齊成龍

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司土建院，天津300308）

0 引 言

在橋墩BIM 設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)單位交付的BIM 模型無法全面考慮施工過程的影響。對于高度大于某一范圍的橋墩，實(shí)際施工時(shí)，無法一次澆筑，需要沿高度方向分節(jié)段澆筑或拼裝，圖1 所示為某橋墩節(jié)段拼裝工程實(shí)例，這種情況下，施工階段橋墩BIM模型必須能夠反映出這種節(jié)段的劃分。同時(shí)，由于每一個(gè)橋墩在現(xiàn)場施工環(huán)境和可用設(shè)備方面存在差異性，即使是相同高度的橋墩，其豎向節(jié)段的劃分標(biāo)準(zhǔn)也不相同，而這種差異性是設(shè)計(jì)階段BIM 模型無法預(yù)估的。因此，解決這種問題的最好辦法是將橋墩分節(jié)段澆筑或拼裝導(dǎo)致的模型變化交給施工階段來完成。

圖1 橋墩分節(jié)段拼裝工程實(shí)例Fig.1 Project instance for segmental assembly of the pier

本文介紹一種橋墩BIM 模型切割工具，該工具使用達(dá)索/組件應(yīng)用架構(gòu)（CAA）二次開發(fā)語言實(shí)現(xiàn)，嵌入到達(dá)索軟件裝配設(shè)計(jì)模塊內(nèi)部［1］。由用戶選擇被切割體、切割面和切割結(jié)果的裝配目標(biāo)位置，程序運(yùn)行結(jié)束后，自動(dòng)將切割結(jié)果插入到裝配目標(biāo)位置。

1 程序交互界面及操作流程設(shè)計(jì)

根據(jù)前述應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)出如圖2 所示的用戶交互界面。該人機(jī)交互的橋墩切割工具采用達(dá)索/CAA 語言二次開發(fā)，直接嵌入到達(dá)索軟件內(nèi)部［2-3］。具備以下幾個(gè)特點(diǎn):①橋墩切割工具嵌入到達(dá)索裝配設(shè)計(jì)（AssemblyDesign）模塊中；②被切割體可由多個(gè)部分構(gòu)成，各部分可分屬于不同的物理產(chǎn)品（Physical Product），對物理產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)沒有限制，同一個(gè)物理產(chǎn)品下還可包含多個(gè)3DShape；③屬于同一物理產(chǎn)品的被切割體，在切割后，將被分解為多個(gè)物理產(chǎn)品，每個(gè)物理產(chǎn)品包含一個(gè)無法編輯、輕量化的Datum類型特征［4］。

以某橋墩的主墩切割過程為例，如圖2 所示，主墩模型存儲(chǔ)于“01Pier main”節(jié)點(diǎn)下，由三部分組成，由圖中結(jié)構(gòu)樹可知這三部分所在物理產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)。如圖3 所示，首先點(diǎn)擊嵌入到達(dá)索裝配設(shè)計(jì)模塊下的操作按鈕，打開用戶交互窗口，在CutProduct 位置選擇被切割體所在的節(jié)點(diǎn)“01Pier main”，在CutSurfaces 位置選擇切割面所在的幾何圖形集“CutSurface”，在TargetProduct位置選擇切割結(jié)果需要裝配的目標(biāo)位置。

圖2 切割前的橋墩模型用戶交互界面Fig.2 Pier model before segmentation and user interface

圖3 嵌入到裝配設(shè)計(jì)模塊下的操作按鈕Fig.3 Operation button embedded in assembly design module

點(diǎn)擊“確定”按鈕后，程序使用用戶所選幾何圖形集內(nèi)的三個(gè)切割平面執(zhí)行切割操作。切割前，被切割拓?fù)潴w存儲(chǔ)在3 個(gè)3DShape 下，對比圖2 和圖4 可以看出，切割前后，主墩由3 個(gè)部分變成12 個(gè)部分。切割后，目標(biāo)裝配總結(jié)點(diǎn)下包含由12個(gè)物理產(chǎn)品組成的子節(jié)點(diǎn)。

