畢 晨 李在鐘

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121)

引言

隨著BIM技術(shù)在國內(nèi)的快速發(fā)展及應(yīng)用，越來越多的土木工程項目采用了Autodesk Civil 3D平臺進行設(shè)計、建模[1-3]。Civil 3D軟件中集成的管網(wǎng)模塊，提供了一系列功能，可用于市政排水管網(wǎng)的建模、修改及分析等[4]； 在Civil 3D平臺下，排水管網(wǎng)能夠非常方便地與市政道路、隧道、強弱電管網(wǎng)等專業(yè)協(xié)同設(shè)計，多專業(yè)間數(shù)據(jù)可共享，極大提升了項目設(shè)計效率和設(shè)計精度[5]。

然而，由于Civil 3D是一款面向多專業(yè)的設(shè)計軟件，且功能主要偏向于場地處理和路線設(shè)計等，軟件功能難以完全覆蓋到各個附屬專業(yè)的建模需求； 就管網(wǎng)模塊而言，Civil 3D沒有面向國內(nèi)市政排水管網(wǎng)設(shè)計場景和設(shè)計習(xí)慣進行深度優(yōu)化，部分功能缺失或不完善，導(dǎo)致排水設(shè)計人員的建模效率低，推廣正向設(shè)計需付出較高的代價。

為提高Civil 3D市政排水管網(wǎng)設(shè)計的效率，須對軟件的管網(wǎng)設(shè)計模塊進行二次開發(fā)，提高軟件的易用性，為排水正向設(shè)計的推廣做好鋪墊。

同樣作為BIM軟件，Revit二次開發(fā)技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的研究與應(yīng)用[6-8]； 相比之下，Civil 3D二次開發(fā)技術(shù)在工程中的應(yīng)用案例較少，且主要集中在場地、路線領(lǐng)域[9-11]，至于其管網(wǎng)模塊二次開發(fā)的研究與應(yīng)用，則較為鮮見。故本研究亦希望通過對一系列具體功能的二次開發(fā)，來探討Civil 3D重力管網(wǎng)模塊二次開發(fā)的主要流程和若干技術(shù)細節(jié)。

1 二次開發(fā)流程

本研究基于Civil 3D的.NET API(.NET Application Programming Interface，即.NET框架下的應(yīng)用程序編程接口)，它為Civil 3D的二次開發(fā)提供了一系列功能接口，能實現(xiàn)絕大部分的軟件操作； 本研究使用C#編程語言進行二次開發(fā)，二次開發(fā)環(huán)境見表1。本研究的開發(fā)流程如下所述。

表1 二次開發(fā)環(huán)境

1.1 新建開發(fā)項目

打開Visual Studio 2017軟件，新建名稱為“CivilNetworkTools”的項目，編程語言選擇visual C#，項目類型選擇“類庫(.NET Framework)”，項目框架選擇“.NET Framework 4.7.2”。

1.2 添加外部引用

進行二次開發(fā)前，應(yīng)根據(jù)開發(fā)的需要，向項目中添加程序必要的引用。本二次開發(fā)項目需要的引用包括AutoCAD和Civil 3D的.NET API庫和COM(Component Object Model，組件對象模型)API庫[12]、定制AutoCAD功能區(qū)選項卡界面的庫等。

(1).NET API庫

引用Civil 3D安裝目錄下的acdbmgd.dll、acmgd.dll、accoremgd.dll、AecBaseMgd.dll以及AeccDbMgd.dll等庫文件，上述文件是進行Civil 3D二次開發(fā)最基礎(chǔ)的庫文件。

(2)COM API庫

引用Civil 3D安裝目錄下的Autodesk.AutoCAD.Interop.dll、Autodesk.AutoCAD.Interop.Common.dll、Autodesk.AECC.Interop.UiPipe.dll以及Autodesk.AECC.Interop.Pipe.dll等庫文件； Civil 3D官方推薦使用.NET API，然而.NET API并未涵蓋所有Civil 3D功能，因此開發(fā)過程中可能會使用到僅在COM API中開放的功能。

(3)用戶界面相關(guān)的庫

引用Civil 3D安裝目錄下的AcWindows.dll、AdWindows.dll等庫文件，用于為二次開發(fā)的功能定制AutoCAD功能區(qū)界面。

1.3 程序的編寫與生成

在項目中新建若干C#類文件，于各個文件起始部分引入所需的命名空間，而后進行編程； 完成預(yù)期功能后，使用Visual Studio“生成解決方案”功能以生成最終程序文件，而后于項目文件目錄下，獲取最終生成的目標(biāo)文件。根據(jù)先前設(shè)置，本項目生成了動態(tài)鏈接庫(dll)文件。

1.4 程序的加載

啟動Civil 3D軟件，鍵入加載.NET程序集命令“netload”，加載先前生成的dll文件； 加載成功后，鍵入二次開發(fā)的“NetworkToolsRibbonTab”命令，加載程序的圖形用戶界面(GUI)，供用戶調(diào)用二次開發(fā)功能。用戶界面采用了AutoCAD的功能區(qū)(Ribbon)選項卡界面，如圖1所示； 功能區(qū)是當(dāng)下眾多CAD二次開發(fā)軟件的界面選擇，相比于傳統(tǒng)菜單欄、工具欄，它具有流程清晰、分類明確、界面美觀等優(yōu)點[13]。

