齊成龍

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津300308）

0 引 言

目前基于達索軟件的BIM 設(shè)計中，大多借助EKL 腳本語言和action 功能，采用“骨架-模板”的建模思想［1］。這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)批量建模，但是實例化結(jié)果包含建模過程，導致效率低下，同時由于建模過程向所有使用者開放，也不利于傳遞過程中的數(shù)據(jù)穩(wěn)定［2］。

本文介紹一種不同于傳統(tǒng)方法的全新橋梁基礎(chǔ)批量建模和審核工具，該工具使用達索∕組件應(yīng)用架構(gòu)（CAA）二次開發(fā)語言實現(xiàn)，嵌入到達索軟件內(nèi)部，通過生成承臺和樁特征避免了工程模板的復(fù)雜內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，提高了效率，同時，該工具還具備批量修改模型IFC 屬性值及輸出審核結(jié)果的功能［3］。

1 程序交互界面及操作流程設(shè)計

根據(jù)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計過程的需要，設(shè)計出如圖1 所示的用戶交互界面。該人機交互的基礎(chǔ)設(shè)計工具具備以下幾個特點：①設(shè)計功能嵌入到達索裝配設(shè)計（Assembly Design）模塊中；②設(shè)計參數(shù)采用表格輸入的手段［4］；③程序在批量創(chuàng)建基礎(chǔ)模型的同時，自動為IFC 屬性賦值；④承臺和樁分別作為用戶定義特征組合成最終的基礎(chǔ)模型，用戶可手動修改這些特征結(jié)果；⑤用戶手動修改承臺和樁特征后，程序可根據(jù)最終特征結(jié)果輸出數(shù)據(jù)表格供模型審核所用，并更新IFC屬性值。

圖1 全橋基礎(chǔ)設(shè)計用戶交互界面Fig.1 User interface of whole bridge foundation design

使用此工具進行橋梁基礎(chǔ)BIM設(shè)計及審核時應(yīng)遵循以下幾個步驟。

（1）設(shè)計準備工作

填充基礎(chǔ)信息表格，該表格存儲了承臺和樁在結(jié)構(gòu)尺寸、空間位置及混凝土等級方面的參數(shù)。然后，使用達索EKL 腳本語言生成基礎(chǔ)骨架坐標系。

（2）選擇用于存儲基礎(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)的骨架坐標系和基礎(chǔ)信息表格。

（3）選擇用于存儲各基礎(chǔ)零件的父級根節(jié)點

生成的橋墩基礎(chǔ)零件將附屬在該節(jié)點下。

（4）生成全橋基礎(chǔ)模型

上述所有步驟均完成后，對話框OK 按鈕即被激活，點擊此按鈕后生成全橋基礎(chǔ)模型，如圖2所示。

圖2 全橋基礎(chǔ)BIM模型Fig.2 Foundation BIM model of the whole bridge

（5）修改基礎(chǔ)模型

雙擊承臺或樁基模型后，打開特征修改用戶交互窗口，其中，樁特征修改界面如圖3 所示。在承臺特征交互窗口，用戶可以增加、刪除、修改一層承臺的數(shù)據(jù)，并修改混凝土等級；在樁基特征交互窗口，用戶可增加或刪除某根樁數(shù)據(jù)，并修改混凝土等級以及樁長。

（6）基礎(chǔ)屬性批量修改及基礎(chǔ)模型審核數(shù)據(jù)輸出

承臺和樁的部分IFC屬性如圖4所示，這兩種特征修改后，零件屬性值無法隨之自動更新，為實現(xiàn)這種更新功能，可在圖1 所示的用戶界面點擊RefreshAttributes 按鈕，所有零件的IFC 屬性值根據(jù)最新的特征自動更新。

圖3 樁特征修改界面Fig.3 Pile feature modification UI

圖4 承臺和樁基零件IFC屬性Fig.4 IFC attributes for platform and pile parts

同時，程序可以輸出最新的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表格，其中存儲了尺寸、位置、混凝土等級，可用于BIM 建模結(jié)果審核。

2 實現(xiàn)語言及模塊設(shè)計

2.1 模塊設(shè)計

將該設(shè)計工具劃分為3 個模塊以實現(xiàn)其功能，分別為界面模塊（UI Module）、特征模塊（Feature Module）和幾何拓撲模塊（Topological Module），如圖5 所示。三者的關(guān)系是：幾何拓撲模塊創(chuàng)建承臺和樁的幾何拓撲形狀；特征模塊生成承臺和樁特征［5］，特征的三維形狀通過幾何拓撲模塊獲?。唤缑婺K用于建模工具條的實現(xiàn)，基礎(chǔ)零件批量生成，以及特征的批量實例化和屬性修改、審核數(shù)據(jù)輸出等功能。以下將從底層開始依次介紹各模塊的開發(fā)流程。

