齊成龍

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司橋梁院，天津 300142)

三維設(shè)計技術(shù)是當前計算機輔助設(shè)計的發(fā)展趨勢，在機械、建筑、化工、石油等設(shè)計行業(yè)已得到較為成功的應(yīng)用，并成為市場競爭的重要工具［1-2］。中國鐵路總公司提出：要建立以建筑信息建模(BIM)為主要技術(shù)框架，以鐵路工程全生命周期管理為目標的工程信息化平臺和應(yīng)用模式［3］，從而確立了BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計中的地位。

模型是信息的載體，而三維建模又是BIM技術(shù)的基礎(chǔ)和難點。目前基于達索軟件的BIM設(shè)計大多采用“骨架-模板”的建模思想［4-5］。文獻［5］在使用“骨架-模板”方法建立混凝土框架箱涵BIM模型時，“骨架”為與涵節(jié)頂部相對應(yīng)的坐標系群，涵節(jié)為工程模板(Engineering Template)，實例化過程采用達索action功能。這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)批量建模，但是由于工程模板的復(fù)雜內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致實例化效率低下，同時由于這種復(fù)雜的內(nèi)部邏輯對各個環(huán)節(jié)的使用者均開放，也不利于傳遞過程中數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

為了避免上述問題，通過三個方面闡述了對框架箱涵建模方法的優(yōu)化。

1)優(yōu)化后的設(shè)計過程同樣遵循“骨架-模板”的建模思想，其骨架生成方法與文獻［5］相同，不再贅述。本文介紹了一個通過C#語言開發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，該工具能夠以框架箱涵設(shè)計軟件 RCCAD生成的文本文件作為輸入，輸出作為骨架坐標系批量生成必要條件的數(shù)據(jù)表格，此表格同樣可以作為在涵洞節(jié)段批量生成過程中的輸入數(shù)據(jù)。

2)使用達索/CAA二次開發(fā)語言創(chuàng)建一個框架箱涵主體結(jié)構(gòu)建模工具，嵌入到達索軟件內(nèi)部，通過用戶定義特征避免了工程模板的復(fù)雜內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，并確保了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳遞和建模效率。

3)CAA開發(fā)的框架箱涵主體結(jié)構(gòu)建模工具在生成主體結(jié)構(gòu)同時，還生成了與端部涵節(jié)關(guān)鍵表面相平行的平面。建立一個用于生成框架涵端部擋墻及排水坡的工程模板，該工程模板以meta input的方式引入端部涵節(jié)關(guān)鍵平面，以design table的方式修改模型尺寸參數(shù)，實現(xiàn)端部結(jié)構(gòu)的快速建模。

1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具

文獻［5］已經(jīng)介紹：在生成框架箱涵骨架前，需要一個能夠反映涵洞節(jié)段、基礎(chǔ)布置方式及結(jié)構(gòu)詳細尺寸的數(shù)據(jù)表格，該數(shù)據(jù)表格在以往的設(shè)計過程中是通過手動輸入建立的，這也是影響建模效率的一個重要因素。

在通常的框架箱涵設(shè)計過程中使用的是RCCAD軟件，RCCAD軟件的輸出內(nèi)容除了二維涵洞布置圖，還包括一些用以描述設(shè)計結(jié)果的文本文件。針對傳統(tǒng)建模方式效率低下的問題，通過C#語言開發(fā)出一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，該工具讀入這些文本文件，并結(jié)合用戶手動輸入相關(guān)尺寸信息，最終實現(xiàn)涵洞數(shù)據(jù)表格的快速生成。其使用界面如圖1所示。

2 框架涵主體結(jié)構(gòu)建模工具開發(fā)

2.1 概 述

在文獻［5］所述的傳統(tǒng)建模方法中，為了建立整個涵洞的主體結(jié)構(gòu)模型，首先建立節(jié)段和基礎(chǔ)的模型，再將模型轉(zhuǎn)化為工程模板，最后使用action功能批量實例化工程模板。針對傳統(tǒng)方法的缺點，本章介紹一個CAA二次開發(fā)成果，它能夠批量創(chuàng)建涵洞節(jié)段及基礎(chǔ)模型，并且所創(chuàng)建的模型是僅對用戶開放部分參數(shù)的自定義特征，不僅提高了建模效率，還有利于模型應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。本章重點分析該設(shè)計工具的開發(fā)思路。

圖1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具操作界面Fig.1 User interface of data transformation tool

2.2 達索 CAA架構(gòu)

