基于CATIA 高級知識工程在BIM 橋梁鋼筋建模中的應用

劉飛虎

(成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司，成都 610041)

1 概述

達索CATIA V5 系統(tǒng)是航空、汽車、機械及建筑等領(lǐng)域應用比較廣泛的CAD/CAM/CAE 軟件系統(tǒng)，其高級知識工程功能在國家體育場之鳥巢、水電工程之錦屏一級水電站、航天工程之波音飛機等都得到了很好的應用。橋梁是跨越天然或人工障礙物而修建的建筑物，目前其二維圖紙是橋梁專業(yè)的習慣交付成果，二維出圖方式與建筑業(yè)相比更為復雜，加之橋梁設(shè)計與線路、地形和地質(zhì)結(jié)合緊密，很多地方二維圖紙表達方式更為明晰［1］。但是隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在橋梁施工方面，傳統(tǒng)的二維圖紙表達已經(jīng)很難滿足工程單位對橋梁建造質(zhì)量、施工安全以及后期運維管理的需要;工程單位將充分利用電子計算機進行經(jīng)濟有效的管理，在施工技術(shù)中，將不斷引用新技術(shù)和高效率、高功能的機具設(shè)備，借以提高質(zhì)量、縮短工期、降低造價［2］。

要利用三維的方式將其表達清晰，表達更為形象，并為建模信息模型(Building Information Modeling，BIM)提供更多的可取信息，更加要取決于三維建模的方式。當然同多數(shù)計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)產(chǎn)品一樣，通過編程訪問CATIA(Computer-Aided Three-dimensional Interactive Application)對象利用進程外的腳本，在CATIA 運行的情況下，外部程序可以通過操縱CATIA，創(chuàng)建、修改CATIA 環(huán)境和幾何形體的數(shù)據(jù)來達到同一類型數(shù)據(jù)快速創(chuàng)建［3］;但這一方法對于不精通編程語言的設(shè)計人員來講是比較困難的，CATIA 內(nèi)嵌的PKT語言便可提供更加方便、快捷的創(chuàng)建方法。

2 CATIA 高級知識工程技術(shù)

CATIA 產(chǎn)品知識模板(Product Knowledge Template，PKT)允許用戶方便的和交互式的捕捉工程技術(shù)方法，以進行高效的重用。PKT 幫助企業(yè)共享最佳經(jīng)驗，避免因為現(xiàn)有設(shè)計太復雜或難以理解，而無法重現(xiàn)的設(shè)計所帶來的重復性勞動。不需要技能方面的編程資源，就可以實現(xiàn)上述功能，這樣就確保了企業(yè)中所有工程師都能參與到知識工程和捕捉中來。

對工作在擴展供應鏈中的企業(yè)而言，這將使他們能在不開放設(shè)計方法和規(guī)則內(nèi)部的智力資產(chǎn)的前提下，將設(shè)計數(shù)據(jù)傳遞給合作伙伴，而合作伙伴還能利用到這些內(nèi)在的知識。PKT 允許交互式創(chuàng)建特征、零件和裝配模板，這些模板中包含幾何描述、關(guān)聯(lián)的參數(shù)和關(guān)系，以備相關(guān)重用［4］。

3 鋼筋建模流程

為更加明確鋼筋創(chuàng)建過程，本文提出以下鋼筋創(chuàng)建流程(見圖1)。根據(jù)鋼筋創(chuàng)建流程，在創(chuàng)建或引用橋墩三維模型的骨架后，即可根據(jù)骨架創(chuàng)建各類鋼筋。創(chuàng)建某一型號鋼筋，需要針對這一型號鋼筋大樣進行鋼筋輪廓設(shè)計，設(shè)計出該鋼筋的用戶特征;在設(shè)計用戶過程中，需要條理清晰，設(shè)計意圖明確，用最穩(wěn)定、最簡單的輸入條件創(chuàng)建出用戶特征;在定義用戶特征時需要定義好該鋼筋的型號標識，輸出該鋼筋的形狀輪廓及主要構(gòu)件參數(shù)，便于后續(xù)PKT 語言調(diào)用該鋼筋用戶特征來生成鋼筋，更改鋼筋形狀輪廓或構(gòu)建參數(shù)。

圖1 鋼筋建模流程圖

4 項目實例

以某號橋墩墩身頂部鋼筋創(chuàng)建為例，鋼筋的種類達30 余類，鋼筋總數(shù)在數(shù)萬級以上，利用普通的三維建模方式非常耗時耗力，而且普通計算機難以承受這種建模結(jié)果;利用CATIA 高級知識工程可順利解決這一建模問題，并且針對這些數(shù)量巨大的鋼筋只需一個模板，根據(jù)需要改變其形狀輪廓和鋼筋構(gòu)建參數(shù)即可快速創(chuàng)建結(jié)構(gòu)復雜橋墩內(nèi)不同型號的鋼筋。

