王 蕊，冉麗利，馬玉巖

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

CATIA是法國達索系統(tǒng)（DassaultSysteme）旗下的CAD／CAE／CAM一體化軟件，是目前市面上主流的BIM軟件之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、機械制造行業(yè)。軟件從1981年到1988年相繼推出了V1、V2、V3、V4版本，1999推出V5版本，包含了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、機械設(shè)計、形狀設(shè)計和設(shè)備與系統(tǒng)等諸多模塊，為用戶提供了近百個設(shè)計工具按鈕。2014年達索系統(tǒng)推出了3DEXPERIENCE（以下簡稱“3DE”）實現(xiàn)了3D設(shè)計、數(shù)據(jù)管理和流程管理，集成了達索系統(tǒng)系列軟件，包括：CATIA、ENOVIA，Solidorks，DELMIA，Simulia。3DE是CATIA軟件的一次迭代、是達索對旗下產(chǎn)品的一次整合。3DE包含了CATIA軟件的所有功能，采用了行業(yè)領(lǐng)先的ICEM曲面技術(shù)，可以滿足用戶豐富且復(fù)雜的曲面造型需求，優(yōu)化了知識工程模塊，具有顯式知識、規(guī)則的特點，可捕捉設(shè)計意圖，將隱式經(jīng)驗、知識變成顯式的專業(yè)知識，極大提高設(shè)計智能化水平。

目前基于CATIA知識工程模塊，在不同的行業(yè)領(lǐng)域，眾多學(xué)者開展了大量研究。王艷真等［1］基于CATIAV6版本，通過分析船舶閥件設(shè)計特點，運用參數(shù)化設(shè)計和知識工程模塊工具，實現(xiàn)閥門模型的參數(shù)化驅(qū)動，提高了設(shè)計效率。張航等［2］利用CATIA知識工程技術(shù)，在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過參數(shù)表、用戶特征、知識工程陣列等方式，實現(xiàn)了大量具有類似特征模型的批量生成和快速修改，為多個型號結(jié)構(gòu)快速建模和布置提供了新的解決思路。崔小建等［3］通過3DE采用裝配式思路，借助知識工程模塊結(jié)合二次開發(fā)，建立了橋梁下部結(jié)構(gòu)模板管理系統(tǒng)，實現(xiàn)橋梁下部結(jié)構(gòu)的快速建模，提高了專業(yè)設(shè)計效率，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。補舒棋等［4］利用CATIA知識工程陣列和用戶自定義模板功能，實現(xiàn)了地下洞室群錨桿和防滲排水帷幕結(jié)構(gòu)模型的自動批量生成，提升設(shè)計人員建立錨桿和防滲排水模型效率。申振華等［5］通過CATIA知識工程模塊，采用參數(shù)化建模，快捷生成車輛設(shè)計中應(yīng)用廣泛的多狀態(tài)、各型號高精度板簧模型。

近年來，我國學(xué)者在提高建模效率和模型質(zhì)量的研究主要依托CATIA軟件的知識工程模塊，且多集中在船舶、航空、機械領(lǐng)域?；?DE在市政工程行業(yè)的應(yīng)用極少，現(xiàn)以市政工程中常見的圓形水池為例，通過知識工程模塊對圓形水池快速建模方法和專業(yè)工具按鈕創(chuàng)建展開了研究。

1 技術(shù)路線

1.1 傳統(tǒng)技術(shù)路線

圓形水池是市政工程中一種常見的水池形式，應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)技術(shù)路線見圖1，用戶需要建立空間點、二維平面、繪制草圖輪廓，設(shè)置結(jié)構(gòu)尺寸，拉伸實體形成模型，水池基樁布置過程，元素環(huán)環(huán)相扣，步驟繁復(fù)，難以滿足尺寸或布置修改，快速協(xié)同更新的應(yīng)用需求。其次，傳統(tǒng)三維建模過程中，調(diào)整模型位置的元素，修改結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)都未外顯，隱藏在草圖和建模過程中，因命名或建模思路不同，這些元素的位置也各異，查找非常麻煩，因此傳統(tǒng)三維建模方法復(fù)用率低，模型位置和尺寸調(diào)整困難。