Dassault Systemes提供了一種基于組件的定制開發(fā)機制，即組件應(yīng)用架構(gòu)(Component Application Architecture，簡寫為 CAA)。CAA采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(Object-Oriented-Programming，OOP)思想，基于COM和OLE技術(shù)，使CAA開發(fā)的程序代碼更加規(guī)范化和標準化，程序模塊更加具有獨立性和可擴展性。CAA架構(gòu)如圖2所示，描述了 Dassault Systemes內(nèi)部模塊之間的關(guān)系?；贑AA架構(gòu)，客戶也可以把定制開發(fā)的功能加入到達索系統(tǒng)中。利用CAA實現(xiàn)的客戶定制功能，無論從界面風(fēng)格和操作習(xí)慣，都可以達到與達索無縫集成的效果。用戶非常容易接受和使用［6］。

圖2 CAA架構(gòu)Fig.2 CAA architecture

2.3 程序交互界面及操作流程設(shè)計

根據(jù)框架箱涵設(shè)計過程的需要，設(shè)計出如圖3所示的用戶交互界面。該人機交互的框架涵設(shè)計工具采用達索/CAA語言二次開發(fā)，直接嵌入到達索軟件內(nèi)部。具備以下幾個特點：1)涵節(jié)及基礎(chǔ)裝配功能嵌入到達索裝配設(shè)計(Assembly Design)模塊中，涵節(jié)、基礎(chǔ)節(jié)段編輯功能嵌入到達索零件設(shè)計(Part Desgn)模塊中;2)數(shù)據(jù)表格與定位骨架在同一個幾何圖形集下，與骨架信息同時讀取;3)作為設(shè)計成果的所有涵洞節(jié)段和基礎(chǔ)模型與作為骨架的坐標系關(guān)聯(lián)，當骨架坐標系位置發(fā)生變化時，模型的空間位置也同步發(fā)生變化。

圖3 涵洞裝配用戶交互界面Fig.3 User interface of whole box culvert assembly

該設(shè)計工具的操作流程如圖4所示，使用其進行框架箱涵BIM設(shè)計時應(yīng)遵循以下幾個步驟：

圖4 操作流程設(shè)計Fig.4 Operation process design

1)設(shè)計準備工作。包括創(chuàng)建骨架坐標系等設(shè)計準備工作，與文獻［5］中的傳統(tǒng)建模方法相同，不再贅述。所不同的是設(shè)計信息表格可以采用達索/CAA的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具生成，并且，需要將生成的表格結(jié)果放置在用于存儲涵節(jié)骨架的幾何圖形集當中。

2)選擇用于存儲涵洞節(jié)段骨架的幾何圖形集。選擇幾何圖形集后，程序會自動識別并讀入存儲在幾何圖形集內(nèi)的涵節(jié)骨架坐標系和涵洞設(shè)計信息表格。

3)選擇用于存儲涵洞基礎(chǔ)骨架的幾何圖形集。選擇幾何圖形集后，程序會自動識別并讀入存儲在幾何圖形集內(nèi)的基礎(chǔ)骨架坐標系。

4)選擇用于存儲涵洞模型的父級根節(jié)點。生成的所有模型零件將懸掛在該節(jié)點下。

5)修改交互界面中的其他參數(shù)值。“其他參數(shù)值”包括上下部結(jié)構(gòu)骨架坐標系的前綴，和上下部結(jié)構(gòu)滿足IFC分類的零件模板name屬性值。因為對于不同的用戶來說，其通過EKL語言生成的節(jié)段坐標系名稱前綴可能各不相同，為了便于對坐標系的識別從而與設(shè)計信息表格中的涵洞節(jié)段編號一一對應(yīng)，CAA程序在此處自動抽取幾何圖形集內(nèi)第一個坐標系名稱的前綴用以過濾出有用的編號信息。為了防止骨架編號起始值不為1導(dǎo)致程序抽取的前綴錯誤，程序?qū)⒋宋谋究蛟O(shè)置為可編輯，用戶可根據(jù)具體情況手動修改。

6)生成涵洞結(jié)構(gòu)模型。當所有必需的步驟均完成時，對話框的OK按鈕即被激活，點擊后生成涵洞上、下部結(jié)構(gòu)模型。

7)修改涵洞上、下部結(jié)構(gòu)節(jié)段模型。在結(jié)構(gòu)樹中雙擊特征節(jié)點或者在模型窗口中雙擊模型，即可打開如圖5所示的涵洞、基礎(chǔ)節(jié)段特征修改窗口，此窗口能夠根據(jù)用戶個性化需求修改節(jié)段尺寸參數(shù)和端部坐標系。

圖5 涵洞節(jié)段(左)，基礎(chǔ)節(jié)段(右)模型修改窗口Fig.5 Modification window of culvert segment(left)and base segment(right)model

