基于3DEXPERIENCE圓形水池設(shè)計(jì)工具按鈕創(chuàng)建方法研究

王 蕊，冉麗利，馬玉巖

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

CATIA是法國(guó)達(dá)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(chē)、船舶、機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)、形狀設(shè)計(jì)和設(shè)備與系統(tǒng)等諸多模塊，為用戶提供了近百個(gè)設(shè)計(jì)工具按鈕。2014年達(dá)索系統(tǒng)推出了3DEXPERIENCE（以下簡(jiǎn)稱“3DE”）實(shí)現(xiàn)了3D設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理和流程管理，集成了達(dá)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(dá)索對(duì)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(shí)工程模塊，具有顯式知識(shí)、規(guī)則的特點(diǎn)，可捕捉設(shè)計(jì)意圖，將隱式經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)變成顯式的專業(yè)知識(shí)，極大提高設(shè)計(jì)智能化水平。

目前基于CATIA知識(shí)工程模塊，在不同的行業(yè)領(lǐng)域，眾多學(xué)者開(kāi)展了大量研究。王艷真等［1］基于CATIAV6版本，通過(guò)分析船舶閥件設(shè)計(jì)特點(diǎn)，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)和知識(shí)工程模塊工具，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)模型的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，提高了設(shè)計(jì)效率。張航等［2］利用CATIA知識(shí)工程技術(shù)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)參數(shù)表、用戶特征、知識(shí)工程陣列等方式，實(shí)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(gè)型號(hào)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(guò)3DE采用裝配式思路，借助知識(shí)工程模塊結(jié)合二次開(kāi)發(fā)，建立了橋梁下部結(jié)構(gòu)模板管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁下部結(jié)構(gòu)的快速建模，提高了專業(yè)設(shè)計(jì)效率，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。補(bǔ)舒棋等［4］利用CATIA知識(shí)工程陣列和用戶自定義模板功能，實(shí)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(dòng)批量生成，提升設(shè)計(jì)人員建立錨桿和防滲排水模型效率。申振華等［5］通過(guò)CATIA知識(shí)工程模塊，采用參數(shù)化建模，快捷生成車(chē)輛設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛的多狀態(tài)、各型號(hào)高精度板簧模型。

近年來(lái)，我國(guó)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(shí)工程模塊，且多集中在船舶、航空、機(jī)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(jiàn)的圓形水池為例，通過(guò)知識(shí)工程模塊對(duì)圓形水池快速建模方法和專業(yè)工具按鈕創(chuàng)建展開(kāi)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(jiàn)的水池形式，應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)技術(shù)路線見(jiàn)圖1，用戶需要建立空間點(diǎn)、二維平面、繪制草圖輪廓，設(shè)置結(jié)構(gòu)尺寸，拉伸實(shí)體形成模型，水池基樁布置過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)知識(shí)工程模塊，運(yùn)用EKL語(yǔ)言編寫(xiě)了可帶樁基礎(chǔ)的圓形水池Action，在KAC模塊對(duì)Action實(shí)施封裝，創(chuàng)建具有用戶交互界面的“圓形水池”工具按鈕，實(shí)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(shí)”的隱形管理顯性表達(dá)。

知識(shí)工程（KBE，KnowledgeBasedEngineering）最早由美國(guó)斯坦福大學(xué)的Feigenbaum教授提出，旨在利用經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和人工智能，解決實(shí)際問(wèn)題。核心是將學(xué)科知識(shí)、設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)融入軟件中，通過(guò)判斷和推理實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)。CATIA是最早引入知識(shí)工程設(shè)計(jì)的軟件之一［6］。

