張興華

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 橋梁工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300142）

鐵路涵洞通用圖中制定了一系列涵洞結(jié)構(gòu)尺寸，用于適應(yīng)涵洞的各種孔徑、角度、埋深等參數(shù)變化，與之對(duì)應(yīng)的涵洞出入口作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地制定了復(fù)雜的尺寸表格。在鐵路三維建模項(xiàng)目中，人員手動(dòng)建模的重復(fù)操作較多而且又不能通用，特別是箱涵出入口擋土墻目前多為八字翼墻，八字翼墻放坡面交叉是空間三角形平面形式，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算難度較大。基于這種情況，有必要研究、開發(fā)一套能夠根據(jù)通用圖表格自動(dòng)創(chuàng)建出入口三維建模的程序。本文以VB.NET為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合CATIA建模應(yīng)用，開發(fā)了參數(shù)化批量創(chuàng)建箱涵出入口的三維建模程序。

1 CATIA軟件及界面介紹

1.1 CATIA二次開發(fā)簡(jiǎn)介

CATIA是一款三維設(shè)計(jì)軟件，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空領(lǐng)域，在解決復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)空間建模方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，主要的二次開發(fā)方式有：

（1）通過安裝CATIA提供的二次開發(fā)工具組件應(yīng)用架構(gòu)CAA，在C++開發(fā)環(huán)境中與CATIA通信并使用其提供的一系列API函數(shù)進(jìn)行開發(fā)，以此達(dá)到開發(fā)CATIA插件的目的。采用這種方法開發(fā)的程序特點(diǎn)為插件形式，運(yùn)行效率高，缺點(diǎn)是開發(fā)者需要在熟練運(yùn)用CATIA并且了解CAA API函數(shù)的基礎(chǔ)上，額外安裝相關(guān)的開發(fā)組件并且需要掌握C++語言才能進(jìn)行開發(fā)工作，所以入門難度較高。

（2）通過運(yùn)行CATIA并錄制宏來進(jìn)行開發(fā)。相對(duì)于我們熟知利用VBA二次開發(fā)Excel或CAD而言，CATIA的宏錄制器可以直接將錄制宏轉(zhuǎn)換為開放式的VBScript代碼，所以開發(fā)者幾乎無需系統(tǒng)地學(xué)習(xí)VBScript便可在錄制宏的基礎(chǔ)上修改代碼并使之成為自己的程序。該方法簡(jiǎn)單方便，無需額外的開發(fā)環(huán)境，但此種方法人機(jī)交互性差，無法做出界面，也無法達(dá)到參數(shù)化建模的效果。不過，開發(fā)者可以利用VB.NET作為開發(fā)環(huán)境，通過COM引用CATIA對(duì)象庫至程序框架之中，復(fù)制粘貼并編輯宏代碼，從而達(dá)到在外部環(huán)境直接操作CATIA實(shí)例對(duì)象的效果，并且能夠開發(fā)獨(dú)立的程序界面，來實(shí)現(xiàn)交互式的參數(shù)化建模功能。這種方法運(yùn)行速度不如前者，但簡(jiǎn)單有效并且功能同樣強(qiáng)大，適用于小型化的建模開發(fā)工作，本文選取這種二次開發(fā)方式。其中，獲取CATIA實(shí)例對(duì)象的主要VBScript代碼如下：

Dim catia As INFITF.Application= GetObject(,"CATIA.Application")'獲得catia對(duì)象

Dim documents1 As Documents= catia.Documents'獲得當(dāng)前操作窗口集合

Dim partDocument1 As Document=documents1.Add("Part")'獲得當(dāng)前操作窗口

Dim part1 As Part=partDocument1.Part'獲得零件設(shè)計(jì)對(duì)象

1.2 界面設(shè)計(jì)

本程序的界面向用戶提供了箱涵出入口參數(shù)化建模圖示、Excel數(shù)據(jù)源的指定與加載、數(shù)據(jù)源的列表顯示以及洞門批量建模與文件導(dǎo)出功能按鈕，如圖1所示。