2.4 實現(xiàn)語言及模塊設(shè)計

2.4.1 模塊設(shè)計

Dassault/CAA是基于COM技術(shù)進行組織開發(fā)的，因此將該設(shè)計工具劃分為三個模塊來實現(xiàn)其功能，分別為界面模塊(User Interface Modulus)、節(jié)段拓撲模塊(Topological Modulus)和特征模塊(Feature Modulus)，如圖6所示。

2.4.2 界面模塊

界面模塊用于用戶界面交互功能的實現(xiàn)，分為創(chuàng)建工具條和創(chuàng)建用戶交互窗口兩部分。

工具條采用Add-in的方式添加，由于涵洞上、下部結(jié)構(gòu)裝配功能和涵洞、基礎(chǔ)節(jié)段編輯功能分別嵌入到裝配設(shè)計模塊和零件設(shè)計模塊中，因此，分別實現(xiàn)CATIAssyWorkBenchAddin和CATIPrtCfgAddin兩個接口。

首先創(chuàng)建用戶交互窗口Dialog文件，再通過對CATMmrPanelStateCmd類的派生，重載 GiveMyPanel方法，使派生類與用戶交互對話窗口Dialog文件關(guān)聯(lián)。重載BuildGraph方法，從而完成傳統(tǒng)交互窗口無法實現(xiàn)的對話流程操作。

Build Graph方法通過命令狀態(tài)(Command State)和代理(Agent)兩個關(guān)鍵元素來實現(xiàn)用戶與界面的交互響應(yīng)。代理分為兩種，CATDialogAgent代理用來獲取界面控件響應(yīng)，CATFeatureImportAgent繼承自 CATDialogAgent，專門用來獲取特征。每個命令狀態(tài)中存儲了若干個代理，CAA對某一代理所接受的用戶操作進行判別，來決定是否執(zhí)行不同命令狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。最終實現(xiàn)了如圖4所示的程序躍遷流程。

圖6 模塊設(shè)計Fig.6 Module design

圖7 CAA建模流程Fig.7 Modeling process of CAA

2.4.3 特征模塊

涵節(jié)與基礎(chǔ)節(jié)段分別作為具有獨立幾何形狀的實體，代表這兩種實體的特征需要派生自達索提供的MechanicalFormFeature基類，并為其指定屬性。屬性分為兩種類型，定位坐標系屬于特征類型的屬性，因為坐標系是一個特征，節(jié)段各幾何尺寸屬于數(shù)值類型的屬性。

達索向用戶開放三種 CAA建模工具(Representation Modeler)：幾何建模工具(Geometry Modeler)，特征建模工具(Feature Modeler)，物理建模工具(Mechanical Modeler)。這三種建模工具在用戶定義特征的創(chuàng)建和使用過程中起到重要作用，如圖7所示。

通過特征建模工具能夠得到該特征的抽象基類，此抽象基類僅對特征屬性進行了聲明。物理建模工具用于定義此抽象基類，簡單來說就是物理建模工具使用一個類型接口(Type Interface)和一個工廠接口(Factory Interface)將抽象基類具體化。特征模塊需要完成的工作即是創(chuàng)建這兩個接口：

類型接口(Type Interface)包含若干個方法，這些方法的作用是對特征屬性進行定義，使用戶借助類型接口能夠達到提取特征屬性值和對特征屬性賦值的目的。

工廠接口(Factory Interface)僅包含1個方法，此方法以屬性值作為輸入?yún)?shù)，實例化得出以類型接口表示的特征結(jié)果。

2.4.4 節(jié)段拓撲模塊

節(jié)段拓撲模塊的作用是將特征模塊創(chuàng)建的以內(nèi)存數(shù)據(jù)表示的特征結(jié)果轉(zhuǎn)化為可視的拓撲造型。

通過繼承CATIFmFeatureBehaviorCustomization接口，并重載此接口的Build方法，在本方法內(nèi)部運行幾何建模工具來生成拓撲造型。

作為達索內(nèi)部機制，當系統(tǒng)執(zhí)行更新(Update)操作時，CATIFmFeatureBehaviorCustomization接口的Build方法自動被激活。作為承擔控制建模流程作用的模塊，界面模塊執(zhí)行以下流程：成功生成特征結(jié)果后，運行更新操作，系統(tǒng)通過Build方法觸發(fā)節(jié)段拓撲模塊，從而生成與特征結(jié)果相適應(yīng)的可視化拓撲幾何形狀。

