基于CATIA V5工程圖的二次開發(fā)在水電工程圖中的應(yīng)用

皮 漫,張 權(quán)

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司, 西安 710065)

0 前 言

CATIA是法國達索公司開發(fā)的產(chǎn)品，作為PLM協(xié)同解決方案的一個重要組成部分，它可以幫助制造廠商設(shè)計他們未來的產(chǎn)品，并支持從項目前期階段、具體的設(shè)計、分析、模擬、組裝到維護在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計流程[1]。CATIA是達索公司針對工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計而開發(fā)的軟件，當(dāng)前，絕大部分工業(yè)產(chǎn)品的制造加工根據(jù)三維設(shè)計產(chǎn)品直接進行，無需出二維圖紙。所以CATIA工程圖模塊相比于其他模塊功能較弱[2]，水利水電工程采用二維圖紙施工建造仍然會在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)是主要的產(chǎn)品交付方式。因此，針對水利水電設(shè)計的工程圖開發(fā)也是實現(xiàn)BIM技術(shù)在水利水電工程方面全面應(yīng)用的必經(jīng)之路。

CATIA V5是一款通用的三維設(shè)計軟件，工程圖設(shè)計模塊中缺乏水電工程相關(guān)圖紙修飾的功能，而工程師習(xí)慣用Auto CAD進行繪圖，在CATIA工程圖中進行繪制和Auto CAD操作完全不同，操作較慢。也因為如此，工程設(shè)計人員使用意向較低，所以需要開發(fā)出針對水電工程常用的工程圖設(shè)計工具，如支護標(biāo)注、高程標(biāo)尺、比例尺、其他圖例等功能，減少設(shè)計人員手動標(biāo)注的工作量[3]。基于以上需求提出了CATIA工程圖開發(fā)任務(wù)，以提高設(shè)計出圖效率。

1 工程圖開發(fā)需求

CATIA V5工程圖模塊二次開發(fā)的難點：① 針對水工建筑物模型，提出一個系統(tǒng)性的解決方案，操作功能解決的問題要有普遍性，能解決常用的，需要反復(fù)操作頻率較高的功能性問題；② 軟件開發(fā)技術(shù)難度，CATIA的開發(fā)完全基于組件對象模型[4]。組件對象模型在1993年提出后，因為其支持二進制兼容，支持松散藕合式開發(fā)，一段時間一直認(rèn)為是未來軟件開發(fā)的趨勢，但組件對象模型難以學(xué)習(xí)，隨著時間的推移軟件行業(yè)逐漸放棄了組件對象模型。CATIA是完全基于組件對象模型的，所以掌握組件對象模型就是首先要解決的問題[5]。

功能需求方面，通過總結(jié)各種水工設(shè)計圖(布置圖，開挖圖，體型圖)所需要的標(biāo)注方法，在功能開發(fā)前，利用CATIA工程圖已有的功能進行二維出圖試驗，找出哪些工作需要反復(fù)操作，哪些工作需要計算或者通過模型來查詢，哪些視圖投影、剖切和剖視是無法直接完成或者無法順利完成。能使用CATIA自身的功能完成的，盡量采用CATIA自身的功能，能采用模板完成的，采用模板實現(xiàn)。機電專業(yè)材料統(tǒng)計可通過在機電環(huán)境字典文件中增加屬性值信息，建立相應(yīng)帶屬性信息參數(shù)表的三維模型，并且制定相應(yīng)的材料統(tǒng)計表生成式樣，配合二次開發(fā)的機電專業(yè)材料表統(tǒng)計工具，可以快速生成滿足專業(yè)需求的材料表統(tǒng)計，生成工作工程量及工程信息清單[6]。通過實踐應(yīng)用，總結(jié)出以下需要開發(fā)的功能。

(1) 需要計算的功能：① 平面高程，立面高程;② 平行樁號，軸線樁號;③ 平面坡比，剖面坡比。及上述功能的自動更新功能。

(2) 需要查詢的功能：① 控制點坐標(biāo)；② 構(gòu)件名稱。

(3) 集成化功能：① 邊坡支護；② 襯砌支護。

(4) 缺陷修復(fù)功能：① 等高線文字標(biāo)注功能；② 矢量填充功能。

(5) 擴展功能：① 區(qū)域覆蓋功能；② 圓角素線生成；③ 水工專業(yè)常用圖例；④ 材料統(tǒng)計表。

2 開發(fā)原理

CATIA工程圖模塊中的輪廓與三維模型關(guān)聯(lián)，各個部位均鏈接三維模型中的元素，在工程圖的標(biāo)注中，會自動識別到三維模型中的元素。通過這個特點，在標(biāo)注時可直接讀取三維模型中相應(yīng)元素的空間幾何信息，實現(xiàn)自動計算[7]。