圖4 切割后的橋墩模型Fig.4 Pier model after segmentation

2 二次開發(fā)策略和思路

為了實(shí)現(xiàn)上一節(jié)介紹的操作。需要使用如圖5 所示的流程進(jìn)行二次開發(fā)，具體分為以下三個(gè)重要步驟:

（1）獲取切割面、被切割體、目標(biāo)位置；

（2）遍歷、存儲(chǔ)被切割體；

（3）生成切割結(jié)果并組裝至目標(biāo)位置。

圖5 程序二次開發(fā)流程Fig.5 Development process of this program

以下各節(jié)將依次通過對此三個(gè)步驟的介紹，闡述本程序的二次開發(fā)策略和思路。

3 獲取切割面、被切割體、目標(biāo)位置

切割面、被切割體、目標(biāo)位置，這三種元素作為程序執(zhí)行的先決條件，它們的獲取是屬于用戶界面交互功能的職能范疇，用戶界面交互功能分為創(chuàng)建工具按鈕和創(chuàng)建用戶交互窗口兩部分。

3.1 創(chuàng)建工具按鈕并與橋墩切割命令關(guān)聯(lián)

工具條采用Add-in 的方式添加，為了將橋墩切割功能嵌入到裝配設(shè)計(jì)（AssemblyDesign）模塊，用于添加工具條的Add-in 類必須實(shí)現(xiàn)CATIAssyWorkBenchAddin 接 口 。 再 通 過CATAfrCommandHeader:

CATCreateCommandHeader（）成員函數(shù)使添加的工具條與橋墩切割命令相關(guān)聯(lián)。這樣就實(shí)現(xiàn)了在已有裝配設(shè)計(jì)模塊下添加一個(gè)按鈕，用戶點(diǎn)擊此按鈕，激活橋墩切割命令［5］。

3.2 在橋墩切割命令中嵌入用戶交互窗口

首先創(chuàng)建用戶交互窗口Dialog 文件，該文件與切割命令所在文件相互獨(dú)立。在橋墩切割命令文件中，通過對CATMmrPanelStateCmd 類的派生，重載GiveMyPanel 方法，使包含橋墩切割命令的派生類與用戶交互對話窗口Dialog 文件關(guān)聯(lián)。Dialog 文件僅用于窗口控件屬性的獲取和賦值，而對話流程操作是通過切割命令文件對BuildGraph（）方法的重載實(shí)現(xiàn)的。

BuildGraph 方法通過命令狀態(tài)（Command State）和代理（Agent）兩個(gè)關(guān)鍵元素來實(shí)現(xiàn)用戶與界面的交互響應(yīng)［6］。

本程序使用了兩種代理:CATDialogAgent 代理用于獲取界面控件響應(yīng)，命令當(dāng)中定義了三個(gè)此類代理，分別表示對代表切割面、被切割體、目標(biāo)位置的三種DialogList 控件的選擇；CATPathElementAgent 繼承自 CATDialogAgent，命令當(dāng)中也定義了三個(gè)此類代理，此種代理用于獲取從根節(jié)點(diǎn)開始，到鼠標(biāo)下對象的完整路徑，這個(gè)對象可以是位于模型顯示空間的某幾何體或者是位于結(jié)構(gòu)樹的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，再通過對該代理施加對象類型和過濾條件的限制，使之分別用于獲取鼠標(biāo)下的切割面（幾何圖形集）、被切割體（物理產(chǎn)品）、目標(biāo)位置（物理產(chǎn)品）。

