趙凱華，張璐琦，余 軍，劉增強(qiáng)

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河流域水資源保護(hù)局，河南 鄭州 450004)

BIM(Building Information Modeling)是“建筑信息模型”簡稱，最初起源于20世紀(jì)70年代的美國[1]。美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BIM的定義為“BIM是建設(shè)項(xiàng)目的兼具物理特性和功能特性的數(shù)字化模型，且從建設(shè)項(xiàng)目的最初概念設(shè)計(jì)開始的整個(gè)生命周期里做出任何決策的可靠共享信息資源”[2]。通過BIM技術(shù)建立數(shù)字化的BIM參數(shù)模型，涵蓋與項(xiàng)目相關(guān)的大量信息服務(wù)于建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造安裝、運(yùn)營等整個(gè)生命周期，為提高生產(chǎn)效率、保證生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)約成本、縮短工期等發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢(shì)作用。[3]BIM技術(shù)已成為建設(shè)領(lǐng)域信息技術(shù)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，其應(yīng)用價(jià)值已得到政府的高度關(guān)注和行業(yè)的普遍認(rèn)可，在建筑領(lǐng)域已獲得了應(yīng)用，驗(yàn)證了其可行性和實(shí)用性[4]。

實(shí)現(xiàn)BIM的前提是在建設(shè)項(xiàng)目生命周期的各個(gè)階段不同項(xiàng)目參與方通過BIM建模過程中插入、提取、更新及修改信息以支持和反映出各參與方的職責(zé)。信息是BIM模型構(gòu)建的必要條件，其貫穿于BIM應(yīng)用整個(gè)周期，是BIM技術(shù)的核心。

CATIA是法國Dassault Systemes 公司開發(fā)的CAD/CAM/CAE/PDM一體化軟件，被廣泛應(yīng)用于汽車、輪船、摩托車、航空航天等領(lǐng)域，尤其是航空航天領(lǐng)域[5]。由于其卓越的曲面建模能力，可滿足異形體建模需要；水利水電工程中存在拱壩、水輪機(jī)、蝸殼、尾水管等異形結(jié)構(gòu)，CATIA可以完全滿足其需要，并已取得了設(shè)計(jì)成果[6]，在水利水電工程三維設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用，行業(yè)也占據(jù)了相當(dāng)一部分市場，相當(dāng)一部分水利水電設(shè)計(jì)院采用CATIA作為其三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。但是與BIM技術(shù)結(jié)合，必須對(duì)CATIA模型的信息進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)信息化、智能化模型。

1 CATIA二次開發(fā)技術(shù)

通常所說的CATIA二次開發(fā)方式，是指進(jìn)程外開發(fā)方式[7]，包括基于Visual Basic的Automation技術(shù)和基于C++的CAA技術(shù)。

Automation技術(shù)是一種在解釋環(huán)境下執(zhí)行，在COM基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，其主要思想是用一個(gè)程序去控制另一個(gè)程序，它并不能直接地獲取和處理數(shù)據(jù)，只能間接地通過開放的對(duì)象、方法、屬性來獲取、設(shè)置和處理數(shù)據(jù)[8]，可以通過調(diào)用封裝好的CATIA API接口(如Application、Documents、Cameras、Windows)與CATIA進(jìn)行交互，以實(shí)現(xiàn)對(duì)CATIA中對(duì)象的增加、刪除、獲取子項(xiàng)方法和數(shù)量屬性等。其局限性很明顯，只能有限調(diào)用CATIA API封裝好的對(duì)象，對(duì)于涉及到用戶定義特征，以及對(duì)已有對(duì)象行為進(jìn)行擴(kuò)展等需深度定制開發(fā)的內(nèi)容時(shí)，則顯得無能為力。