在工程圖中，為滿足基本的應(yīng)用需要，一般要實現(xiàn)CATI2DGeoVisu、CATIEdit、IXBYUpdateObject接口等。CATI2DGeoVisu接口的用途是實現(xiàn)自定義特征對象的繪制功能；CATIEdit接口的用途是實現(xiàn)自定義特征對象的雙擊功能；IXBYUpdateObject接口的功能是實現(xiàn)對象的更新功能。實現(xiàn)了這些接口，工程圖的自定義特征就能運行在CATIA工程圖模塊中，如圖1所示。

圖1 工程圖修飾特征圖

例如：高程標(biāo)注，標(biāo)注二維圖中的輪廓高程。可直接讀取三維模型中元素的Z值，自動標(biāo)注成文字，并與三維模型相互關(guān)聯(lián)，模型修改時，高程標(biāo)注亦可自動更新。

樁號標(biāo)注，采用相對位置計算。設(shè)置基準(zhǔn)樁號，其余樁號可根據(jù)與基準(zhǔn)樁號的水平位置及軸線距離實現(xiàn)自動計算標(biāo)注。

平面坡比標(biāo)注時，選擇輪廓可自動計算該輪廓所在非水平曲面與水平面的夾角，實現(xiàn)自動計算，且能關(guān)聯(lián)三維模型，實現(xiàn)自動更新。

控制點坐標(biāo)生成表功能，根據(jù)三維模型中點的坐標(biāo)以及點的名稱，批量自動完成圖面標(biāo)注及坐標(biāo)表生成。可大量節(jié)約人為標(biāo)注及繪表時間，由于該功能可實現(xiàn)一鍵生成，未對其進行更新功能的開發(fā)。

支護標(biāo)注，在二維圖標(biāo)注中需要花費大量時間進行手繪。在三維模型中增加支護模型會增加模型重量，影響模型處理及瀏覽的效率。通過對支護標(biāo)注的分門歸類，利用對話框模式的標(biāo)注方法，將錨桿、排水孔、噴混凝土等圖例寫入到開發(fā)程序中，根據(jù)用戶需要進行選擇性批量標(biāo)注，減少了人為繪圖時間[8]。

CATIA工程圖中的自定義填充采用圖片填充，填充樣式模糊，且無法打印，無法自定義矢量填充。通過對CATIA V5工程圖設(shè)計模塊二次開發(fā)，將各種材料的填充矢量圖形文件提前預(yù)設(shè)在開發(fā)程序中[9]。當(dāng)賦予模型材料樣式時，實體模型的剖視材料即鏈接到程序中相應(yīng)的矢量圖形文件，實現(xiàn)自動矢量化填充，滿足打印以及圖面質(zhì)量需要。

CATIA尺寸標(biāo)注雖然功能強大，但是標(biāo)注樣式不滿足水電工程圖的標(biāo)注。主要缺陷在于尺寸線無法統(tǒng)一長度，造成尺寸線長短不一，影響圖紙美觀。通過開發(fā)可以實現(xiàn)尺寸線自動對齊且長度相等，滿足圖面美觀需要。

CATIA模型精細化程度較高，部分機電模型文件體型龐大復(fù)雜精細，在水工專業(yè)出圖時，投影時間較長，對電腦配置要求高，大大影響出圖效率。針對這樣的問題，提出采用添加圖例來替換機電模型投影的方式提高出圖效率。提前自定義二維矢量圖例，出圖時調(diào)用相應(yīng)圖例并修改比例。

3 布置設(shè)計

布置設(shè)計是利用CATIA的功能而提出的水工設(shè)計出圖整體解決方案。在實際三維設(shè)計過程中，需要調(diào)用大量模板進行組合設(shè)計，工程師的設(shè)計過程主要為組裝設(shè)計模板及修改模板參數(shù)[10]。模板的自動布爾運算，不需要工程師手動完成，程序根據(jù)構(gòu)件的布爾特性會自動識別并進行相應(yīng)操作。在現(xiàn)有操作過程中，大量的模板堆積會造成工程師選用困難，設(shè)計過程中可能會選錯模板造成設(shè)計錯誤。針對產(chǎn)品節(jié)點特性自動對模板進行分類，只顯示相關(guān)的單位工程或分部分項工程中的模板，可大大提高設(shè)計效率。

