Tekla Structure欄桿建模插件參數(shù)化設(shè)計(jì)

鄧 凱

（中海福陸重工有限公司，廣東珠海519055）

0 引 言

當(dāng)前浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）上部模塊模塊化設(shè)計(jì)和建造技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，模塊上碳鋼或玻璃鋼材質(zhì)的欄桿通常設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)［1］，建造方常用Tekla Structure軟件（以下簡(jiǎn)稱Tekla）進(jìn)行三維建模［2］，通常采用內(nèi)置欄桿節(jié)點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)方欄桿典型圖紙和欄桿布置圖紙進(jìn)行細(xì)化建模。當(dāng)內(nèi)置節(jié)點(diǎn)不滿足需求時(shí)進(jìn)行二次開發(fā)，但基于內(nèi)置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二次開發(fā)［3］無法擺脫內(nèi)置節(jié)點(diǎn)的框架約束限制，開發(fā)之后節(jié)點(diǎn)功能存在局限性，很少能滿足生產(chǎn)項(xiàng)目的特定欄桿構(gòu)造要求，造成建模存在速度慢、正確率低的問題。本文根據(jù)該軟件的應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）［4］，通過參數(shù)化編程開發(fā)，對(duì)欄桿參數(shù)進(jìn)行分類和建模步驟封裝，簡(jiǎn)化建模人員的操作，達(dá)到快速高效建模的目的。

1 技術(shù)背景說明

1.1 欄桿典型圖要求

本文以中海福陸重工有限公司北美某項(xiàng)目為例進(jìn)行分析，模塊欄桿的設(shè)計(jì)以PIP STF05521 規(guī)范中的典型欄桿圖（見圖1）［5］為基準(zhǔn)。欄桿分為固定式和可拆卸式2 種，其中：固定式欄桿由頂部扶手、橫桿、立桿和踢腳板構(gòu)成；可拆卸式欄桿是在固定式欄桿的基礎(chǔ)上，將頂部扶手、橫桿和踢腳板斷開，并用螺栓與連接板彼此相連構(gòu)成。立桿與H型鋼或槽鋼類型的安裝梁通過角鋼連接，與頂部扶手連接的立桿需削斜，欄桿與欄桿之間成直角轉(zhuǎn)角接頭，各組件的規(guī)格和相互間的定位距離有規(guī)定。

圖2 為該項(xiàng)目采用的欄桿典型圖，整體結(jié)構(gòu)基于PIP STF05521 規(guī)范設(shè)計(jì)，但細(xì)節(jié)部分與其存在一定的差異，例如對(duì)角鋼規(guī)格、欄桿與安裝梁連接方式、定位距離和螺栓規(guī)格等進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，特別是對(duì)欄桿相互垂直轉(zhuǎn)角連接有專門的處理方式：欄桿相交成陽角（圖2 的A-A剖面），行人位于欄桿轉(zhuǎn)角外側(cè)，轉(zhuǎn)彎時(shí)可能會(huì)與轉(zhuǎn)角碰撞，因此設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角過渡處理，防止碰撞；欄桿相交成陰角，行人位于欄桿轉(zhuǎn)角的內(nèi)側(cè)，不會(huì)與轉(zhuǎn)角碰撞，兩欄桿自然垂直即可。

圖2 項(xiàng)目采用的欄桿典型圖

1.2 Tekla內(nèi)置欄桿節(jié)點(diǎn)分析

Tekla是鋼結(jié)構(gòu)制造商廣泛使用的深化建模及出圖軟件，該軟件擁有多種國(guó)際規(guī)范的型材庫，可對(duì)零件進(jìn)行切割等多種布爾操作。圖3 為Tekla內(nèi)置編號(hào)為1024 的常用欄桿扶手節(jié)點(diǎn)。

圖3 Tekla內(nèi)置編號(hào)為1024的常用欄桿扶手節(jié)點(diǎn)

該節(jié)點(diǎn)可自定義立桿水平距離、橫桿豎直距離、欄桿總長(zhǎng)度、與連接梁的偏移量，以及橫桿、立桿、踢腳板的規(guī)格和材質(zhì)等屬性。針對(duì)該項(xiàng)目，該節(jié)點(diǎn)存在以下限制：