CAA是組件應(yīng)用框架(Component Application Architecture)的縮寫，是達(dá)索公司產(chǎn)品擴(kuò)展和客戶進(jìn)行定制開發(fā)的平臺(tái)，利用CAA可以進(jìn)行從簡單到復(fù)雜的二次開發(fā)工作，而且和原系統(tǒng)的結(jié)合非常緊密，如果沒有特別的說明，無法把客戶所研發(fā)的功能從原系統(tǒng)中區(qū)分出來，這非常有利于用戶的使用和集成。CAA開發(fā)人員，一方面需要具備CATIA V5知識(shí)，另一方面需要具備用C++開發(fā)能力。開發(fā)入門困難[7]，可供學(xué)習(xí)借鑒的資料很少，因此成功的案例很少。國外，法國和日本對(duì)CAA研究較早也較深入；在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、第一飛機(jī)設(shè)計(jì)院都關(guān)注CAA的研究應(yīng)用[9]。水利水電工程方面，長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司、中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司等單位都對(duì)CATIA二次開發(fā)進(jìn)行了研究并取得了一些初步成果，但公開發(fā)表的成果很少。

2 技術(shù)路線

按照水利水電工程設(shè)計(jì)的信息要求，對(duì)CATIA特級(jí)級(jí)和零件級(jí)分別進(jìn)行開發(fā)，使模型能夠承載不同層級(jí)的水利水電工程信息。通過csv文件格式，使CATIA信息能夠和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可將模型信息保存到數(shù)據(jù)庫中，為BIM技術(shù)應(yīng)用提供可靠信息源，技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 技術(shù)原理

2.1 技術(shù)手段

在Visual Studio 2008的集成開發(fā)環(huán)境中，采用CAA技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。

2.2 主要步驟

從特征級(jí)屬性開發(fā)、零件級(jí)屬性開發(fā)、信息導(dǎo)出3方面分別進(jìn)行介紹。

2.2.1 特征級(jí)屬性開發(fā)

(1)定義屬性工菜單欄。菜單欄用于在CATIA零件設(shè)計(jì)環(huán)境中提供命令按鈕，添加特征級(jí)屬性命令按鈕。

(2)界面定制。在集成環(huán)境中可通過可視化的操作，完成界面設(shè)計(jì)布局，用到的元素包括Frame、PushButton、SelectorList、Editor、ParameterEditor等。

(3)定義信息的類別Catalog及StartUp。通過定義Catalog及StartUp，表達(dá)信息屬性在CATIA中構(gòu)造方式。

(4)默認(rèn)屬性設(shè)置。為特征設(shè)置若干種常用的屬性，減少用戶設(shè)置工作量。

(5)事件綁定。通過完成如下事件綁定界面與CATIA之間信息傳遞，界面中需要綁定的主要事件包括：窗口關(guān)閉事件、元素選擇與替換、特征級(jí)屬性設(shè)置、新屬性添加、屬性名稱修改、確定按鈕完成操作。

(6)將屬性信息與特征綁定。提取用戶設(shè)置的信息，利用信息對(duì)特征進(jìn)行擴(kuò)展。

(7)即實(shí)現(xiàn)編輯功能(行為實(shí)現(xiàn))。當(dāng)需對(duì)已設(shè)置的特征級(jí)屬性信息進(jìn)行更改時(shí)，在結(jié)構(gòu)樹上雙擊，即可彈出特征級(jí)屬性編輯對(duì)話框，完成修改。

(8)其他操作。對(duì)結(jié)構(gòu)樹中信息進(jìn)行過濾，防止無關(guān)子元素顯示等。

2.2.2 零件級(jí)屬性開發(fā)

(1)擴(kuò)展屬性工具菜單欄。對(duì)屬性工具菜單欄進(jìn)行擴(kuò)展，添加零件級(jí)屬性命令按鈕。

(2)界面定制。零件級(jí)屬性界面包括設(shè)置零件級(jí)屬性界面和零件級(jí)所包含的特征級(jí)信息匯總界面，用到元素類型與特征級(jí)屬性的相同，通過可視化的操作完成界面定制。