圖面標(biāo)注是三維模型向工程圖轉(zhuǎn)化的必須工作，亦占據(jù)大量時間進行處理。其中尺寸標(biāo)注無法自動完成，影響工程圖模板的使用效率。模型在運算前，它的拓?fù)潢P(guān)系比較明確，工程圖中的對象易于關(guān)聯(lián)到模型中的對象，視圖更新時，尺寸標(biāo)注可隨模型更新而更新。布爾運算后，模型的拓?fù)潢P(guān)系會重新排序，模型修改時，拓?fù)潢P(guān)系會重新進行排序。建筑物定義的流程如圖2所示。未修改的模型部位會因為拓?fù)潢P(guān)系的混亂而斷開鏈接。需要手動修改標(biāo)注，造成大量重復(fù)性工作。

圖2 建筑物定義的流程圖

采用布置設(shè)計，將尺寸標(biāo)注在模板中，出圖時投影模板中的標(biāo)注和布爾運算后的模型。模板的修改替換只影響修改部分的標(biāo)注，對其他部位沒有影響。避免拓?fù)潢P(guān)系的混亂造成標(biāo)注的鏈接斷裂[11]。

4 工程實踐

為驗證功能的穩(wěn)定以及是否能滿足水電工程圖的要求，進行了大量的工程出圖實踐，以國外某在建項目的土建施工圖為對象進行了驗證。所有圖紙均能滿足施工要求，也能滿足國外咨詢工程師的審批要求。豐富的軸測圖也能使咨詢工程師以及施工人員快速理解設(shè)計圖紙[12]。

開挖圖是水電工程施工階段首先需要提供的圖紙，三維參數(shù)化設(shè)計能滿足快速變更需要。但缺乏水工專用標(biāo)注工具，成圖過程中，需要人為計算標(biāo)注，花費時間，也容易出現(xiàn)標(biāo)注錯誤。軟件工具中全部為自動計算標(biāo)注，標(biāo)注準(zhǔn)確且快速，包含了開挖圖中所有的標(biāo)注，能大幅提高出圖效率。

圖中高程、樁號、坡比等標(biāo)注實現(xiàn)了自動計算標(biāo)注，點坐標(biāo)標(biāo)注及坐標(biāo)生成實現(xiàn)了一鍵批量標(biāo)注。

體型圖、分層分塊圖所包含的信息較多，利用三維模型出圖及標(biāo)注工具可保證視圖及標(biāo)注表達準(zhǔn)確。產(chǎn)品的校審重心由圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ停瑢崿F(xiàn)三維校審，滿足數(shù)字化交付。

經(jīng)過各種視圖測試，可以完整將各種模型轉(zhuǎn)化為工程圖紙，可保證模型與圖紙表達保持一致。使BIM模型深化應(yīng)用中CATIA工程圖轉(zhuǎn)化的瓶頸問題得以解決，也為“三維設(shè)計，二維出圖”實現(xiàn)設(shè)計與出圖分離提供了有利手段。

5 實現(xiàn)價值

CATIA提供了強大的視圖功能，完全可以滿足水電工程出圖中的視圖類型需要[13-15]。通過上述功能的開發(fā)應(yīng)用，二維標(biāo)注中的計算部分可由計算機自動完成，避免了人為失誤造成的質(zhì)量錯誤。同時，CATIA的出圖標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了標(biāo)注樣式統(tǒng)一化，實現(xiàn)了工程圖標(biāo)準(zhǔn)化，避免了人為設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，以及設(shè)計校核審查人員對圖面質(zhì)量的爭論。

在傳統(tǒng)設(shè)計方式下，出圖完成才表示設(shè)計完成，而在三維設(shè)計方式下，三維模型設(shè)計完成即表示設(shè)計結(jié)束。利用開發(fā)完成的程序，實現(xiàn)自動計算標(biāo)注，可減少人為思考過程。將計算等繁雜過程交給計算機完成，大大解放設(shè)計人員的雙手。工程師可從繁瑣的繪圖過程中解放出來，專注于工程設(shè)計優(yōu)化，提高設(shè)計服務(wù)質(zhì)量。