圖1 傳統(tǒng)技術(shù)路線

1.2 本文技術(shù)路線

本文的技術(shù)路線是基于3DE，通過知識工程模塊，運用EKL語言編寫了可帶樁基礎(chǔ)的圓形水池Action，在KAC模塊對Action實施封裝，創(chuàng)建具有用戶交互界面的“圓形水池”工具按鈕，實現(xiàn)圓形水池模型快速生成，結(jié)構(gòu)參數(shù)修改便捷，“知識”的隱形管理顯性表達。

知識工程（KBE，KnowledgeBasedEngineering）最早由美國斯坦福大學(xué)的Feigenbaum教授提出，旨在利用經(jīng)驗、知識和人工智能，解決實際問題。核心是將學(xué)科知識、設(shè)計規(guī)范、標準、設(shè)計參數(shù)和經(jīng)驗融入軟件中，通過判斷和推理實現(xiàn)產(chǎn)品的智能設(shè)計。CATIA是最早引入知識工程設(shè)計的軟件之一［6］。

CATIA軟件提供了知識工程設(shè)計工作臺，包含：知識工程顧問（KnowledgeAdcisor）、知識工程專家（KnowledgeExpert）、產(chǎn)品知識模板（BusinessProcess KnowledgeTemplate）產(chǎn)品工程優(yōu)化設(shè)計（ProductEngineeringOptimization）、產(chǎn)品功能定義（Product FunctionDefinition）、產(chǎn)品功能優(yōu)化（ProductFunction Optimization）模塊。用戶通過以下工具，如：參數(shù)（Parameters）、關(guān)系（Relations）、公式（Formulas）、規(guī)則（Rules）、檢查（Checks）、反應(yīng)（Action）等來編輯、創(chuàng)建知識，通過模板文件來表達和應(yīng)用知識，常用的模板文件有用戶特征模板UDF（UserDefinedFeature）、超級拷貝（PowerCopy）等［7］。

3DE在CATIA知識工程的基礎(chǔ)上優(yōu)化、拓展了新的模塊，如：最佳實踐設(shè)計（KHC-QualityRules Designer）和應(yīng)用設(shè)計（KAC-DesignAppsDeveloper）。其中用戶可利用KAC模塊對模板、規(guī)則，以及設(shè)計步驟等進行封裝，該模塊提供了創(chuàng)建自定義工具按鈕和交互界面功能。

本次模型的創(chuàng)建，基于3DE采用骨架設(shè)計的思路，運用參數(shù)和EKL（企業(yè)知識工程語言）語言編寫“知識”，通過Action結(jié)合UDF（UserDefinedFeature）對“知識”進行表達和應(yīng)用，生成模型，最終在KAC模塊對生成模型的Action封裝，建立基于3DE的圓形水池工具按鈕。創(chuàng)建工具按鈕的技術(shù)路線見圖2。

圖2 技術(shù)路線

2 工具按鈕創(chuàng)建方法

2.1 骨架設(shè)計

骨架設(shè)計是一種自上而下的設(shè)計方法，通過骨架元素驅(qū)動實體或零件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)設(shè)計變更后，通過修改骨架元素即可實現(xiàn)模型快速更新。骨架設(shè)計具有驅(qū)動設(shè)計、協(xié)同設(shè)計、避免更新循環(huán)的特點。是設(shè)計人員進行設(shè)計參考和定位參考的重要基準，常用的骨架元素包括：點、線、面、軸等。

骨架設(shè)計理念是讓結(jié)構(gòu)只與骨架元素發(fā)生關(guān)聯(lián)，這樣能讓整個建模邏輯關(guān)系扁平，適用于模板模型建立，能提高模板的適應(yīng)性。

比較復(fù)雜的圓形水池結(jié)構(gòu)構(gòu)成常包括池底、池壁、走道板、集渣井、配水井、基樁等部分。結(jié)構(gòu)的定位均以池底中心點為基準，骨架元素即為水池定位點。見圖3。

圖3 骨架設(shè)計架構(gòu)

2.2 參數(shù)設(shè)置

確定了圓形水池模型骨架元素，通過設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)，控制池底、池壁、走道板、集渣井、配水井及基樁的輪廓。參數(shù)的設(shè)置方便后期對模型結(jié)構(gòu)尺寸快速修改。

（1）水池體型參數(shù)：R1-水池內(nèi)徑、R2-配水井內(nèi)徑、R3-集渣井內(nèi)徑、H1-池壁高度、H2-配水井高度、H3-集渣井高度、W1-走道板寬度、W2-底板外挑寬度、W3-配水井頂板寬度、t1-底板厚度、t1-a-集渣井底板厚度、t2-池壁厚度、t2-a-集渣井池壁厚度、t2-b-配水井壁厚、t3-走道板厚度、t3-a-配水井頂板厚度、底板坡度θ。具體水池體型參數(shù)見圖4。