(3)定義信息的類別Catalog及StartUp。零件級(jí)屬性構(gòu)造方式與特征級(jí)屬性相同，可采用與特征級(jí)屬性相同的Catalog及StartUp。

(4)默認(rèn)屬性設(shè)置。為零件級(jí)設(shè)置若干種常用的屬性，減少用戶設(shè)置工作量。

(5)事件綁定。通過完成如下事件綁定界面與CATIA之間信息傳遞，界面中需要綁定的主要事件包括：窗口關(guān)閉事件、元素選擇與替換、零件級(jí)屬性設(shè)置、新屬性添加、屬性名稱修改、確定按鈕完成操作、信息類型選擇事件、多字段查詢?cè)O(shè)置、關(guān)鍵字獲取、查詢命令響應(yīng)。

(6)將屬性信息與零件綁定。提取用戶設(shè)置的信息，利用信息對(duì)零件進(jìn)行擴(kuò)展。

(7)實(shí)現(xiàn)編輯功能(行為實(shí)現(xiàn))。當(dāng)需對(duì)已設(shè)置的零件級(jí)屬性信息進(jìn)行更改時(shí)，結(jié)構(gòu)樹上雙擊，即可零件級(jí)屬性編輯對(duì)話框，完成修改。

(8)其他操作。對(duì)結(jié)構(gòu)樹中信息進(jìn)行過濾，防止無關(guān)子元素顯示等。

2.2.3 屬性信息導(dǎo)出

(1)擴(kuò)展屬性工具菜單欄。對(duì)屬性工具菜單欄進(jìn)行擴(kuò)展，添加屬性信息導(dǎo)出命令按鈕。

(2)界面定制。通過可視化的操作完成界面定制。

(3)事件綁定。通過完成如下事件綁定界面與CATIA之間信息傳遞，界面中需要綁定的主要事件包括：窗口關(guān)閉事件、元素選擇、列表的右鍵事件“清空選擇”和“清除選擇”，提供刪除已選擇的屬性功能、更改目錄事件，設(shè)定導(dǎo)出目錄、導(dǎo)出為csv事件，完成導(dǎo)出操作。

(4)導(dǎo)出操作。采用文本輸出流，將信息寫入csv文件。

2.3 關(guān)鍵問題解決辦法

2.3.1 關(guān)鍵問題一：屬性工具欄定義

屬性工具欄是命令入口，是通過程序與CATIA進(jìn)行通信的第一道門。CAA遵循C++編程風(fēng)格，首先，需要繼承基礎(chǔ)類CATBaseUnknown，然后，需要在函數(shù)CreateCommand中定義命令，最后在CreateToolbars中將定義的命令添加到工具欄。頭文件及源文件部分關(guān)鍵代碼如下。

(1)頭文件部分關(guān)鍵代碼如圖2所示。

圖2 頭文件部分關(guān)鍵代碼

(2)源文件部分關(guān)鍵代碼如圖3所示。

圖3 源文件部分關(guān)鍵代碼

2.3.2 關(guān)鍵問題二：信息特征定義

特征是CATIA模型重要組成部分，首先，通過調(diào)用CreateCatalog函數(shù)生成Catalog，然后調(diào)用Catalog的CreateSUInCatalog方法生成StartUp，最后調(diào)用StartUp的AddAttribute方法為StartUp添加屬性，添加特征及信息兩個(gè)屬性。關(guān)鍵代碼如圖4所示。

圖4 信息特征定義代碼

2.3.3 關(guān)鍵問題三：屬性與特征/零件進(jìn)行綁定

用戶輸入的信息與CATIA模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，需要通過對(duì)“關(guān)鍵問題二”中StartUp賦值實(shí)現(xiàn)：①通過AccessCatalog方法獲取到對(duì)應(yīng)Catalog；②調(diào)用該Catalog的RetrieveSU方法獲取到StartUp；③調(diào)用StartUp的Instanciate方法進(jìn)行初始化，獲取到實(shí)例；④對(duì)③中初始化的實(shí)例，設(shè)置特征及信息，實(shí)現(xiàn)將信息與特征綁定。關(guān)鍵部分代碼如圖5所示。

