基于CATIA V5工程圖的二次開發在水電工程圖中的應用

皮 漫,張 權

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司, 西安 710065)

0 前 言

CATIA是法國達索公司開發的產品，作為PLM協同解決方案的一個重要組成部分，它可以幫助制造廠商設計他們未來的產品，并支持從項目前期階段、具體的設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全部工業設計流程[1]。CATIA是達索公司針對工業產品設計而開發的軟件，當前，絕大部分工業產品的制造加工根據三維設計產品直接進行，無需出二維圖紙。所以CATIA工程圖模塊相比于其他模塊功能較弱[2]，水利水電工程采用二維圖紙施工建造仍然會在今后相當長的一段時間內是主要的產品交付方式。因此，針對水利水電設計的工程圖開發也是實現BIM技術在水利水電工程方面全面應用的必經之路。

CATIA V5是一款通用的三維設計軟件，工程圖設計模塊中缺乏水電工程相關圖紙修飾的功能，而工程師習慣用Auto CAD進行繪圖，在CATIA工程圖中進行繪制和Auto CAD操作完全不同，操作較慢。也因為如此，工程設計人員使用意向較低，所以需要開發出針對水電工程常用的工程圖設計工具，如支護標注、高程標尺、比例尺、其他圖例等功能，減少設計人員手動標注的工作量[3]。基于以上需求提出了CATIA工程圖開發任務，以提高設計出圖效率。

1 工程圖開發需求

CATIA V5工程圖模塊二次開發的難點：① 針對水工建筑物模型，提出一個系統性的解決方案，操作功能解決的問題要有普遍性，能解決常用的，需要反復操作頻率較高的功能性問題；② 軟件開發技術難度，CATIA的開發完全基于組件對象模型[4]。組件對象模型在1993年提出后，因為其支持二進制兼容，支持松散藕合式開發，一段時間一直認為是未來軟件開發的趨勢，但組件對象模型難以學習，隨著時間的推移軟件行業逐漸放棄了組件對象模型。CATIA是完全基于組件對象模型的，所以掌握組件對象模型就是首先要解決的問題[5]。

功能需求方面，通過總結各種水工設計圖(布置圖，開挖圖，體型圖)所需要的標注方法，在功能開發前，利用CATIA工程圖已有的功能進行二維出圖試驗，找出哪些工作需要反復操作，哪些工作需要計算或者通過模型來查詢，哪些視圖投影、剖切和剖視是無法直接完成或者無法順利完成。能使用CATIA自身的功能完成的，盡量采用CATIA自身的功能，能采用模板完成的，采用模板實現。機電專業材料統計可通過在機電環境字典文件中增加屬性值信息，建立相應帶屬性信息參數表的三維模型，并且制定相應的材料統計表生成式樣，配合二次開發的機電專業材料表統計工具，可以快速生成滿足專業需求的材料表統計，生成工作工程量及工程信息清單[6]。通過實踐應用，總結出以下需要開發的功能。

(1) 需要計算的功能：① 平面高程，立面高程;② 平行樁號，軸線樁號;③ 平面坡比，剖面坡比。及上述功能的自動更新功能。

(2) 需要查詢的功能：① 控制點坐標；② 構件名稱。

(3) 集成化功能：① 邊坡支護；② 襯砌支護。

(4) 缺陷修復功能：① 等高線文字標注功能；② 矢量填充功能。

(5) 擴展功能：① 區域覆蓋功能；② 圓角素線生成；③ 水工專業常用圖例；④ 材料統計表。

2 開發原理

CATIA工程圖模塊中的輪廓與三維模型關聯，各個部位均鏈接三維模型中的元素，在工程圖的標注中，會自動識別到三維模型中的元素。通過這個特點，在標注時可直接讀取三維模型中相應元素的空間幾何信息，實現自動計算[7]。

在工程圖中，為滿足基本的應用需要，一般要實現CATI2DGeoVisu、CATIEdit、IXBYUpdateObject接口等。CATI2DGeoVisu接口的用途是實現自定義特征對象的繪制功能；CATIEdit接口的用途是實現自定義特征對象的雙擊功能；IXBYUpdateObject接口的功能是實現對象的更新功能。實現了這些接口，工程圖的自定義特征就能運行在CATIA工程圖模塊中，如圖1所示。

圖1 工程圖修飾特征圖

例如：高程標注，標注二維圖中的輪廓高程。可直接讀取三維模型中元素的Z值，自動標注成文字，并與三維模型相互關聯，模型修改時，高程標注亦可自動更新。

樁號標注，采用相對位置計算。設置基準樁號，其余樁號可根據與基準樁號的水平位置及軸線距離實現自動計算標注。

平面坡比標注時，選擇輪廓可自動計算該輪廓所在非水平曲面與水平面的夾角，實現自動計算，且能關聯三維模型，實現自動更新。

控制點坐標生成表功能，根據三維模型中點的坐標以及點的名稱，批量自動完成圖面標注及坐標表生成。可大量節約人為標注及繪表時間，由于該功能可實現一鍵生成，未對其進行更新功能的開發。