對于前述兩種代理，當(dāng)用戶成功選擇了相應(yīng)的 DialogList 控件時(shí)，CATDialogAgent 代理就被賦值；當(dāng)用戶成功選擇了鼠標(biāo)下的某個(gè)符合要求的對象時(shí)，CATPathElementAgent 代理就被賦值。每個(gè)命令狀態(tài)都存儲(chǔ)了若干個(gè)代理，在程序中，對于每個(gè)命令狀態(tài)，預(yù)定義了其中的各個(gè)代理被賦值以后程序應(yīng)該執(zhí)行的具體操作，以及向其他命令狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)則。圖6以命令狀態(tài)1為例，介紹了用戶與界面交互的原理。在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)某命令狀態(tài)中的一個(gè)代理被成功賦值以后，CAA程序就會(huì)查閱前述轉(zhuǎn)換規(guī)則，來決定此時(shí)應(yīng)該向哪一個(gè)命令狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖6 通過命令狀態(tài)和代理實(shí)現(xiàn)用戶與程序交互Fig.6 Interaction between user and program through command state and agent

4 遍歷、存儲(chǔ)被切割體

4.1 被切割體的組織結(jié)構(gòu)

從二次開發(fā)層面來說，達(dá)索系統(tǒng)有四種常用的核心成員對象（PLM Core Data），分別是參考（References）、實(shí) 例（Instances）、代 理 參 考（RepresentationReferences） 和 代 理 實(shí) 例（RepresentationInstances）。結(jié)構(gòu)樹的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是實(shí)例或代理實(shí)例，而實(shí)例或代理實(shí)例分別是由參考和代理參考實(shí)例化而來。從用戶手動(dòng)操作的層面來說，達(dá)索向用戶開放的操作對象有兩種，分別是物理產(chǎn)品（Physical Product）和三維形狀（3DShape）。用戶手動(dòng)操作層面的兩種對象與二次開發(fā)層面的四種對象有如下對應(yīng)關(guān)系:物理產(chǎn)品對應(yīng)于參考和實(shí)例，三維形狀對應(yīng)于代理參考和代理實(shí)例［7］。

CAA提供了四種接口CATIPLMNavReference，CATIPLMNavInstance，CATIPLMNavRepReference，CATIPLMNavRepInstance，它們分別與二次開發(fā)層面的四種常用核心成員對象相對應(yīng)，用于對樹形結(jié)構(gòu)中各成員的遍歷和檢索。

在用戶與界面的交互過程中，程序成功獲取了一個(gè)用于存儲(chǔ)被切割體的物理產(chǎn)品，由于具體建模方式和組織結(jié)構(gòu)的多樣性，從層次結(jié)構(gòu)上講，該物理產(chǎn)品可以再分解為多個(gè)子物理產(chǎn)品，每一個(gè)子物理產(chǎn)品還可以繼續(xù)分解。在這種樹型的被切割體組織結(jié)構(gòu)中，3Dshape 是具體的特征存儲(chǔ)位置，每一個(gè)3Dshape 都必須依附于某物理產(chǎn)品才能存在，而模型的幾何形狀體現(xiàn)在各種特征當(dāng)中，因此，對被切割體的遍歷和存儲(chǔ)最終都是在3Dshape 中完成的。對于”程序界面及操作流程設(shè)計(jì)“一節(jié)所介紹的示例，其樹型組織結(jié)構(gòu)如圖7所示，可以看出，它是四層樹形結(jié)構(gòu)，如果要獲取承載被切割體的特征，需要在3 個(gè)3DShape 下進(jìn)行遍歷。

圖7 示例中主墩被切割體模型樹型組織結(jié)構(gòu)Fig.7 Tree structure of main pier cut model in the example

4.2 RecursionGetCutBodys( )遞歸函數(shù)獲取3DShape下的所有拓?fù)潴w

在達(dá)索系統(tǒng)當(dāng)中，特征無法直接存儲(chǔ)于3DShape 下，而是通過有兩種特征存儲(chǔ)集合（geometrical features set）實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能:幾何圖形集（Geometrical Set）和零件幾何體（Solid features set）［8］，幾何圖形集無法存儲(chǔ)與三維拓?fù)鋵?yīng)的特征，而零件幾何體可用于存儲(chǔ)任何拓?fù)漕愋偷奶卣?。這兩種特征存儲(chǔ)集合還可以繼續(xù)嵌套幾何圖形集和零件幾何體，也形成一種與前述被切割體類似的樹型組織結(jié)構(gòu)。本小節(jié)介紹如何從具備這樣一種組織結(jié)構(gòu)的3DShape 下，獲取其中的拓?fù)潴w，并將其存儲(chǔ)于一個(gè)CATLISTP（CATBody）類型的集合中，該集合中的拓?fù)潴w分別與3DShape 下的所有特征一一對應(yīng)。