圖1 程序界面

1.3 操作流程

（1）根據(jù)位于界面左側(cè)的箱涵出入口結(jié)構(gòu)樣式圖，用戶按指定格式使用Excel準(zhǔn)備好相關(guān)數(shù)據(jù)文件；

（2）點(diǎn)擊界面左上角指定圖庫的藍(lán)色按鈕，選中文件后即可提取Excel并更新數(shù)據(jù)至界面右側(cè)列表，表中的每一行代表一種出入口尺寸類型；

（3）可通過鼠標(biāo)選擇列表中的單行或多行來指定要建模的出入口；

（4）點(diǎn)擊創(chuàng)建BIM模型按鈕，由程序在后臺(tái)啟動(dòng)CATIA并進(jìn)行參數(shù)化建模；

（5）創(chuàng)建好的模型將保存為*.CATPart以及*.STL格式提供三維項(xiàng)目調(diào)用。

2 Excel數(shù)據(jù)源的制作與讀取

箱涵通用圖出入口的尺寸表作為三維建模時(shí)的數(shù)據(jù)來源，充當(dāng)程序數(shù)據(jù)庫的作用。相對(duì)于部署困難的大型數(shù)據(jù)庫，就小程序來說，選用ACCESS或Excel會(huì)更加靈活而且容易開發(fā)。這兩者相比較，各有優(yōu)勢(shì)，ACCESS作為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用比Excel更加專業(yè)，可以靈活地使用SQL語言操作數(shù)據(jù)記錄，但除非在程序中再額外開發(fā)數(shù)據(jù)庫管理功能，否則用戶直接編輯ACCESS文件比較麻煩且不直觀。Excel作為數(shù)據(jù)庫最大的缺點(diǎn)就是使用SQL語言不夠靈活，不宜實(shí)現(xiàn)添加、刪除、篩選記錄等功能。但其完全開放的數(shù)據(jù)編輯模式和廣泛普及的使用性，使得用戶依靠手動(dòng)操作便可自由地管理數(shù)據(jù)記錄，達(dá)到隨時(shí)更新最新通用圖尺寸的效果，所以本文采用Excel作為通用圖的模板格式。目前，讀取Excel比較普及的方式主要有以下3種。

2.1 直接使用VBA

該方法的特點(diǎn)是功能強(qiáng)大、速度快。但因其不能脫離Excel內(nèi)部環(huán)境運(yùn)行，所以不能開發(fā)獨(dú)立的程序主界面。而且因?yàn)椴皇?NET環(huán)境，所以窗口及控件外觀也比較簡(jiǎn)陋。此外，對(duì)于開發(fā)者而言，VBA的源代碼暴漏在外，不利于代碼保密；如果額外開發(fā)DLL提供VBA調(diào)用，既可以達(dá)到VBA的高效率，又可以實(shí)現(xiàn)程序封裝的目的，但是，這樣做對(duì)于小程序而言，開發(fā)難度加大、開發(fā)成本過高。

2.2 通過COM引用Excel類庫在外部操作其實(shí)例對(duì)象

通過COM類庫創(chuàng)建實(shí)例相當(dāng)于在Excel外部使用VBA編程，幾乎可以實(shí)現(xiàn)所有的Excel功能，而且可以脫離Excel運(yùn)行環(huán)境，在外部獨(dú)立開發(fā)程序的功能與界面。但該方法的缺點(diǎn)是速度慢，特別是在表格數(shù)據(jù)龐大時(shí)進(jìn)行的寫操作，耗時(shí)幾乎是VBA操作的萬倍以上。