CATIA軟件提供了知識(shí)工程設(shè)計(jì)工作臺(tái)，包含：知識(shí)工程顧問(wèn)（KnowledgeAdcisor）、知識(shí)工程專家（KnowledgeExpert）、產(chǎn)品知識(shí)模板（BusinessProcess KnowledgeTemplate）產(chǎn)品工程優(yōu)化設(shè)計(jì)（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(guò)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(lái)編輯、創(chuàng)建知識(shí)，通過(guò)模板文件來(lái)表達(dá)和應(yīng)用知識(shí)，常用的模板文件有用戶特征模板UDF（UserDefinedFeature）、超級(jí)拷貝（PowerCopy）等［7］。

3DE在CATIA知識(shí)工程的基礎(chǔ)上優(yōu)化、拓展了新的模塊，如：最佳實(shí)踐設(shè)計(jì)（KHC-QualityRules Designer）和應(yīng)用設(shè)計(jì)（KAC-DesignAppsDeveloper）。其中用戶可利用KAC模塊對(duì)模板、規(guī)則，以及設(shè)計(jì)步驟等進(jìn)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(jì)的思路，運(yùn)用參數(shù)和EKL（企業(yè)知識(shí)工程語(yǔ)言）語(yǔ)言編寫(xiě)“知識(shí)”，通過(guò)Action結(jié)合UDF（UserDefinedFeature）對(duì)“知識(shí)”進(jìn)行表達(dá)和應(yīng)用，生成模型，最終在KAC模塊對(duì)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(jiàn)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(jì)

骨架設(shè)計(jì)是一種自上而下的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)骨架元素驅(qū)動(dòng)實(shí)體或零件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)設(shè)計(jì)變更后，通過(guò)修改骨架元素即可實(shí)現(xiàn)模型快速更新。骨架設(shè)計(jì)具有驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、避免更新循環(huán)的特點(diǎn)。是設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)參考和定位參考的重要基準(zhǔn)，常用的骨架元素包括：點(diǎn)、線、面、軸等。

骨架設(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)為基準(zhǔn)，骨架元素即為水池定位點(diǎn)。見(jiàn)圖3。

圖3 骨架設(shè)計(jì)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(guò)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(duì)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(jiàn)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(zhǎng)度、PR-樁定位半徑、θz-定位樁角度，n-每一圈樁個(gè)數(shù)。見(jiàn)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(shí)工程模塊Anction方式，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合運(yùn)用UDF和EKL語(yǔ)言。

EKL是達(dá)索官方編寫(xiě)的一種解釋性企業(yè)知識(shí)工程語(yǔ)言，其特點(diǎn)是語(yǔ)法面向?qū)ο?，可調(diào)用對(duì)象、規(guī)則具有可拓展性。

UDF是3DE建模過(guò)程封裝為一個(gè)（組）特征的知識(shí)工程組件，將復(fù)雜的建模過(guò)程模塊化的主要實(shí)現(xiàn)途徑。使用UDF時(shí)，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(wú)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(diǎn)，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(zhǔn)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(yǔ)句，輸入N個(gè)定位樁夾角θz和定位樁半徑PR；其次定義每一圈樁個(gè)數(shù)n。由以上參數(shù)共同生成水池底部所有樁的定位點(diǎn)，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(jiàn)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(guò)EKL語(yǔ)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(zhǔn)面，是生成樁定位點(diǎn)的輸入元素。因此需通過(guò)EKL語(yǔ)言來(lái)組織邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)整個(gè)模型的生成。整個(gè)模型生成的技術(shù)路線見(jiàn)圖7。

圖7 建模技術(shù)路線

2.4 工具按鈕創(chuàng)建

通過(guò)Action實(shí)現(xiàn)了模型的生成，但在使用時(shí)，Action命令會(huì)暴露EKL語(yǔ)句，不利于“知識(shí)”的保護(hù)。其次，結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)圖例補(bǔ)充說(shuō)明，參數(shù)指向不明確，用戶體驗(yàn)感差，不利于建模方法的推廣和普及。Action運(yùn)用界面見(jiàn)圖8。