在生成節(jié)段拓撲形狀時，以特征屬性值作為輸入元素，這些輸入元素通過類型接口提供的方法獲取。

如圖8所示：每一個節(jié)段，包括上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，其端面法線方向即Y軸方向，與涵洞軸線方向不一致，這個斜交角度可以從涵洞數(shù)據(jù)表格中獲取。在本模塊，端部坐標系除了用于確定模型空間位置，在生成截面關(guān)鍵點繼而生成幾何體的過程中也起到重要的作用。

如圖9所示：涵洞上部結(jié)構(gòu)截面由外圈和內(nèi)圈組成，分別用6個和8個關(guān)鍵點表示。作為特征屬性的涵節(jié)坐標系，其原點和方向向量可通過CATMathAxis類的 GetOrigin，GetDirections方法獲取，繼而生成XZ平面。

圖8 節(jié)段及端部坐標系Fig.8 Segment(left)and axis systems on their ends

圖9 涵洞上部結(jié)構(gòu)截面關(guān)鍵點Fig.9 Key points of the superstructure of culvert continuous girder section

拓撲層內(nèi)部操作流程如下：

1)對屬于CATPlane類的XZ平面執(zhí)行GetParam方法，以涵洞節(jié)段斷面尺寸為參數(shù)，生成CATSurParam類型的外圈關(guān)鍵點，這些關(guān)鍵點均位于XZ平面內(nèi)。

2)使用 CATGeoFactory接口的 CreatePLine方法，以步驟1)生成關(guān)鍵點和XZ平面作為輸入?yún)?shù)，生成同樣位于XZ平面的屬于CATPCurve類型的6根線，這些線由外圈6個關(guān)鍵點依次首尾相連得到。

3)使用CATCGMCreateTopSkin函數(shù)，以步驟1)生成的XZ平面和步驟2)生成的外圈線組成的數(shù)組作為輸入?yún)?shù)，生成CATICGMTopSkin類型的外圈蒙皮。

4)使用 CATCGMCreateTopPrism函數(shù)，以步驟3)生成的外圈蒙皮和涵軸方向作為輸入?yún)?shù)，以涵軸長度作為拉伸距離向涵軸方向拉伸，生成CATICGMTopPrism類型的拉伸體。

5)使用與步驟1)—步驟4)相同的方法生成內(nèi)圈拉伸體。

6)使用 CATCGMCreateDynBoolean函數(shù)，以步驟4)和步驟5)生成的內(nèi)外圈體作為輸入?yún)?shù)執(zhí)行布爾減操作，生成CATICGMDynBoolean類型的涵節(jié)結(jié)果。

對于涵洞基礎(chǔ)節(jié)段，拓撲操作的流程與上部結(jié)構(gòu)節(jié)段類似。不同的是，其截面只有一個由4個點組成的外圈，使用CATCGMCreateTopPrism函數(shù)執(zhí)行拉伸操作后，不再需要布爾減運算。

3 框架涵端部附屬結(jié)構(gòu)

一般情況下，框架涵每個端部包含大小里程側(cè)各一個擋墻及擋墻中間的排水坡共3個結(jié)構(gòu)。由于端部附屬結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造復(fù)雜，以拓撲語言表示比較困難，同時，與涵節(jié)相比，端部附屬結(jié)構(gòu)數(shù)量較少，因此，采用實例化工程模板的方式生成端部附屬結(jié)構(gòu)模型。為了克服工程模板實例化速度慢的問題，將涵洞每個端點的3個結(jié)構(gòu)封裝在一個裝配文件下，這樣，對于每個涵洞工點僅需執(zhí)行兩次實例化操作，從而提高了建模效率。封裝后的端部附屬結(jié)構(gòu)模型及其結(jié)構(gòu)樹如圖10所示。

圖10 框架涵端部附屬結(jié)構(gòu)模型及結(jié)構(gòu)樹Fig.10 Auxillary structure model on the end of culvert and its tree structure

由圖10可以看出：端部附屬結(jié)構(gòu)模型以6個平面作為輸入元素，這些元素分別代表最外側(cè)涵洞節(jié)段的幾個平面。而在圖11中，端部涵洞節(jié)段零件除了包括節(jié)段幾何體以外，還給出了6個平面，這6個平面分別與涵洞某些特定的結(jié)構(gòu)面平行。作為端部附屬結(jié)構(gòu)模板輸入元素的6個平面和端部涵節(jié)零件發(fā)布的6個平面是一一對應(yīng)的，并且具有相同涵義的平面其名稱也相同。這樣，在實例化端部附屬結(jié)構(gòu)工程模板時，就能采用meta input的方式，不需手動依次選擇6個輸入元素，僅選擇端部涵節(jié)零件即可完成模型實例化。