1）不能滿足立桿頂部削斜要求；

2）不能處理圖2 中C-C 剖面所示立桿與安裝梁的螺栓連接形式；

3）不能處理可拆卸式欄桿具備的螺栓、螺栓連接板和長(zhǎng)圓孔開孔；

4）不能處理欄桿垂直相交時(shí)項(xiàng)目的陰角和陽角的特殊要求。

因此，采用內(nèi)置節(jié)點(diǎn)必然導(dǎo)致需將節(jié)點(diǎn)炸開之后進(jìn)行修改模型工作，其能帶來的建模便利性非常有限，特別是不能滿足后3 點(diǎn)，導(dǎo)致無法在項(xiàng)目上直接使用，因此進(jìn)行二次開發(fā)工作［6］，編制欄桿插件。圖4 為內(nèi)置節(jié)點(diǎn)與插件建模效果對(duì)比。

圖4 內(nèi)置節(jié)點(diǎn)與插件建模效果對(duì)比

2 欄桿插件參數(shù)化開發(fā)

2.1 Tekla開發(fā)環(huán)境及插件介紹

插件的開發(fā)語言為C＃，采用微軟Visual Studio作為集成開發(fā)環(huán)境［7］。為實(shí)現(xiàn)插件同Tekla 通信，需使用Tekla軟件提供的API接口。該接口是一種通用的程序接口，開發(fā)人員可通過該接口實(shí)現(xiàn)調(diào)用Tekla的命令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建模等具體操作［8］。本文主要采用Takla提供的3 種動(dòng)態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，DLL）作為接口（見表1）。

表1 Tekla API的3 種DLL庫

插件由3 個(gè)模塊組成，各模塊的功能見圖5。

圖5 插件各模塊的功能

1）窗體模塊為直接面向建模人員的模塊，向建模人員展示插件的功能，如各項(xiàng)功能的說明；獲取建模人員與Tekla的交互信息，如獲取建模人員選擇的安裝梁和輔助梁等；獲取建模人員的輸入信息，如欄桿立桿的間距等。

2）實(shí)體模型模塊將角鋼、扁鋼和螺栓等實(shí)體模型單獨(dú)封裝為一個(gè)模塊，定義其物理規(guī)格信息和材質(zhì)信息，這樣做的目的有2 個(gè)：

（1）便于以后擴(kuò)展實(shí)體模型，比如增加新的角鋼規(guī)格和新的材質(zhì)等；

（2）分離實(shí)體模型和功能操作，降低兩者相互影響的程度，避免因?qū)嶓w模型改動(dòng)導(dǎo)致相關(guān)功能操作的代碼大幅度改動(dòng)。

3）功能操作模塊是核心模塊，實(shí)現(xiàn)具體的扶手、立桿和踢腳板等基本欄桿組件的建立、切割和削斜等操作，以及進(jìn)行欄桿的陰角和陽角建模、螺栓連接等操作，各類操作均在程序中定義為對(duì)應(yīng)功能的“子程序”，并用實(shí)體模型作為子程序的傳遞參數(shù)，由此簡(jiǎn)化代碼，實(shí)現(xiàn)代碼塊復(fù)用，形成模塊化程序設(shè)計(jì)，使后續(xù)擴(kuò)展其他功能時(shí)降低對(duì)當(dāng)前代碼的影響。

2.2 插件開發(fā)

插件開發(fā)面臨的核心問題有2 個(gè)：

1）尋找實(shí)體模型與程序模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而將物理屬性（類型）、幾何屬性（外形尺寸、空間位置）和物理操作（切割、打孔等）“映射”到程序模型上。通過程序代碼操作程序模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)操作實(shí)體模型。實(shí)體模型集合了欄桿中各種零件、零件的空間坐標(biāo)及零件之間的切割關(guān)系，而程序模型是由Tekla DLL 提供的Beam、ContourPlate、Point和Boolean等“類”定義的。各種類內(nèi)置的屬性和功能模擬了實(shí)體模型的特性，比如：Point類是定義一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，1 根梁的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)只需Point 類的2 個(gè)實(shí)例即可定義；Boolean

類是定義一種三維體的布爾運(yùn)算操作，切割和打孔操作可通過布爾差集運(yùn)算完成；TransformationPlane類是定義一種坐標(biāo)系變換矩陣，當(dāng)需對(duì)零件操作時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全局坐標(biāo)系到零件局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，方便在零件上定位建模。［9］上述功能分別通過實(shí)體模型模塊和功能操作模塊實(shí)現(xiàn)。