2.2 幾何拓撲模塊

2.2.1 單層承臺

圖5 模塊設(shè)計Fig.5 Module design

每一個基礎(chǔ)的承臺可分為多層，其定位坐標系位于最上層承臺頂部。每一層承臺是一個立方體，如圖6 左所示，承臺頂面到定位坐標系原點有一個向下的偏移值Depth，單層承臺拓撲體創(chuàng)建流程如下：

使用CATMathVector 類的GetDirections（）和GetOrigin（）方法獲取定位坐標系的原點和方向向量［6］，通過原點和方向向量之間的運算，并結(jié)合尺寸參數(shù)，創(chuàng)建iPt1-iPt4 四個點，如圖6 右所示，并在這四個點的生成過程中考慮每層承臺的豎向偏移值Depth。

圖6 單層承臺圖示Fig.6 Single-layer platform sketch

有了iPt1-iPt4 四個點，調(diào)用了如下CAA 內(nèi)部函數(shù)：

CATICGMSolidCuboid * CATCGMCreateSolidCuboid(CATGeoFactory* iFactory, CATTopData* iData, const CAT?MathPoint& iPt1, const CATMathPoint& iPt2, const CAT?MathPoint&iPt3,const CATMathPoint&iPt4)；

這個函數(shù)以圖6 右的iPt1-iPt4 四個點為輸入?yún)?shù)，生成CATICGMSolidCuboid 類型的拓撲運算器（Topological Operator），通過此拓撲運算器創(chuàng)建立方體形狀的空間拓撲體，從而完成單層承臺幾何拓撲的生成。

2.2.2 多層承臺組裝

上一節(jié)介紹了如何創(chuàng)建考慮豎向偏移的單層承臺，本節(jié)介紹如何組裝這些單層承臺。從上到下各單層承臺的數(shù)據(jù)依次存儲在一個列表（list）當中，組裝多層承臺時，在這個列表范圍內(nèi)循環(huán)，流程如圖7所示。

圖7 組裝多層承臺的流程Fig.7 Assembly process for multi-layer platform

對于第一層承臺，由于承臺頂面與定位坐標系重合，令豎向偏移值Depth=0，調(diào)用單層承臺創(chuàng)建函數(shù)，生成CATBody 類型的幾何拓撲，將Depth值與當前承臺高度相加獲取下一層承臺的豎向偏移值。如果此時處理的承臺為最后一個，當前幾何拓撲即為返回值，否則，繼續(xù)創(chuàng)建下一層承臺的幾何拓撲，并與上一步獲取的拓撲體布爾合并作為新的拓撲體。

循環(huán)操作，最終獲取合并后的各層承臺拓撲結(jié)果。

2.2.3 多根樁組裝

單根樁數(shù)據(jù)存儲在一個名為PileStruct 的結(jié)構(gòu)體中，該結(jié)構(gòu)體包含樁的平面定位坐標值和樁身直徑、樁長等信息。

多根樁組裝函數(shù)聲明格式如下：

CATBody_var CreatePileBody(CATGeoFactory_var isp?GeoFac, CATTopData* iData, CATListPV iPileStructList,CATMathAxis iMathAxisTop)();

這個函數(shù)的輸入?yún)?shù)iPileStructList 是一個PileStruct 類型的列表（list），其中存儲了當前基礎(chǔ)下所有樁的數(shù)據(jù)，每個列表元素代表一根樁；輸入?yún)?shù)iMathAxisTop 表示承臺底部定位坐標系，PileStruct 結(jié)構(gòu)體中存儲的樁平面定位坐標值即是相對于此坐標系而言的。

函數(shù)執(zhí)行流程如下：

在列表范圍內(nèi)循環(huán)，對于當前列表元素，使用CATMathVector 類的GetDirections（）和GetOrigin（）方法獲取定位坐標系的原點和方向向量，通過原點和方向向量之間的運算，并結(jié)合樁平面定位坐標值及樁長，創(chuàng)建當前樁的上、下部頂點。有了單根樁的上下部頂點及樁身直徑，調(diào)用如下CAA內(nèi)部函數(shù)創(chuàng)建代表單根樁的圓柱形拓撲體：

CATICGMSolidCylinder*CATCGMCreateSolidCylinder(CATGeoFactory*iFactory,CATTopData*iData,const CAT?MathPoint& iFirstPointOnAxis, const CATMathPoint& iSec?ondPointOnAxis,double iRadius)；