圖8 Action運(yùn)用界面

為解決以上問(wèn)題，基于CATIA軟件，能通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)“知識(shí)”封裝，生成工具按鈕。CATIA主要提供了兩種二次開(kāi)發(fā)接口：自動(dòng)化對(duì)象編程（V5Automation）和開(kāi)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(kuò)展和定制開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)深層次的二次開(kāi)發(fā)需求，需要用戶掌握VisualC＋＋語(yǔ)言，了解軟件連接端口等方面知識(shí)，應(yīng)用門(mén)檻較高［7］。

自動(dòng)化對(duì)象編程（V5Automation），采用Visual Basic6.0（簡(jiǎn)稱VB）對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，VB語(yǔ)言具有簡(jiǎn)單、易用、可視化的特點(diǎn)。Automation是通過(guò)VB調(diào)用CATIA提供的豐富類、庫(kù)、二次開(kāi)發(fā)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)交互方法的定制開(kāi)發(fā)。Automation簡(jiǎn)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(tái)能實(shí)現(xiàn)圓形水池Action的封裝，并生成工具按鈕，但無(wú)法設(shè)計(jì)和創(chuàng)建工具按鈕的交互界面，用戶若要對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改，只能修改VB相關(guān)語(yǔ)句，使用便捷性差。

為了解決工具按鈕交互界面創(chuàng)建問(wèn)題，為用戶提供更友好，便捷的參數(shù)填寫(xiě)、修改界面，3DE提供了KAC模塊，對(duì)知識(shí)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(shí)”語(yǔ)句進(jìn)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(jiàn)圖9。

圖9 Action封裝流程

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

（2）按鈕驅(qū)動(dòng)設(shè)置：KAC模塊使用“知識(shí)工程項(xiàng)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(jì)和按鈕驅(qū)動(dòng)設(shè)置后存儲(chǔ)至“應(yīng)用程序包”，通過(guò)“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(shí)例

為測(cè)試工具按鈕的實(shí)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(jiǎn)單圓形水池樣例進(jìn)行測(cè)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(jiàn)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(jìn)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(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成模型見(jiàn)圖11。

圖11 復(fù)雜圓形水池模型

3.2 簡(jiǎn)單圓形水池

某二沉池直徑50m，高6.265m，內(nèi)部無(wú)配水井，底部無(wú)集渣井，底板水平，水池下部為天然地基，水池結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。水池剖面見(jiàn)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(jìn)行模型創(chuàng)建，在用戶使用界面下，分別輸入各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成模型見(jiàn)圖13。

圖13 簡(jiǎn)單圓形水池模型

以上測(cè)試成果表明，不論復(fù)雜圓形水池或是簡(jiǎn)單圓形水池，本文研究創(chuàng)建的設(shè)計(jì)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(duì)工程前期方案比選、輔助科學(xué)決策具有重要價(jià)值。

4 結(jié) 論

基于3DE的傳統(tǒng)建模方法，過(guò)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(shí)工程和KAC兩個(gè)模塊，采用骨架設(shè)計(jì)思路，結(jié)合Action、UDF、EKL語(yǔ)言創(chuàng)建、應(yīng)用“知識(shí)”，在KAC模塊對(duì)“知識(shí)”進(jìn)行封裝，新建具有用戶交互界面的專業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)工程模塊，采用EKL語(yǔ)言編寫(xiě)“知識(shí)”，通過(guò)Action和UDF表達(dá)“知識(shí)”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(duì)“知識(shí)”封裝，可將設(shè)計(jì)規(guī)范、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和用戶經(jīng)驗(yàn)融入設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)“知識(shí)”進(jìn)行隱形管理，顯性表達(dá)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的保護(hù)、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(kāi)發(fā)成本，為不具備二次開(kāi)發(fā)能力的工程設(shè)計(jì)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(jì)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(kuò)展至其他市政結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)場(chǎng)景中，企業(yè)可打造基于3DE具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專業(yè)設(shè)計(jì)工具集，提升專業(yè)三維設(shè)計(jì)的智能化水平，對(duì)3DE在市政行業(yè)的推廣和普及具有借鑒意義。