常用的框架涵節(jié)段按照孔徑可以區(qū)分為2，3，4，5，6 m幾種類型，每種孔徑對應(yīng)若干種凈高尺寸，而每一種凈高尺寸又對應(yīng)若干種角度選擇，對于有些孔徑的涵節(jié)，邊坡坡率也可以作為一個劃分原則，以2 m孔徑為例，其類型劃分如表1所示。

圖11 端部涵節(jié)對外發(fā)布的平面Fig.11 Planes publicated by culvert segments

表1 2 m孔徑框架涵類型劃分Table 1 Types of culvert with a 2 m clear width

從表1可見：2 m孔徑涵洞僅有2，2.5 m兩種凈高選項，其類型就包含了10種，如果考慮凈高選項更多的其他孔徑類型，涵節(jié)類型劃分就更加復(fù)雜。

作為端部附屬結(jié)構(gòu)重要部件的擋墻，其幾何形狀由多個尺寸參數(shù)確定。同時，端部擋墻的尺寸參數(shù)值，與其緊密相連的涵節(jié)型號是一一對應(yīng)的。所以，可以采用與涵節(jié)類型相同的劃分原則列出擋墻尺寸參數(shù)表，該參數(shù)表如圖12所示，放在端部附屬結(jié)構(gòu)模型的關(guān)系節(jié)點下。

圖12 關(guān)系節(jié)點下的擋墻尺寸Fig.12 Parapet dimensions table on relation node

表格數(shù)值與擋墻端部附屬結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)相關(guān)聯(lián)，當成功實例化工程模板以后，根據(jù)涵節(jié)孔徑、凈高、斜交角度等參數(shù)選擇并激活對應(yīng)的數(shù)據(jù)行，端部附屬結(jié)構(gòu)尺寸自動與該行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，刷新模型后，幾何形狀隨即與新的尺寸參數(shù)匹配更新。省去查尋標準圖中的設(shè)計數(shù)據(jù)并手動依次輸入多種尺寸參數(shù)的繁瑣過程，提高了建模效率。

因此，對于端部附屬結(jié)構(gòu)，采用“選擇端部涵節(jié)模型→實例化工程模板→激活對應(yīng)設(shè)計表格行數(shù)據(jù)→更新模型”的建模流程，可以高效、精確地建立涵洞端部附屬結(jié)構(gòu)模型。

4 工程應(yīng)用

本文介紹的這種高效、精確的框架箱涵BIM建模方法已在眾多鐵路工程中得到了應(yīng)用，例如牡佳客專BIM試點項目、京沈客專BIM試點項目、京雄城際BIM項目等。

采用這種建模方法，大幅度提高了鐵路框架箱涵的BIM建模效率和設(shè)計效率。

圖13所示為與地形相結(jié)合后的牡佳客專某框架箱涵模型。可以看出，當鐵路框架箱涵BIM模型與三維地形結(jié)合后，之前在二維設(shè)計過程中無法充分體現(xiàn)的各種設(shè)計要素能夠更加直觀的展現(xiàn)在設(shè)計人員面前。

圖13 框架箱涵模型與地形相結(jié)合Fig.13 Box culvert model combined with terrain

5 結(jié)束語

本文在文獻［5］所述的傳統(tǒng)框架箱涵建模方法基礎(chǔ)上，介紹了一套優(yōu)化的建模方法。

該方法仍然采用“骨架-模板”的建模思想，其骨架生成方法也與文獻［5］相同。對于骨架生成和節(jié)段實例化所需的數(shù)據(jù)表格，不再采用人工手動輸入的方式生成，而是通過C#語言開發(fā)一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，能以RCCAD文本文件為輸入條件，自動生成數(shù)據(jù)表格。

文獻［5］當中，涵洞節(jié)段及基礎(chǔ)模型采用工程模板的action實例化方法生成，為了避免這種方法效率低下且穩(wěn)定性不足的缺陷，使用CAA開發(fā)出一個框架箱涵建模工具，通過用戶定義特征避免了工程模板的復(fù)雜內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，并提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳遞和建模效率。

框架箱涵端部結(jié)構(gòu)包括擋墻和排水坡，其參數(shù)眾多、幾何構(gòu)造復(fù)雜，不適宜采用用戶定義特征的方式由CAA二次開發(fā)建模。所以，在優(yōu)化后的建模方法中，將端部附屬結(jié)構(gòu)封裝到一個裝配體中，采用工程模板的方式實例化。由于采用meta input的方式獲取工程模板輸入元素，并且通過設(shè)計表格的方式批量快速為幾何尺寸賦值，從而提高了建模效率。