基于Open Cascade和數據實體技術的數字化橋梁設計軟件

林述濤 王志艷 殷 玲 呂建鳴 任勝健

(交通運輸部公路科學研究院，北京 100191)

1 概述

隨著我國鐵路、公路等基礎設施建設的不斷加快，橋梁設計和建造的數量也在大幅提升，但現有的橋梁設計軟件系統計算與繪圖分離導致傳統的設計繪圖工作效率低下。因此，迫切需要設計繪圖一體化的軟件，提高效率，將更多的注意力集中在結構的優化設計上。

針對橋梁設計的特點以及行業存在的問題與需求，北京交科公路勘察設計研究院有限公司自主研發了“基于Open Cascade圖形技術和數據實體技術實現數字化橋梁設計軟件”。

Open CASCADE(簡稱OCC)平臺是由法國Matra Datavision公司開發的CAD/CAE/CAM軟件平臺，開源OCC對象庫是一個面向對象C++類庫，提供二維和三維幾何體的生成、顯示和分析，用于快速開發設計領域的專業應用程序。

本軟件正是基于Open Cascade這一平臺，采用目前工程CAD中較為前沿的技術——“數據變量驅動圖形設計技術”構建橋梁的三維信息模型，此模型不僅包含橋梁的三維幾何信息，而且溶入了對設計對象的實際工程意義、裝配關系、功能、材料等的描述，實現了設計繪圖軟件真正意義上的數字一體化。

2 圖形平臺簡介

目前國內交通行業繪圖軟件多數都沒有獨立的圖形平臺，大多是基于已有的CAD軟件進行二次開發，本項目采用具有自主知識產權的圖形平臺，并且保持與目前主流圖形平臺的兼容性。

本圖形平臺獨立于任何CAD平臺，不依賴于任何第三方軟件運行，如圖1所示。二維圖紙的生成為動態過程，用戶可以指定不同類的圖元在不同的層中，可以指定標注、文字等圖元的樣式，最大限度地降低圖紙的二次編輯工作量。生成的二維圖紙可以直接導出為DXF格式和DWG格式，圖紙中的文字樣式、標注樣式可以直接被AutoCAD識別，方便用戶進行二次編輯。

3 數據實體技術

在編寫數據庫類應用程序時，處理對象關系映射(O/R mapping)是一件很復雜的事情，就筆者的理解，數據實體(Data Entity)主要是數據庫數據(底層數據)向邏輯數據(用戶應用層數據)轉換的中間層，主要面向解決對象關系映射問題。在微軟的Visual Studio開發環境中，基于ADO.net可以自動形成數據實體，但是自動化的過程不能很好地滿足用戶自身需求。本文基于橋梁自身的特點，不斷摸索構建了自己的數據實體，并基于此數據實體構建了完善的橋梁數字模型。數據實體的位置及作用如圖2所示。

圖2 數據實體示意

4 數字化橋梁設計系統的主要功能及創新點

4.1 技術層次劃分

軟件的技術層次共分四層，分別為:表現層、交互層、數據層和基礎層，如圖3所示。表現層即為程序界面，并不僅僅就指模板，所有和表現相關的邏輯都應該被納入表現層的范疇。交互層包括數據庫交互和圖形平臺交互兩部分，向用戶提供對應用程序的交互性訪問。數據層包括OLE DB和圖形平臺，將具有相同特征的數據存儲在一起?；A層包括.Net FrameWork 3.5和C++運行庫，是提供和執行客戶端應用程序邏輯的工具。

圖3 總體設計圖

4.2 主要功能

本軟件的基本功能包括四個模塊:建模助手模塊、前處理模塊、計算模塊和繪圖模塊。如圖4所示。

4.2.1 建模助手模塊

建模助手模塊只需用戶輸入最必要的參數就可以自動生成模型，簡化建模過程，提高了建模效率。簡單三步完成建模:定義橋梁軸線線形;定義橋梁主梁截面;建立橋對象并設置參數變化。如圖5所示。

用建模助手建立的橋梁模型不僅僅是幾何模型，還支持圖形拾取，當選擇構件時，右側構件屬性窗口會列出構件屬性的通用數據、截面及材料信息，方便進一步校核和確認。

4.2.2 前處理模塊

前處理模塊，可通過DXF導入、GUI輸入和圖形交互三種方式輸入數據。通過DXF可以導入主梁、橋墩和預應力數據信息;GUI輸入同建模助手模塊中輸入的信息相似，包括主梁、橋墩、預應力、施工階段和使用階段信息，斜拉橋還包括拉索信息;圖形交互可輸入截面、模型和施工階段信息。整個建模過程力求簡潔、快速又不失細節。如圖6～圖8所示。