4.1 鋼筋骨架

CATIA 骨架設(shè)計是指對設(shè)計產(chǎn)品進行充分理解和分解后，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計流程運用主要線框控制元素對整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行有效的總體控制，形成類似樹干狀的控制結(jié)構(gòu)，并建立有效的參數(shù)信息傳遞框架及設(shè)計方法。將已建立的骨架模型中的草圖、設(shè)計基準、幾何特征、相關(guān)參考等參考發(fā)布并復制到各零部件的設(shè)計中，這樣就可以將骨架模型中的信息共享到零部件中，從而實現(xiàn)各零部件設(shè)計所需的設(shè)計基準等參考信息均來自同一個骨架模型［5］。要創(chuàng)建墩身頂部鋼筋，可以根據(jù)該橋墩截面圖(見圖3、圖4)以及三維橋墩實體來確定鋼筋的骨架(見圖5)。在此過程中，注意鋼筋創(chuàng)建后與墩身最外層凈保護層的厚度需滿足設(shè)計要求。

圖3 某橋墩半正身截面圖

圖4 截面圖

圖5 橋墩鋼筋墩頂骨架圖

圖6 鋼筋大樣示意圖

圖7 某型號鋼筋用戶特征示意圖

圖8 某型號鋼筋三維模型圖

3.2 鋼筋用戶特征

CATIA 產(chǎn)品知識模板將設(shè)計知識集成到創(chuàng)建的特征、零件、裝配模板中，通過使用正確的輸入和幾何參照對參數(shù)進行修改，能很好地適應各種需求，快速完成重復設(shè)計工作［6］。

在鋼筋骨架確定后，即可創(chuàng)建各型號鋼筋。根據(jù)橋墩鋼筋布置圖中該部位的鋼筋大樣(見圖6)，結(jié)合鋼筋骨架創(chuàng)建鋼筋的用戶特征(見圖7);在創(chuàng)建用戶特征過程中，需明確設(shè)計目標以及簡化用戶特征的輸入條件，根據(jù)定義鋼筋骨架的基礎(chǔ)上合理創(chuàng)建本鋼筋大樣的用戶特征。

3.3 CATIA 知識工程語句及鋼筋構(gòu)建成果

結(jié)合鋼筋骨架以及鋼筋用戶特征，參照橋墩鋼筋布置圖編寫該類鋼筋的PKT 執(zhí)行語句如下文所示。在編寫調(diào)用鋼筋用戶特征語句過程中，要明確該類鋼筋的型號標識和生成后在CATIA 模型樹上放置的位置;完成各類鋼筋的用戶特征后，分別執(zhí)行對應的PKT 語句，生成該橋墩頂部鋼筋的三維模型(見圖8)。

PKT 執(zhí)行語句:

let i(Integer)——(定義變量)

let L1(list)——(定義變量)

let L2(list)——(定義變量)

let UDF(DBGJ21)——(定義變量)

i=1

L1=`DBGJ21 參考 DPoint` -＞Query("Point"，"")

L2=`DBGJ21 參考 TPoint` -＞Query("Point"，"")

for i while i ＜=L1 -＞Size()——(定義循環(huán))

{

UDF=CreateOrModifyTemplate("DBGJ21"，`DBGJ21 -3`，`關(guān)系DBGJ21 -3列表.6`，i)

UDF.SPoint=L1 -＞GetItem(i)——(定義用戶特征輸入條件)

UDF.EPoint=L2 -＞GetItem(i)——(定義用戶特征輸入條件)

UDF.Name="DBGJ21"——(定義用戶特征創(chuàng)建結(jié)果名稱)

UDF.Color="Blue"——(定義用戶特征創(chuàng)建結(jié)果顏色)

EndModifyTemplate(UDF)——(結(jié)束調(diào)用用戶特征)

}

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實例中橋墩鋼筋模型的創(chuàng)建積極探索了CATIA 高級知識工程在BIM 橋梁中的應用，結(jié)果表明CATIA 高級知識工程有效地解決形狀類似、數(shù)量較多的三維模型的創(chuàng)建，形成了一套對不定數(shù)量的對象設(shè)計進行特征自動構(gòu)建的設(shè)計方法，可以良好地為BIM 技術(shù)研究及應用提供重要的基礎(chǔ)信息。當然是用這個設(shè)計方法可以快速構(gòu)建特征，如何來利用創(chuàng)建出來的特征以及統(tǒng)計這些特征的某些屬性(如:數(shù)量、重量、長度、類型等信息)在BIM 技術(shù)中實現(xiàn)價值還得深入研究。

［1］楊詠漪，劉發(fā)明，孫大力.地鐵高架橋梁BIM 應用研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014(2):79-82.

［2］高興元.橋梁工程［M］.天津:天津大學出版社，2010.

［3］周桂生，陸文龍.CATIA 二次開發(fā)技術(shù)研究與應用［J］.機械設(shè)計與制造，2003，22(1):16-18.

［4］Dassault Systems.CATIA Documentation［EB/OL］.http://catiadoc.free.fr/online/CATIA_P3_default.htm，2004-12-18/2015-03-20.

［5］王進豐，李小帥，傅尤主.CATIA 軟件在水電工程三維協(xié)同設(shè)計中的應用［J］.人民長江，2009，40(4):68-70.

［6］沈國焱.達索系統(tǒng)水利水電工程設(shè)計行業(yè)整體解決方案［R］.成都:成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司，2009.