在循環(huán)過程中，對代表每根樁的圓柱體執(zhí)行布爾合并運算，循環(huán)結(jié)束后完成樁的建模。

2.3 特征模塊

2.3.1 特征概述

在本程序當中，為了實現(xiàn)承臺和樁基的快速批量建模，需要將二者封裝為特征，從而保證這兩種模型的輕量化和封裝性。在達索CAA 架構(gòu)中，特征作為一種面向?qū)ο蟮哪Ｐ停?］，有兩層含義：

（1）數(shù)據(jù)模型

特征作為一種對象，它的數(shù)據(jù)是以屬性的方式存儲的，特征的屬性分為兩類，數(shù)值類型的屬性，例如整型、浮點型數(shù)值；特征類型的屬性，也就是說這個屬性本身也是一種特征。例如對于直線特征，它的兩個端點可以作為其屬性，端點本身也是特征。

（2）行為模型

每一種特征對象都包含多種與其關(guān)聯(lián)的行為，CAA 當中使用接口來描述對象的行為。例如，在達索中創(chuàng)建一個線的特征Line3D，這個特征具備在三維空間中畫線的行為，因此，Line3D特征執(zhí)行CATILine 接口，其中包含的函數(shù)Draw（）具備畫線功能。

2.3.2 模塊架構(gòu)

為了定義承臺和樁這兩個特征，需要擴展三個對象：Footing，Pile，CATPrtCont。特征模塊的架構(gòu)如圖8所示。

Footing 表示承臺對象，對其擴展類型接口BridgeIFooting，這個接口包含一系列Get 和Set 函數(shù)，這些函數(shù)的作用是獲取承臺對象的屬性值或者給承臺對象屬性賦值。同時，對承臺對象擴展CATIFmFeatureBehaviorCustomization 接口，此接口包含Build（）函數(shù)，其作用是，當用戶對承臺對象執(zhí)行更新操作時，調(diào)用幾何拓撲模塊，生成幾何拓撲體，從而實現(xiàn)幾何拓撲形狀與特征的關(guān)聯(lián)，Build（）函數(shù)在運行時需要引用類型接口的Get系列函數(shù)，從而獲取特征的屬性值，作為創(chuàng)建幾何拓撲體的輸入?yún)?shù)。與承臺類似，Pile 表示樁對象，對其擴展 BridgeIPile 類型接口以及CATIFmFeatureBehaviorCustomization 接口。

圖8 特征模塊架構(gòu)Fig.8 Feature module framework

CATPrtCont 是一個特征容器（Container）對象，對CATPrtCont 對象擴展兩個工廠接口BridgeIFootingFactory 和BridgeIPileFactory，這 兩個接口分別包含CreateFooting（）和CreatePile（）函數(shù)，分別用于實例化承臺和樁特征。這兩個函數(shù)在執(zhí)行過程中需要引用各自類型接口的Set 系列函數(shù)從而為特征屬性賦值。

2.4 界面模塊

界面模塊的作用是實現(xiàn)以下功能：

將程序的各命令以菜單按鈕的形式保存在工具條當中，并創(chuàng)建用戶交互窗口；創(chuàng)建承臺及樁特征的生成、修改命令；實現(xiàn)基礎(chǔ)批量建模、模型結(jié)果批量審核及IFC屬性修改功能。

2.4.1 命令按鈕及用戶交互窗口

菜單按鈕采用Add-in 的方式添加，基礎(chǔ)裝配功能和特征生成功能分別嵌入到裝配設(shè)計（Assembly Design）模塊和零件設(shè)計（Part Design）模塊中，因此，二者分別實現(xiàn)CATIAssyWork Bench Addin和CATIPrtCfg Addin接口。

派生 CATMmrPanelStateCmd 類 ，重載GiveMyPanel（）方法，將派生類與對話窗口Dialog文件關(guān)聯(lián)。重載BuildGraph（）方法，通過這種方式實現(xiàn)用戶交互。

2.4.2 特征的創(chuàng)建和修改

CATMmrPanelStateCmd 類 的OkAction（）方法，表示用戶點擊OK 按鈕時系統(tǒng)需要執(zhí)行的操作。重載OkAction（）方法，從而實現(xiàn)了圖3 命令窗口所示的創(chuàng)建特征功能。

圖9所示為特征的創(chuàng)建和修改流程。

圖9 創(chuàng)建及修改特征流程Fig.9 Work flow for feature creation and modification

在創(chuàng)建模式下，用戶點擊工具欄按鈕，激活CATMmrPanelStateCmd 派生類，打開用戶交互窗口，用戶在窗口中輸入特征屬性值，點擊OK 按鈕以后，程序調(diào)用特征的工廠接口，創(chuàng)建特征結(jié)果并更新拓撲形狀。