目前，在CAA可用的API中，CATIPartRequest接口的GetDirectBodies（）方法，能夠獲取當(dāng)前3DShape 下的第一級(jí)特征存儲(chǔ)集合；CATIBodyRequest 接口的 GetDirectBodies（）方法，能夠獲取當(dāng)前特征存儲(chǔ)集合的第一級(jí)子特征存儲(chǔ)集合。因此，對于這種不確定具體層數(shù)的樹型組織結(jié)構(gòu)，可采用遞歸調(diào)用的方法獲取某一3DShape 下的所有特征存儲(chǔ)集合，繼而獲取其中的被切割體拓?fù)?，?dāng)通過CATIBodyRequest 接口的GetDirectBodies（）方法獲取某一特征存儲(chǔ)集合下的所有子特征集合，并且集合大小為0 時(shí)，說明當(dāng)前集合沒有子集合，遞歸調(diào)用滿足終止條件。具體流程如圖8所示。

圖8 獲取具備樹型組織結(jié)構(gòu)的3DShape下所有拓?fù)潴w的流程Fig.8 Topological body obtaining process of 3D Shape with a tree structure

通過CATIPartRequest 接口獲取當(dāng)前3DShape的所有特征存儲(chǔ)集合后，循環(huán)操作，依次對每一個(gè)特征存儲(chǔ)集合執(zhí)行如下遞歸調(diào)用的過程:

（1）通過CATIMmiUseBodyContent 接口獲取當(dāng)前特征存儲(chǔ)集合i 下的所有特征，對于其中的第j 個(gè)特征，通過CATIMmiUseGeometricalElement接口獲取與之對應(yīng)的拓?fù)潴w；

（2）把步驟（1）中生成的拓?fù)潴w追加到CATLISTP（CATBody）類型的集合中；

（3）在j的范圍內(nèi)循環(huán)，也就是在存儲(chǔ)集合i下的所有特征范圍內(nèi)循環(huán)。循環(huán)結(jié)束時(shí)，通過CATIBodyRequest 接口，查看當(dāng)前特征存儲(chǔ)集合i下是否還有其他子存儲(chǔ)集合；

（4）如果通過步驟（3）發(fā)現(xiàn)，特征存儲(chǔ)集合i下還有其他子存儲(chǔ)集合，返回步驟（1），對每一個(gè)子存儲(chǔ)集合執(zhí)行遞歸調(diào)用的過程。如果通過步驟（3）發(fā)現(xiàn)，特征存儲(chǔ)集合i 下不再包含其他子存儲(chǔ)集合，不再執(zhí)行遞歸操作，執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)，返回步驟（1），繼續(xù)對3DShape 下的第i+1 個(gè)特征存儲(chǔ)集合執(zhí)行獲取拓?fù)潴w的操作。

5 生成切割結(jié)果并組裝至目標(biāo)位置

5.1 BrowseOccurrences()函數(shù)執(zhí)行切割操作

該函數(shù)以被切割體總結(jié)點(diǎn)的物理產(chǎn)品（Physical Product）作為輸入?yún)?shù)，輸出一個(gè)用于存儲(chǔ)CutBodyStruct類型結(jié)構(gòu)體的集合。在作為輸出結(jié)果的集合中，每一個(gè)CutBodyStruct 類型的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)代表切割后的最小單元。

該類型結(jié)構(gòu)體的聲明如下:

從前述第4.1節(jié)可知，被切割體的拓?fù)湫螤畲鎯?chǔ)在總結(jié)點(diǎn)樹型組織結(jié)構(gòu)下各離散的3DShape中。切割之前，作為輸入?yún)?shù)的CutBodyStruct 結(jié)構(gòu)體，其BodyList 成員代表總結(jié)點(diǎn)物理產(chǎn)品下某3DShape 中存儲(chǔ)的拓?fù)潴w集合，切割之后，一個(gè)3DShape 中存儲(chǔ)的拓?fù)湫螤顣?huì)被分為若干個(gè)部分，與各部分相對應(yīng)的多個(gè)CutBodyStruct 結(jié)構(gòu)體會(huì)以集合的方式輸出，其中每個(gè)CutBodyStruct 結(jié)構(gòu)體的BodyList 成員代表切割后每個(gè)部分中存儲(chǔ)的 拓 撲 體 子 集 ，每 個(gè) 結(jié) 構(gòu) 體 的spOccOnCurrentNode 成員代表與該3DShape 直接相關(guān)的上一級(jí)物理產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)。

切割操作的大致步驟是:對于一個(gè)指定的3DShape，首先在所有切割面的范圍內(nèi)循環(huán)，依次使用每一個(gè)切割面對當(dāng)前被切割體進(jìn)行切割，當(dāng)完成一次循環(huán)也就是使用其中一個(gè)切割面完成切割后，CutBodyStruct 類型結(jié)構(gòu)體的集合就會(huì)更新。在下一次循環(huán)使用新的切割面進(jìn)行切割時(shí)，切割對象就是上一次循環(huán)產(chǎn)生的新的CutBodyStruct類型結(jié)構(gòu)體集合，這樣，循環(huán)結(jié)束后的結(jié)構(gòu)體集合正是所需的輸出結(jié)果。

本小節(jié)前面部分介紹了在一個(gè)3DShape 范圍內(nèi)的切割操作流程，為了對整個(gè)被切割體樹型組織結(jié)構(gòu)中的所有3DShape 成員執(zhí)行切割操作，BrowseOccurrence（）函數(shù)采用如圖9 所示的流程，通過遞歸調(diào)用的方法完成切割任務(wù)，并最終返回一個(gè)存儲(chǔ)CutBodyStruct類型結(jié)構(gòu)體的集合作為切割結(jié)果。流程如下:

圖9 BrowseOccurrence（）函數(shù)執(zhí)行流程Fig.9 Implementation process of Browse Occurrence（）function

（1）使用CATIPLMNavOccurrence 接口，以被切割體根節(jié)點(diǎn)物理產(chǎn)品的實(shí)例（Instance）為輸入?yún)?shù)，首先從該參數(shù)獲取所有子節(jié)點(diǎn)Instance，及與根節(jié)點(diǎn)直接相關(guān)的3DShape。

（2） 使 用 上 一 節(jié) 介 紹 的RecursionGetCutBodys（）函數(shù)，從 3DShape 中獲取待切割拓?fù)潴w的集合，放入OriCutBodyList當(dāng)中。

（3）分別在切割面數(shù)目和OriCutBodyList 集合數(shù)目范圍內(nèi)執(zhí)行循環(huán)，循環(huán)體內(nèi)，使用第i個(gè)切割面切割OriCutBodyList 集合中的第j個(gè)成員。切割結(jié)束后，更新OriCutBodyList 集合。在第i+1 次循環(huán)體當(dāng)中，切割對象變成第i 次循環(huán)生成的最新OriCutBodyList集合。

（4）依次以當(dāng)前根節(jié)點(diǎn)的所有子節(jié)點(diǎn)Instance 為輸入?yún)?shù)，遞歸調(diào)用BrowseOccurrence（）函數(shù)，當(dāng)某個(gè)子節(jié)點(diǎn)instance 不再包含子節(jié)點(diǎn)時(shí)，遞歸調(diào)用滿足終止條件。

5.2 CreateNewCutObjectProduct()函數(shù)生成代表切割結(jié)果的物理產(chǎn)品

對被切割體施加上一個(gè)小節(jié)介紹的BrowseOccurrence（）函數(shù)，可以生成一個(gè)以CutBodyStruct 類型結(jié)構(gòu)體集合代表的切割結(jié)果，但是集合中的每一個(gè)結(jié)構(gòu)體僅存儲(chǔ)了切割后的拓?fù)潴w，必須要將這些拓?fù)潴w轉(zhuǎn)換為特征并存儲(chǔ)在相應(yīng)的物理產(chǎn)品下才能作為真正的BIM交付物。