圖1 二次開發(fā)用戶圖形界面

2 管網(wǎng).NET API類接口概述

利用.NET API二次開發(fā)時，最常用到的類顯然是管網(wǎng)相關(guān)類以及管網(wǎng)零件族相關(guān)類接口，如管網(wǎng)類Network、結(jié)構(gòu)類(含檢查井)Structure、管道類Pipe以及零件族類PartFamily和零件尺寸類PartSize等[14]，它們之間的層級邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 管網(wǎng)對象層級關(guān)系圖

通過當(dāng)前活動文檔(ActiveDocument)的GetPipeNetworkIds()方法，可獲取圖形中所有管網(wǎng)(Network)的Id集合(ObjectIdCollection)，從而獲取所有管網(wǎng)實例； 類似地，通過單個管網(wǎng)可獲取該管網(wǎng)的所有結(jié)構(gòu)(Structure)和管道(Pipe)； 通過單個結(jié)構(gòu)和管道，即可獲取或設(shè)置他們各自的屬性(如圖2中提及的名稱、位置、坐標(biāo)等屬性)。二次開發(fā)大部分的功能即是通過上述層級關(guān)系，對管網(wǎng)、結(jié)構(gòu)以及管道的數(shù)據(jù)進行讀寫。

此外，通過當(dāng)前活動文檔，亦可直接獲取圖形中所有樣式(Styles)，其中包括管網(wǎng)零件列表的集合(PartsListSet)； 通過單個零件列表(PartsList)，可以獲取該列表所有零件族(PartFamily)，而單個零件族下又有不同的尺寸(PartSize)實例。二次開發(fā)中關(guān)于獲取或設(shè)置管網(wǎng)零件類型的功能即是通過上述層級關(guān)系實現(xiàn)的。

3 排水管網(wǎng)輔助建模功能的二次開發(fā)

3.1 預(yù)期開發(fā)功能

表2 二次開發(fā)功能一覽

根據(jù)項目中使用Civil 3D軟件進行排水管網(wǎng)設(shè)計的體會和經(jīng)驗，本研究整理了建模過程中耗時較多的操作，并據(jù)此確定了需要二次開發(fā)的具體功能，主要包括管網(wǎng)圖元的參數(shù)化創(chuàng)建、排水管網(wǎng)平縱的幾何參數(shù)及非幾何參數(shù)批量修改、排水管網(wǎng)圖元快速查找以及管網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。表2為本研究確定的二次開發(fā)功能。

3.2 功能實現(xiàn)過程

面對待開發(fā)的一系列功能，應(yīng)當(dāng)理清各個功能的邏輯思路，再利用合適的API逐一進行實現(xiàn)。對于某一功能而言，首先要分析其對應(yīng)實際設(shè)計中的某一系列建模操作，而后將其抽象為流程圖，再根據(jù)流程圖進行具體的編程設(shè)計，最終實現(xiàn)預(yù)期功能。以下試舉幾個典型實例，說明本研究的功能實現(xiàn)過程。

(1)實例一：“布置雨水口”功能

建模時，布置雨水口的實際操作大致分為三步：①選定要連接雨水口的檢查井;②選定布置雨水口的道路邊線;③根據(jù)檢查井及邊線的幾何關(guān)系，布置雨水口和連接管； 將其抽象為流程圖，則如圖3所示； 根據(jù)流程圖步驟進行編程，其代碼框架如圖4所示(連接管參數(shù)選用工程中最常用的參數(shù)，即管徑d300、坡度i=0.003、起點覆土1.0m； 雨水口地面高程參考道路曲面對應(yīng)高程)。通過該功能，可批量布置雨水口及其連接管。

圖3 “布置雨水口”功能流程圖

圖4 “布置雨水口”功能代碼框架

實現(xiàn)本功能時，對檢查井Structure類的坐標(biāo)屬性Position進行了讀寫，本研究中凡是涉及檢查井空間位置的功能，均需對該屬性進行讀寫； 類似地，管道Pipe類的起終點坐標(biāo)屬性StartPoint、EndPoint以及GetPointAtParam(double paramInterval)方法，可用于讀寫管道空間位置。

(2)實例二：“修改管高”功能

修改模型幾何信息——管道高程時，其實際操作亦大致分為三步：①于縱斷面選定要修改高程的連續(xù)管段;②確定要調(diào)整的高程;③根據(jù)調(diào)整高程，依次修改管道及檢查井的內(nèi)底高程； 將其抽象為流程圖，則如圖5所示； 根據(jù)流程圖步驟進行編程，其代碼框架如圖6所示。通過該功能，可快捷高效地調(diào)整連續(xù)管段的高程。