在修改模式下，當用戶雙擊某已經(jīng)存在的特征，即激活CATIEdit接口的Activate（）方法，此方法調(diào)用CATMmrPanelStateCmd 派生類的構(gòu)造函數(shù)，啟動特征修改模式，在此模式下，程序提取當前特征的屬性值并顯示在命令交互窗口中供用戶修改，點擊OK按鈕后調(diào)用特征類型接口的Set系列函數(shù)更新特征屬性，完成特征修改及幾何拓撲更新。

2.4.3 基礎(chǔ)批量建模、模型結(jié)果批量審核及IFC屬性修改

這三項功能在同一個用戶交互窗口中實現(xiàn)。

批量建模流程為，通過CATICkeSheet 接口獲取結(jié)構(gòu)樹中設(shè)計表格的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為承臺和樁結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)列表（List）。在此列表范圍內(nèi)循環(huán)，由于目前達索CAA暫不支持擴展鐵路IFC類型產(chǎn)品的生成功能，因此，對于每一個基礎(chǔ)，使用CATAdpDuplicator 類對特定IFC 類型的產(chǎn)品進行復(fù)制，生成基礎(chǔ)、承臺、樁的產(chǎn)品（Product）節(jié)點，通過CATIPLMProducts 接口的AddProduct（）方法完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)樹層級關(guān)系組織［8］。

借助特征模塊的工廠接口，在產(chǎn)品節(jié)點下?lián)饺氤信_和樁的特征，特征屬性從結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)列表中獲取。使用CATCkeObjectAttrWriteServices 類的一系列屬性賦值方法，給產(chǎn)品節(jié)點的IFC 屬性賦值，屬性值可以從數(shù)據(jù)列表中計算求得，也可以通過類型接口的Get系列函數(shù)從特征結(jié)果中獲取。

基礎(chǔ)批量建模結(jié)果的結(jié)構(gòu)樹如圖3 所示，模型結(jié)果的批量審核及修改功能都需要遍歷這種樹形結(jié)構(gòu)，從而獲取所有模型并對這些模型進一步操作，流程如圖10 所示。CATIPLMNavReference接口的ListChildren（）方法可用于獲取結(jié)構(gòu)樹中某個產(chǎn)品（Product）的所有子節(jié)點，多次遞歸使用該方法從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)樹的遍歷。對于遍歷出來的每一個零件（Part）根節(jié)點，使用CATIPart Request 和CATIMmiUseBodyContent 接 口 依 次 獲取零件中的所有的Body，以及每個Body中的所有特征，將這些特征與BridgeIFooting，BridgeIPile 類型接口進行比較，從而識別獲取的特征。

圖10 模型結(jié)構(gòu)樹遍歷流程Fig.10 Model tree structure navigation process

使用類型接口Get 系列函數(shù)獲取特征的最新屬性值。對于遍歷出來的結(jié)構(gòu)樹中所有產(chǎn)品（Product）節(jié)點，通 過CATCkeObjectAttrWrite Services 類的一系列方法，使用這些屬性值為IFC屬性賦值，從而實現(xiàn)產(chǎn)品IFC 屬性值的批量修改；使用這些特征屬性值向數(shù)據(jù)表格寫出數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)批量輸出模型審核數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語

針對既有的以工程模板和action 功能為手段的橋梁基礎(chǔ)BIM 建模方法的局限性，本文介紹了一種使用達索∕CAA 架構(gòu)開發(fā)的橋梁基礎(chǔ)BIM 批量建模及審核工具。

使用該工具進行建模時，程序讀取設(shè)計表格中的基礎(chǔ)尺寸及其他數(shù)據(jù)，批量創(chuàng)建符合IFC 類型的產(chǎn)品（Product）節(jié)點，向其中插入樁及承臺特征，并對產(chǎn)品的IFC 屬性賦值。用戶可單獨修改特征結(jié)果，并使用該工具根據(jù)最終的特征結(jié)果批量修改產(chǎn)品IFC 屬性值，還可以使用審核工具，以excel 表格的形式輸出總結(jié)點下所有基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，為BIM建模結(jié)果審核提供便利。

從開發(fā)架構(gòu)的角度上講，該設(shè)計和審核工具通過界面模塊、特征模塊、幾何拓撲模塊三部分實現(xiàn)其功能。幾何拓撲模塊的作用是生成承臺和樁的CATBody 類型拓撲結(jié)果；特征模塊將樁和承臺各自封裝為一種面向?qū)ο蟮哪Ｐ?，并調(diào)用幾何拓撲模塊結(jié)果實現(xiàn)特征的三維顯示；界面模塊通過調(diào)用特征模塊實現(xiàn)批量建模及模型的審核和IFC屬性修改。