圖4 水池體型參數(shù)

（2）基樁布置參數(shù)：Rz-樁半徑、L-樁長度、PR-樁定位半徑、θz-定位樁角度，n-每一圈樁個數(shù)。見圖5。

圖5 基樁布置參數(shù)

2.3 模型建立

模型創(chuàng)建采用知識工程模塊Anction方式，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合運用UDF和EKL語言。

EKL是達索官方編寫的一種解釋性企業(yè)知識工程語言，其特點是語法面向?qū)ο?，可調(diào)用對象、規(guī)則具有可拓展性。

UDF是3DE建模過程封裝為一個（組）特征的知識工程組件，將復(fù)雜的建模過程模塊化的主要實現(xiàn)途徑。使用UDF時，僅需若干幾何元素和參數(shù)輸入即可得到建模結(jié)果［1］。

（1）水池體型建模。水池體型的結(jié)構(gòu)參數(shù)具有確定性，且值唯一，參數(shù)之間無關(guān)聯(lián)關(guān)系，適合采用UDF方法建立。模板輸入為水池定位點，輸出包括水池體型和水池底部曲面，后者將作為基樁模型布置的基準面，是生成樁模型的輸入元素。

（2）基樁布置建模。樁布置在水池底部曲面，定位樁位置的參數(shù)具有不確定性，且參數(shù)之間存在邏輯關(guān)系。使用EKL編輯循環(huán)語句，輸入N個定位樁夾角θz和定位樁半徑PR；其次定義每一圈樁個數(shù)n。由以上參數(shù)共同生成水池底部所有樁的定位點，結(jié)合樁參數(shù)調(diào)用UDF模板生成樁模型。建模技術(shù)路線見圖6。

圖6 基樁建模技術(shù)路線

水池體型和樁模型生成存在先后順序，需先通過EKL語言調(diào)用水池模板，生成包括水池體型和水池底部曲面，后者是樁模型布置基準面，是生成樁定位點的輸入元素。因此需通過EKL語言來組織邏輯關(guān)系，實現(xiàn)整個模型的生成。整個模型生成的技術(shù)路線見圖7。

圖7 建模技術(shù)路線

2.4 工具按鈕創(chuàng)建

通過Action實現(xiàn)了模型的生成，但在使用時，Action命令會暴露EKL語句，不利于“知識”的保護。其次，結(jié)構(gòu)參數(shù)無圖例補充說明，參數(shù)指向不明確，用戶體驗感差，不利于建模方法的推廣和普及。Action運用界面見圖8。

圖8 Action運用界面

為解決以上問題，基于CATIA軟件，能通過二次開發(fā)，實現(xiàn)“知識”封裝，生成工具按鈕。CATIA主要提供了兩種二次開發(fā)接口：自動化對象編程（V5Automation）和開放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程接口（CAA）。

組件應(yīng)用架構(gòu)（ComponentApplicationArchitectureCAA）是產(chǎn)品擴展和定制開發(fā)平臺，能實現(xiàn)深層次的二次開發(fā)需求，需要用戶掌握VisualC＋＋語言，了解軟件連接端口等方面知識，應(yīng)用門檻較高［7］。

自動化對象編程（V5Automation），采用Visual Basic6.0（簡稱VB）對CATIA進行二次開發(fā)，VB語言具有簡單、易用、可視化的特點。Automation是通過VB調(diào)用CATIA提供的豐富類、庫、二次開發(fā)函數(shù)，實現(xiàn)交互方法的定制開發(fā)。Automation簡單易學(xué)，能滿足大部分的工程應(yīng)用需求［7］。

基于Automation在CATIA平臺能實現(xiàn)圓形水池Action的封裝，并生成工具按鈕，但無法設(shè)計和創(chuàng)建工具按鈕的交互界面，用戶若要對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行修改，只能修改VB相關(guān)語句，使用便捷性差。

為了解決工具按鈕交互界面創(chuàng)建問題，為用戶提供更友好，便捷的參數(shù)填寫、修改界面，3DE提供了KAC模塊，對知識工程中的關(guān)系（Relations）、公式（Formulas）、規(guī)則（Rules）、檢查（Checks）、反應(yīng)（Action）等“知識”語句進行封裝，創(chuàng)建工具按鈕，根據(jù)用戶需求，自定義工具按鈕的交互界面。具體流程見圖9。

