zhǔn)樁號(hào)的水平位置及軸線距離實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算標(biāo)注。

平面坡比標(biāo)注時(shí)，選擇輪廓可自動(dòng)計(jì)算該輪廓所在非水平曲面與水平面的夾角，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算，且能關(guān)聯(lián)三維模型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新。

控制點(diǎn)坐標(biāo)生成表功能，根據(jù)三維模型中點(diǎn)的坐標(biāo)以及點(diǎn)的名稱，批量自動(dòng)完成圖面標(biāo)注及坐標(biāo)表生成?？纱罅抗?jié)約人為標(biāo)注及繪表時(shí)間，由于該功能可實(shí)現(xiàn)一鍵生成，未對(duì)其進(jìn)行更新功能的開(kāi)發(fā)。

支護(hù)標(biāo)注，在二維圖標(biāo)注中需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行手繪。在三維模型中增加支護(hù)模型會(huì)增加模型重量，影響模型處理及瀏覽的效率。通過(guò)對(duì)支護(hù)標(biāo)注的分門(mén)歸類(lèi)，利用對(duì)話框模式的標(biāo)注方法，將錨桿、排水孔、噴混凝土等圖例寫(xiě)入到開(kāi)發(fā)程序中，根據(jù)用戶需要進(jìn)行選擇性批量標(biāo)注，減少了人為繪圖時(shí)間[8]。

CATIA工程圖中的自定義填充采用圖片填充，填充樣式模糊，且無(wú)法打印，無(wú)法自定義矢量填充。通過(guò)對(duì)CATIA V5工程圖設(shè)計(jì)模塊二次開(kāi)發(fā)，將各種材料的填充矢量圖形文件提前預(yù)設(shè)在開(kāi)發(fā)程序中[9]。當(dāng)賦予模型材料樣式時(shí)，實(shí)體模型的剖視材料即鏈接到程序中相應(yīng)的矢量圖形文件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)矢量化填充，滿足打印以及圖面質(zhì)量需要。

CATIA尺寸標(biāo)注雖然功能強(qiáng)大，但是標(biāo)注樣式不滿足水電工程圖的標(biāo)注。主要缺陷在于尺寸線無(wú)法統(tǒng)一長(zhǎng)度，造成尺寸線長(zhǎng)短不一，影響圖紙美觀。通過(guò)開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)尺寸線自動(dòng)對(duì)齊且長(zhǎng)度相等，滿足圖面美觀需要。

CATIA模型精細(xì)化程度較高，部分機(jī)電模型文件體型龐大復(fù)雜精細(xì)，在水工專業(yè)出圖時(shí)，投影時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)電腦配置要求高，大大影響出圖效率。針對(duì)這樣的問(wèn)題，提出采用添加圖例來(lái)替換機(jī)電模型投影的方式提高出圖效率。提前自定義二維矢量圖例，出圖時(shí)調(diào)用相應(yīng)圖例并修改比例。

3 布置設(shè)計(jì)

布置設(shè)計(jì)是利用CATIA的功能而提出的水工設(shè)計(jì)出圖整體解決方案。在實(shí)際三維設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要調(diào)用大量模板進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，工程師的設(shè)計(jì)過(guò)程主要為組裝設(shè)計(jì)模板及修改模板參數(shù)[10]。模板的自動(dòng)布爾運(yùn)算，不需要工程師手動(dòng)完成，程序根據(jù)構(gòu)件的布爾特性會(huì)自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行相應(yīng)操作。在現(xiàn)有操作過(guò)程中，大量的模板堆積會(huì)造成工程師選用困難，設(shè)計(jì)過(guò)程中可能會(huì)選錯(cuò)模板造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。針對(duì)產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)特性自動(dòng)對(duì)模板進(jìn)行分類(lèi)，只顯示相關(guān)的單位工程或分部分項(xiàng)工程中的模板，可大大提高設(shè)計(jì)效率。