本小節(jié)介紹的CreateNewCutObjectProduct（）函數(shù)以集合中的一個(gè)CutBodyStruct類型結(jié)構(gòu)體作為輸入?yún)?shù)，處理方法是:

首先從輸入?yún)?shù)結(jié)構(gòu)體中抽取出spOccOnCurrentNode成員，使用CATAdpDuplicator接口的Duplicate（）方法，復(fù)制出一個(gè)新的物理產(chǎn)品的參考（Reference），采用復(fù)制的方法，能夠保證物理產(chǎn)品類型和屬性的一致性。再使用CATIPLMProducts接口的AddProduct（）方法，將復(fù)制結(jié)果添加到用戶選擇的目標(biāo)裝配體位置。

對于輸入?yún)?shù)結(jié)構(gòu)體中的BodyList 成員，使用 CATIMmiUseDatumFactory 接口的 Instanciate Datum（）方法，將拓?fù)潴w變成輕量化、不可編輯的的Datum 類型特征，并插入到復(fù)制后生成的物理產(chǎn)品中。

在結(jié)構(gòu)體集合范圍內(nèi)循環(huán)調(diào)用這個(gè)函數(shù)后，就能夠在目標(biāo)裝配體下生成與切割結(jié)果數(shù)目相應(yīng)的若干物理產(chǎn)品，并且每個(gè)物理產(chǎn)品中都包含相應(yīng)的特征結(jié)果。

6 結(jié) 論

本文介紹了一種通過達(dá)索/CAA 二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)橋墩BIM切割的工具。該切割工具的作用是將橋墩分節(jié)段澆筑導(dǎo)致BIM模型變化的主動(dòng)權(quán)交給施工單位，由施工單位根據(jù)現(xiàn)場具體情況快速、方便地修改模型。

本文繼而從“獲取切割面、被切割體、目標(biāo)位置”“遍歷、存儲(chǔ)被切割體”“生成切割結(jié)果并組裝至目標(biāo)位置”三個(gè)方面重點(diǎn)介紹了程序的開發(fā)策略和思路。

“獲取切割面、被切割體、目標(biāo)位置”，從本質(zhì)上就是用戶與程序界面的交互。在這個(gè)交互功能的實(shí)現(xiàn)中，借助Add-in 的方式添加工具條，并通過命令狀態(tài)（Command State）和代理（Agent）兩個(gè)關(guān)鍵元素來實(shí)現(xiàn)用戶與界面的交互響應(yīng)。

“遍歷、存儲(chǔ)被切割體”一節(jié)中，分析了被切割體所具有的一種復(fù)雜樹型組成結(jié)構(gòu)，RecursionGetCutBodys（）作為一個(gè)遞歸調(diào)用函數(shù)，以一個(gè)3DShape 作為輸入?yún)?shù)，獲取其中的被切割拓?fù)潴w，輸出并存儲(chǔ)于一個(gè)CATLISTP（CATBody）類型的集合中。

為了實(shí)現(xiàn)“生成切割結(jié)果并組裝至目標(biāo)位置”的目的，首先使用BrowseOccurrence（）函數(shù)，以被切割體根節(jié)點(diǎn)做為輸入?yún)?shù)，輸出一個(gè)用于存儲(chǔ)CutBodyStruct 類型結(jié)構(gòu)體的集合。本函數(shù)也是遞歸函數(shù)，當(dāng)根節(jié)點(diǎn)物理產(chǎn)品下仍然存在物理產(chǎn)品子節(jié)點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)對子節(jié)點(diǎn)施加本函數(shù)。最后，通過CreateNewCutObjectProduct （） 函 數(shù) ， 以CutBodyStruct 類型結(jié)構(gòu)體為輸入?yún)?shù)，生成可以代表切割結(jié)果的物理產(chǎn)品并插入目標(biāo)裝配位置。