圖9 Action封裝流程

（1）用戶交互界面設(shè)計：在KAC模塊使用“布局設(shè)計”對工具交互界面進行設(shè)計和預(yù)覽。

（2）按鈕驅(qū)動設(shè)置：KAC模塊使用“知識工程項目”將用戶交互界面按鈕與UDF模板和參數(shù)關(guān)聯(lián)。

（3）工具按鈕創(chuàng)建：完成界面設(shè)計和按鈕驅(qū)動設(shè)置后存儲至“應(yīng)用程序包”，通過“應(yīng)用程序和命令”創(chuàng)建工具按鈕，工具按鈕的圖例，放置的模塊位置都可自定義。

3 工程應(yīng)用實例

為測試工具按鈕的實際效果，選取污水處理廠中常用的初沉池和二沉池，分別作為復(fù)雜圓形水池與簡單圓形水池樣例進行測試。

3.1 復(fù)雜水池

某初沉池直徑50m，高10.8m，底板斜率1／12，水池中部設(shè)有配水井，水池底部有集渣井，水池采用樁基礎(chǔ)形式，共布置有樁基9圈，水池結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。水池剖面見圖10。

圖10 水池剖面示意（單位：mm）

采用本文建立的工具按鈕進行模型創(chuàng)建，在用戶使用界面下，分別輸入水池體型基樁等各項結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成模型見圖11。

圖11 復(fù)雜圓形水池模型

3.2 簡單圓形水池

某二沉池直徑50m，高6.265m，內(nèi)部無配水井，底部無集渣井，底板水平，水池下部為天然地基，水池結(jié)構(gòu)相對簡單。水池剖面見圖12。

圖12 水池剖面示意（單位：mm）

采用本文建立的工具按鈕進行模型創(chuàng)建，在用戶使用界面下，分別輸入各項結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成模型見圖13。

圖13 簡單圓形水池模型

以上測試成果表明，不論復(fù)雜圓形水池或是簡單圓形水池，本文研究創(chuàng)建的設(shè)計工具按鈕均能夠適應(yīng)。其具有友好的工具按鈕交互界面，可以高效、快速地形成高質(zhì)量模型，極大提高尺寸修改效率，對工程前期方案比選、輔助科學(xué)決策具有重要價值。

4 結(jié) 論

基于3DE的傳統(tǒng)建模方法，過程繁瑣、重要參數(shù)不外顯示、修改麻煩、模型復(fù)用率低。本文基于3DE，使用了知識工程和KAC兩個模塊，采用骨架設(shè)計思路，結(jié)合Action、UDF、EKL語言創(chuàng)建、應(yīng)用“知識”，在KAC模塊對“知識”進行封裝，新建具有用戶交互界面的專業(yè)設(shè)計工具按鈕?；诒疚哪Ｐ秃凸ぞ甙粹o創(chuàng)建、應(yīng)用研究，總結(jié)如下：

（1）利用知識工程模塊，采用EKL語言編寫“知識”，通過Action和UDF表達“知識”的模型創(chuàng)建方法。滿足了不同結(jié)構(gòu)形式，參數(shù)邏輯較為復(fù)雜的建模需求，極大地提高了模型創(chuàng)建效率，提升了模型質(zhì)量。

（2）KAC模塊對“知識”封裝，可將設(shè)計規(guī)范、企業(yè)標準和用戶經(jīng)驗融入設(shè)計的過程中，對“知識”進行隱形管理，顯性表達，實現(xiàn)知識的保護、重用和共享。

（3）KAC模塊創(chuàng)建工具按鈕交互界面的功能，大大降低了二次開發(fā)成本，為不具備二次開發(fā)能力的工程設(shè)計人員提供了新建自定義工具按鈕的途徑，讓用戶使用更加便捷，有利于專業(yè)三維設(shè)計工具的推廣和普及。

本文建模和工具按鈕的創(chuàng)建方法可擴展至其他市政結(jié)構(gòu)設(shè)計場景中，企業(yè)可打造基于3DE具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)設(shè)計工具集，提升專業(yè)三維設(shè)計的智能化水平，對3DE在市政行業(yè)的推廣和普及具有借鑒意義。