圖5 “修改管高”功能流程圖

圖6 “修改管高”功能代碼框架

實現(xiàn)本功能時，利用了管網(wǎng)Network類的靜態(tài)方法Network.FindShortestNetworkPath(ObjectId startPartId，ObjectId endPartId，ref double minLength)來獲取同一管網(wǎng)中兩檢查井間的最短路徑零件集合； 該方法在本研究中發(fā)揮了極其重要的作用，相當(dāng)一部分二次開發(fā)功能的實現(xiàn)，均需要調(diào)用該方法，來獲取兩檢查井之間的零件集合(如“定覆土”、“移動管網(wǎng)”、“修改管坡”、“選擇管段”等功能)。

(3)實例三：“修改井參考曲面”功能

修改模型非幾何信息——參考曲面時，其實際操作亦可歸結(jié)為三步：①選定要參考的目標(biāo)曲面;②選定要修改參考曲面的檢查井;③將選定井的參考曲面修改為目標(biāo)曲面； 其流程圖和代碼框架分別如圖7和圖8所示。通過該功能，可以批量修改檢查井的參考曲面，從而在道路曲面發(fā)生調(diào)整等情況下，能夠?qū)z查井快速地參考到最新曲面上，完成井面標(biāo)高的更新。

圖7 “修改井參考曲面”功能流程圖

圖8 “修改井參考曲面”功能代碼框架

此外，如1.2節(jié)所述，二次開發(fā)過程中，不可避免地使用到了COM API。例如，.NET API中，Structure或Pipe的Name屬性(即檢查井或管道的名稱)，是只讀的，不能修改[14]，而COM API中提供了對該屬性的修改功能，本研究開發(fā)的“修改井編號”及“修改井編號前綴”等功能，均涉及到對檢查井名稱的修改，故需要調(diào)用COM API來實現(xiàn)。

當(dāng)需要調(diào)用COM API時，應(yīng)將.NET對象轉(zhuǎn)換為COM對象，可利用COM API中文檔(AeccDocument)對象的HandleToObject(string Handle)或ObjectIdToObject(long ObjectId)方法，通過.NET對象的唯一標(biāo)記(句柄或ObjectId)，來獲取對應(yīng)的COM對象[12]。

4 工程實例應(yīng)用

以重慶市某市政道路排水工程為例，來驗證二次開發(fā)功能集對Civil 3D排水管網(wǎng)建模效率的提升。

通過二次開發(fā)的功能，將先前流程繁瑣(如修改連續(xù)管段的高程、坡度或井編號等操作)或機械重復(fù)(如批量修改檢查井參考曲面或管道、檢查井族類型等操作)的操作進行優(yōu)化、整合，設(shè)計人員僅負責(zé)輸入關(guān)鍵參數(shù)，由計算機依照輸入自動執(zhí)行； 通過二次開發(fā)的功能，亦能方便地進行模型的查找，在模型元素較多的情況下，實現(xiàn)元素的快速定位(如平縱模型的相互查找以及由編號查找檢查井等操作)。與先前相比，排水管網(wǎng)建模流程實現(xiàn)了化繁為簡，顯著提升了排水管網(wǎng)建模及修改的效率、減輕了設(shè)計人員的工作量，需要額外花費的時間僅為族和圖形模板的建立。選取本文描述的三種操作，比較了常規(guī)操作和二次開發(fā)功能的工作效率(基于1km排水管道工作量)，如圖9所示，得到的結(jié)果支持本文的結(jié)論。

圖9 常規(guī)操作與二次開發(fā)功能效率對比

此外，由于參數(shù)化的設(shè)計模式，使得模型準(zhǔn)確度相較先前得到提升，可更精準(zhǔn)進行三維模型的展示與數(shù)據(jù)分析。圖10及圖11分別為Civil 3D中管網(wǎng)模型的三維查看視圖以及管網(wǎng)模型導(dǎo)入到Infraworks軟件中進行的精細化展示。

圖10 Civil 3D中管網(wǎng)三維模型

圖11 Infraworks中管網(wǎng)三維模型

5 總結(jié)

本研究基于.NET API，二次開發(fā)了一系列擴展功能，用以優(yōu)化Civil 3D排水管網(wǎng)建模流程； 經(jīng)實際工程驗證，管網(wǎng)建模效率在二次開發(fā)功能的輔助下，實現(xiàn)了顯著的提升。

此外，建模過程中，仍存在著諸多有待優(yōu)化的操作流程，例如檢查井的自動選型、管道開挖量的自動計算等，在后續(xù)研究中將針對這些問題進行探討。

Civil 3D軟件不僅為重力管網(wǎng)的三維建模提供了堅實可靠的基礎(chǔ)框架和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而且還提供了高度開放的.NET API，這使得用戶可根據(jù)公司或項目的具體需求，針對重力管網(wǎng)模塊進行二次開發(fā)，實現(xiàn)更多自定義的高效功能。隨著二次開發(fā)技術(shù)的不斷推廣，Civil 3D針對各個專業(yè)的建模流程將會越來越完善，各專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計將會越來越便利，Civil 3D平臺將會激發(fā)出更大的潛力，在市政道路及其附屬工程BIM設(shè)計中發(fā)揮更多的作用。