圖5 屬性與特征/零件進(jìn)行綁定代碼

3 工程應(yīng)用

某水利水電工程采用CATIA為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)平臺(tái)，需要采用BIM技術(shù)完成工程5D施工模擬，根據(jù)項(xiàng)目需求，采用本文介紹的技術(shù)原理采用CAA技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，完成了特征級(jí)屬性工具、零件級(jí)屬性工具及屬性信息導(dǎo)出功能開發(fā)。特征級(jí)屬性默認(rèn)信息包括材料、密度、尺寸等，零件級(jí)屬性默認(rèn)信息包括零件編號(hào)、版本、描述、設(shè)計(jì)者、校核人、審查人、完成時(shí)間等，除此設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要自行對(duì)信息進(jìn)行修改及補(bǔ)充。

圖6為屬性工具條，在CATIA零件設(shè)計(jì)環(huán)境下，自動(dòng)加載顯示。從左到右依次為“特征級(jí)屬性”“零件級(jí)屬性”“信息導(dǎo)出”命令按鈕。

圖6 屬性工具條

圖7為特征級(jí)屬性工具，圖7(a)為工具命令面板，可以快速設(shè)置特征級(jí)屬性參數(shù)值；圖7(b)為特征屬性在樹結(jié)構(gòu)上的顯示。

圖7 特征屬性

圖8為零件級(jí)屬性工具，圖8(a)為工具命令面板，可以快速設(shè)置零件級(jí)屬性參數(shù)值；圖8(b)為零件級(jí)屬性在樹結(jié)構(gòu)上的顯示。

圖8 零件屬性

圖9為零件級(jí)所包含特征級(jí)的屬性匯總，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特征級(jí)的屬性進(jìn)行分類、匯總，支持對(duì)多個(gè)關(guān)鍵字進(jìn)行并集/交集查詢。

圖9 特征屬性匯總

圖10為屬性信息導(dǎo)出的界面，圖11是導(dǎo)出后的csv文件。

圖10 屬性信息導(dǎo)出

圖11 屬性信息導(dǎo)出csv文件

csv文件可實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)方便地導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。通過數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及訪問方式的多元化，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的一致性和可維護(hù)性；并保證了數(shù)據(jù)的相對(duì)獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的集中控制，確保其安全性和可靠性。通過利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的一套方法，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行修復(fù)，防止數(shù)據(jù)被破壞，能夠盡快恢復(fù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的物理上或邏輯上的錯(cuò)誤。利用sql語句的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的檢索，以滿足不同維度的應(yīng)用需求。

最終通過數(shù)據(jù)庫讀取特征信息及零件信息，并運(yùn)用到5D施工模擬中，將時(shí)間、成本因素考慮到施工模擬，對(duì)該BIM研發(fā)項(xiàng)目的順利研發(fā)推進(jìn)起到了重要作用。

4 總結(jié)

CATIA CAA具備強(qiáng)大的二次開發(fā)能力，通過對(duì)其進(jìn)行研究，尤其是用戶定義特征技術(shù)的深入研究，達(dá)到了用戶信息屬性與CATIA模型的集成目的，使得CATIA模型可實(shí)現(xiàn)方便地插入、提取、更新及修改信息，對(duì)BIM技術(shù)在工程應(yīng)用提供了有力信息支持。應(yīng)用實(shí)踐表明，該技術(shù)對(duì)CATIA的特征級(jí)及零件級(jí)實(shí)現(xiàn)了信息封裝，可方便地進(jìn)行管理，支持與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對(duì)BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域應(yīng)用推廣具有重要意義。