2）尋找人工建模步驟中規(guī)律性強(qiáng)、重復(fù)性高和易錯(cuò)的步驟，梳理并規(guī)范相關(guān)流程，編寫程序處理邏輯和代碼，僅將需人工判斷的信息作為程序的輸入?yún)?shù)，本例中的輸入?yún)?shù)分為2 類：一類是完全依賴人工判斷的參數(shù)，這類參數(shù)通常是程序的起始條件，是程序無法自行確定的，包括選擇安裝梁和安裝起點(diǎn)，判斷欄桿起點(diǎn)和終點(diǎn)的形式，以及選擇起點(diǎn)和終點(diǎn)輔助梁；另一類是半依賴人工判斷參數(shù)，這類參數(shù)具有一定的調(diào)整范圍，程序設(shè)置一個(gè)最低限度的默認(rèn)數(shù)值，可接受人工輸入范圍內(nèi)的任意數(shù)值，目的是允許欄桿建模時(shí)在許可范圍內(nèi)修改，提升靈活性。其余的安裝梁類別，梁的高度、寬度、翼緣和腹板厚度信息，橫桿與立桿間距，螺栓孔的直徑、數(shù)量，螺栓連接板位置和厚度等均是固定的數(shù)值，不允許人工修改，作為程序的內(nèi)置數(shù)據(jù)。頂部扶手建模、橫桿和踢腳板建模、立桿建模、立桿頂部削斜、陽角和陰角搭接處理、打螺栓孔和螺栓連接板等操作均是在以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上有規(guī)律地進(jìn)行的，只需按項(xiàng)目的要求逐步完成即可，因此將這些步驟編制成程序進(jìn)行自動(dòng)處理，無需人工干預(yù)，從而發(fā)揮計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到替代人工操作的目的。這些功能將通過功能操作模塊實(shí)現(xiàn)。

基于上述插件的設(shè)計(jì)思想，制訂程序邏輯流程圖（見圖6），并完成3 個(gè)模塊的編程和插件交互界面（見圖7）設(shè)計(jì)。窗體底部和右側(cè)的按鈕為建模人員必須人為判斷的完全依賴參數(shù)；中部深色背景框的參數(shù)為半依賴人工參數(shù)，建模人員可修改或選擇默認(rèn)值，當(dāng)超出允許范圍時(shí)，程序會(huì)提出錯(cuò)誤警告進(jìn)行糾錯(cuò)提示；其余各類信息（如立桿規(guī)格、橫桿間距和踢腳板規(guī)格等）完全為程序內(nèi)置數(shù)據(jù)，不能被建模人員修改。

圖7 插件的交互界面

插件運(yùn)行之后，若建模人員選擇和操作正確，將一次性完成欄桿建模，無需作任何修改。插件對(duì)需要建模人員判斷的數(shù)據(jù)和規(guī)律性步驟進(jìn)行自動(dòng)處理，使建模人員無需關(guān)注程序內(nèi)部流程，僅關(guān)注輸入?yún)?shù)即可準(zhǔn)確高效地完成建模工作。

3 結(jié) 語

欄桿插件參數(shù)化開發(fā)跳出了Tekla軟件內(nèi)置節(jié)點(diǎn)的束縛框架，完全滿足項(xiàng)目的特殊要求；對(duì)各類參數(shù)和流程建立了處理邏輯，封裝了眾多固定數(shù)據(jù)和操作步驟，僅留出必要的供建模人員輸入的參數(shù)，大幅簡(jiǎn)化了建模人員操作。該插件經(jīng)過項(xiàng)目中總計(jì)長(zhǎng)約3 000 m 的欄桿建模測(cè)試，準(zhǔn)確度達(dá)到100%，效率是常規(guī)做法的5 ～6 倍，累計(jì)直接節(jié)約180 工時(shí)，間接節(jié)約了校審的工時(shí)，在項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮了巨大作用。此外，相對(duì)于內(nèi)置節(jié)點(diǎn)版本控制難和易被修改的問題，該插件不僅可加密編譯為可執(zhí)行格式文件，而且可控制插件的使用壽命，定期分發(fā)新版，防止建模人員使用舊版，從而解決內(nèi)置節(jié)點(diǎn)的問題。同時(shí)，插件具有良好的可擴(kuò)展性，后續(xù)若有基于PIP STF05521 欄桿標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目，只需對(duì)插件進(jìn)行部分針對(duì)性修改即可使用，無需重新編制。