如果是基于以前的工程或者是AutoCAD圖紙進行建模，主模型的截面、橋面系單元、非橋面系單元和預應力筋均可以直接通過DXF文件導入，因此能夠快速生成計算模型。

如果是新建模型，建議利用Excel編輯數據，然后直接復制到本程序中，實現高效建模。本程序中的所有表格都可以與Excel進行交互。

程序使用非常簡單，直接按照“主界面-工作向導”提供的順序，建模、設計計算、繪圖即可。

4.2.3 計算模塊

計算模塊，由計算引擎、后處理和計算書三部分組成，其中后處理階段包括計算結果和按規范設計。計算引擎能夠分析設計目前規范中規定的常見橋型，計算效率高、計算結果準確。所有計算結果查看方便，顯示清晰形象。自動生成計算書并支持Word全功能編輯，能夠輸出目前常見的計算書格式，并方便用戶后期編輯，在保證計算結果與模型對應的基礎上，簡化了計算書的編寫工作，提高了設計效率。計算書如圖9所示。

4.2.4 繪圖模塊

繪圖模塊，軟件可以由計算模型自動繪制圖紙，包括預應力筋豎彎布置圖、預應力筋平彎布置圖、一般構造平面圖、一般構造立面圖和單元截面圖。如圖10所示。

自動根據計算模型繪制圖紙，將設計繪圖集成為一體，避免重復勞動，確保計算模型與圖紙的匹配，大幅提高設計效率。用戶只需輸入繪制圖紙的補充信息，本軟件可以根據計算模型自動生成圖紙，并支持自動更新。避免因繪圖重復建模，提高出圖的效率和準確率。繪圖模塊繪制的圖紙附帶完善的尺寸標注、材料數量表、附注等，輸出圖形的格式保持與目前主流圖形平臺兼容。

4.3 創新性

本軟件的創新性如下所示:

(1)具有獨立自主知識產權、功能豐富、開發高效的圖形平臺。目前國內交通行業繪圖軟件多數都沒有獨立的圖形平臺，大多是基于已有的CAD軟件進行二次開發，本項目采用具有自主知識產權的圖形平臺，并且保持與目前主流圖形平臺的兼容性。

(2)實現橋梁設計繪圖一體化，提供一站式設計全新體驗。自動根據計算模型繪制圖紙，將設計繪圖集成為一體，避免重復勞動，確保計算模型與圖紙的匹配，大幅提高設計效率。本軟件采用信息模型的概念，用戶首先建立的是包含所有工程信息的真三維模型，基于動態剖切技術二維圖紙的繪制過程是三維模型直接生成二維圖紙的自動化過程。

(3)智能化建模助手。利用建模助手用戶只需輸入設計概念中約束模型的必要參數就可以快速建立模型。與傳統的建模助手相比，用戶輸入的參數少，不借助任何第三方軟件，輸入模型的自由度較大。例如，一跨變截面連續箱梁，傳統軟件需要輸入起始截面以及中間的許多插值截面，而本軟件只需輸入起始截面，建模助手自動根據變化規律拉伸出模型，當然對于簡單變截面有的軟件也可通過起始截面自動拉伸生成模型，但對于復雜的變截面如截面的頂板、底板、腹板、總高、總寬等同時變化就不好實現自動拉伸了。

5 結束語

本軟件通過獨立的圖形平臺和先進的界面編程技術，使用戶的建模過程充滿了超乎想象的形象性、便捷性和高效性;數據庫存儲技術為用戶帶來了高效的數據存儲過程和穩定的數據存儲狀態;十幾年不斷完善的計算引擎為用戶帶來了準確可靠的計算結果;設計繪圖一體化為用戶帶來了橋梁設計的整體解決方案。在實際應用中，本軟件通過設計繪圖一體化的流程能夠顯著縮短單位橋梁的設計周期，在提高設計效率的同時也提高了設計質量。

本軟件于2010年10月份推出正式版，先后在單位內部、北京路橋通國際咨詢有限公司、北京公科固橋技術有限公司、北京新橋技術發展有限公司、中交公路規劃設計院有限公司、云南省交通規劃設計研究院等進行實際工程設計應用，得到橋梁設計者的普遍支持和認可，同時也獲得了許多改進建議，目前軟件已經升級到了2.0版本，更加貼合國內橋梁設計師的設計習慣，且軟件已獲得了“2011年北京市優秀工程勘察設計一等獎”和“二〇一一年度全國優秀工程勘察設計行業獎工程勘察設計計算機軟件一等獎”。

[1]高佐人，彭衛兵，呂建鳴.可設計重構的橋梁信息模型研究[J].公路交通科技(應用技術版)，2009，04.

[2]吳杰，高佐人，曾慧明.樹狀建筑工程設計重用模型[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2008，20.

[3]趙紅紅，李建成，王朔等.信息化建筑設計.中國建筑工業出版社，2005，10.

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