2.3 基于ADO或ADO.NET對(duì)象連接Excel

該方法是采用數(shù)據(jù)庫連接的形式，讀取效率比通過COM引用Excel類庫要高。ADO是對(duì)OLE DB的一種封裝，提供了大量的COM接口，既保留了原有的數(shù)據(jù)處理功能，又簡(jiǎn)單易用。ADO.NET則是建立在ADO基礎(chǔ)上并針對(duì).NET編程環(huán)境的升級(jí)。采用ADO.NET的OleDbConnection對(duì)象，可以以較快的速度從外部連接并讀取Excel表格內(nèi)容，同時(shí)，DataSet對(duì)象的篩選功能，也能作為對(duì)該方法使用SQL時(shí)不夠靈活的一種補(bǔ)償。數(shù)據(jù)庫連接及操作的關(guān)鍵代碼如下：

Dim Con As New OleDbConnection '連接數(shù)據(jù)源

Con.ConnectionString = "ADO.NET的Excel連接字串" '賦值連接字串

Dim Adapter As New OleDbDataAdapter-("SELECT * FROM [sheet名稱$]", Con)

Dim dataSet As New DataSet '數(shù)據(jù)集對(duì)象

Adapter.Fill(dataSet, "sheet名稱") '填充數(shù)據(jù)集

Dim filrow() As DataRow '過濾記錄

filrow = dataSet.Tables("sheet名稱").Select("查找條件where的字符串")

經(jīng)過比較，本文采用ADO.NET方式讀取Excel數(shù)據(jù)源。

3 出入口參數(shù)化建模

箱涵出入口擋土墻的外形為八字翼墻，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，特別是中部的三角形為空間平面，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)無法通過公式計(jì)算得到，所以整體建模難度較大。因此，將其進(jìn)行拆分并分別建模，拆分后的出入口大致由4部分組成，如圖2所示。圖2中，①表示縱向擋墻；②表示橫向擋墻；③表示中部三角形擋墻；④表示基礎(chǔ)。

圖2 箱涵出入口平面示意圖

3.1 建模步驟

以圖2為例：

（1）根據(jù)幾何公式計(jì)算c點(diǎn)坐標(biāo)，以c點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)創(chuàng)建出入口的①、③部分；

（2）經(jīng)過對(duì)①、③部分的裁剪確定a點(diǎn)、b點(diǎn)坐標(biāo)；

（3）根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及實(shí)體間的裁剪功能創(chuàng)建②部分；

（4）創(chuàng)建④部分。

3.2 實(shí)現(xiàn)方法

各部分建模常用的VBScript代碼如下：

Dim sketch1 As Sketch=sketches1.Add(origin-Elements1.PlaneYZ) '設(shè)置xy平面為草圖平面

Dim constraints1 As Constraints=sketch1.Constraints '為草圖平滿設(shè)置約束集

constraints1.AddBiEltCst(catCstTypeVerticality,約束對(duì)象1, 約束對(duì)象2) '設(shè)置約束

shapeFactory1 = part1.ShapeFactory'圖形加工類庫

Dim pad1 As Pad=shapeFactory1.AddNewPad-(sketch1, 拉伸距離) '拉伸對(duì)象

Dim split1 As Split=shapeFactory1.AddNew-Split(裁剪對(duì)象, 裁剪面)'裁剪對(duì)象

3.3 建模效果

建模效果如圖3所示。

圖3 CATIA建模效果圖

4 結(jié)束語

針對(duì)鐵路三維設(shè)計(jì)項(xiàng)目中外形尺寸變化繁多的涵洞出入口結(jié)構(gòu)，本文對(duì)CATIA的二次開發(fā)以及Excel作為數(shù)據(jù)源的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)了依據(jù)通用圖尺寸表格參數(shù)化創(chuàng)建箱涵出入口的三維建模程序，達(dá)到了批量建模的目的。本文介紹的CATIA二次開發(fā)方法簡(jiǎn)單有效，同時(shí)，以Excel作為數(shù)據(jù)源，使得用戶可以隨時(shí)更新尺寸數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)便。本程序已在鐵路BIM相關(guān)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中應(yīng)用，效果良好，減少了手動(dòng)操作工作量，提高了建模效率。

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