圖面標(biāo)注是三維模型向工程圖轉(zhuǎn)化的必須工作，亦占據(jù)大量時(shí)間進(jìn)行處理。其中尺寸標(biāo)注無(wú)法自動(dòng)完成，影響工程圖模板的使用效率。模型在運(yùn)算前，它的拓?fù)潢P(guān)系比較明確，工程圖中的對(duì)象易于關(guān)聯(lián)到模型中的對(duì)象，視圖更新時(shí)，尺寸標(biāo)注可隨模型更新而更新。布爾運(yùn)算后，模型的拓?fù)潢P(guān)系會(huì)重新排序，模型修改時(shí)，拓?fù)潢P(guān)系會(huì)重新進(jìn)行排序。建筑物定義的流程如圖2所示。未修改的模型部位會(huì)因?yàn)橥負(fù)潢P(guān)系的混亂而斷開(kāi)鏈接。需要手動(dòng)修改標(biāo)注，造成大量重復(fù)性工作。

圖2 建筑物定義的流程圖

采用布置設(shè)計(jì)，將尺寸標(biāo)注在模板中，出圖時(shí)投影模板中的標(biāo)注和布爾運(yùn)算后的模型。模板的修改替換只影響修改部分的標(biāo)注，對(duì)其他部位沒(méi)有影響。避免拓?fù)潢P(guān)系的混亂造成標(biāo)注的鏈接斷裂[11]。

4 工程實(shí)踐

為驗(yàn)證功能的穩(wěn)定以及是否能滿足水電工程圖的要求，進(jìn)行了大量的工程出圖實(shí)踐，以國(guó)外某在建項(xiàng)目的土建施工圖為對(duì)象進(jìn)行了驗(yàn)證。所有圖紙均能滿足施工要求，也能滿足國(guó)外咨詢工程師的審批要求。豐富的軸測(cè)圖也能使咨詢工程師以及施工人員快速理解設(shè)計(jì)圖紙[12]。

開(kāi)挖圖是水電工程施工階段首先需要提供的圖紙，三維參數(shù)化設(shè)計(jì)能滿足快速變更需要。但缺乏水工專用標(biāo)注工具，成圖過(guò)程中，需要人為計(jì)算標(biāo)注，花費(fèi)時(shí)間，也容易出現(xiàn)標(biāo)注錯(cuò)誤。軟件工具中全部為自動(dòng)計(jì)算標(biāo)注，標(biāo)注準(zhǔn)確且快速，包含了開(kāi)挖圖中所有的標(biāo)注，能大幅提高出圖效率。

圖中高程、樁號(hào)、坡比等標(biāo)注實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)算標(biāo)注，點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)注及坐標(biāo)生成實(shí)現(xiàn)了一鍵批量標(biāo)注。

體型圖、分層分塊圖所包含的信息較多，利用三維模型出圖及標(biāo)注工具可保證視圖及標(biāo)注表達(dá)準(zhǔn)確。產(chǎn)品的校審重心由圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ?，?shí)現(xiàn)三維校審，滿足數(shù)字化交付。

經(jīng)過(guò)各種視圖測(cè)試，可以完整將各種模型轉(zhuǎn)化為工程圖紙，可保證模型與圖紙表達(dá)保持一致。使BIM模型深化應(yīng)用中CATIA工程圖轉(zhuǎn)化的瓶頸問(wèn)題得以解決，也為“三維設(shè)計(jì)，二維出圖”實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與出圖分離提供了有利手段。

5 實(shí)現(xiàn)價(jià)值

CATIA提供了強(qiáng)大的視圖功能，完全可以滿足水電工程出圖中的視圖類(lèi)型需要[13-15]。通過(guò)上述功能的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，二維標(biāo)注中的計(jì)算部分可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，避免了人為失誤造成的質(zhì)量錯(cuò)誤。同時(shí)，CATIA的出圖標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)注樣式統(tǒng)一化，實(shí)現(xiàn)了工程圖標(biāo)準(zhǔn)化，避免了人為設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，以及設(shè)計(jì)校核審查人員對(duì)圖面質(zhì)量的爭(zhēng)論。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式下，出圖完成才表示設(shè)計(jì)完成，而在三維設(shè)計(jì)方式下，三維模型設(shè)計(jì)完成即表示設(shè)計(jì)結(jié)束。利用開(kāi)發(fā)完成的程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算標(biāo)注，可減少人為思考過(guò)程。將計(jì)算等繁雜過(guò)程交給計(jì)算機(jī)完成，大大解放設(shè)計(jì)人員的雙手。工程師可從繁瑣的繪圖過(guò)程中解放出來(lái)，專注于工程設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)服務(wù)質(zhì)量。