支護標注，在二維圖標注中需要花費大量時間進行手繪。在三維模型中增加支護模型會增加模型重量，影響模型處理及瀏覽的效率。通過對支護標注的分門歸類，利用對話框模式的標注方法，將錨桿、排水孔、噴混凝土等圖例寫入到開發程序中，根據用戶需要進行選擇性批量標注，減少了人為繪圖時間[8]。

CATIA工程圖中的自定義填充采用圖片填充，填充樣式模糊，且無法打印，無法自定義矢量填充。通過對CATIA V5工程圖設計模塊二次開發，將各種材料的填充矢量圖形文件提前預設在開發程序中[9]。當賦予模型材料樣式時，實體模型的剖視材料即鏈接到程序中相應的矢量圖形文件，實現自動矢量化填充，滿足打印以及圖面質量需要。

CATIA尺寸標注雖然功能強大，但是標注樣式不滿足水電工程圖的標注。主要缺陷在于尺寸線無法統一長度，造成尺寸線長短不一，影響圖紙美觀。通過開發可以實現尺寸線自動對齊且長度相等，滿足圖面美觀需要。

CATIA模型精細化程度較高，部分機電模型文件體型龐大復雜精細，在水工專業出圖時，投影時間較長，對電腦配置要求高，大大影響出圖效率。針對這樣的問題，提出采用添加圖例來替換機電模型投影的方式提高出圖效率。提前自定義二維矢量圖例，出圖時調用相應圖例并修改比例。

3 布置設計

布置設計是利用CATIA的功能而提出的水工設計出圖整體解決方案。在實際三維設計過程中，需要調用大量模板進行組合設計，工程師的設計過程主要為組裝設計模板及修改模板參數[10]。模板的自動布爾運算，不需要工程師手動完成，程序根據構件的布爾特性會自動識別并進行相應操作。在現有操作過程中，大量的模板堆積會造成工程師選用困難，設計過程中可能會選錯模板造成設計錯誤。針對產品節點特性自動對模板進行分類，只顯示相關的單位工程或分部分項工程中的模板，可大大提高設計效率。

圖面標注是三維模型向工程圖轉化的必須工作，亦占據大量時間進行處理。其中尺寸標注無法自動完成，影響工程圖模板的使用效率。模型在運算前，它的拓撲關系比較明確，工程圖中的對象易于關聯到模型中的對象，視圖更新時，尺寸標注可隨模型更新而更新。布爾運算后，模型的拓撲關系會重新排序，模型修改時，拓撲關系會重新進行排序。建筑物定義的流程如圖2所示。未修改的模型部位會因為拓撲關系的混亂而斷開鏈接。需要手動修改標注，造成大量重復性工作。

圖2 建筑物定義的流程圖

采用布置設計，將尺寸標注在模板中，出圖時投影模板中的標注和布爾運算后的模型。模板的修改替換只影響修改部分的標注，對其他部位沒有影響。避免拓撲關系的混亂造成標注的鏈接斷裂[11]。

4 工程實踐

為驗證功能的穩定以及是否能滿足水電工程圖的要求，進行了大量的工程出圖實踐，以國外某在建項目的土建施工圖為對象進行了驗證。所有圖紙均能滿足施工要求，也能滿足國外咨詢工程師的審批要求。豐富的軸測圖也能使咨詢工程師以及施工人員快速理解設計圖紙[12]。

開挖圖是水電工程施工階段首先需要提供的圖紙，三維參數化設計能滿足快速變更需要。但缺乏水工專用標注工具，成圖過程中，需要人為計算標注，花費時間，也容易出現標注錯誤。軟件工具中全部為自動計算標注，標注準確且快速，包含了開挖圖中所有的標注，能大幅提高出圖效率。

圖中高程、樁號、坡比等標注實現了自動計算標注，點坐標標注及坐標生成實現了一鍵批量標注。

體型圖、分層分塊圖所包含的信息較多，利用三維模型出圖及標注工具可保證視圖及標注表達準確。產品的校審重心由圖紙轉變為模型，實現三維校審，滿足數字化交付。

經過各種視圖測試，可以完整將各種模型轉化為工程圖紙，可保證模型與圖紙表達保持一致。使BIM模型深化應用中CATIA工程圖轉化的瓶頸問題得以解決，也為“三維設計，二維出圖”實現設計與出圖分離提供了有利手段。

5 實現價值

CATIA提供了強大的視圖功能，完全可以滿足水電工程出圖中的視圖類型需要[13-15]。通過上述功能的開發應用，二維標注中的計算部分可由計算機自動完成，避免了人為失誤造成的質量錯誤。同時，CATIA的出圖標準實現了標注樣式統一化，實現了工程圖標準化，避免了人為設置標準，以及設計校核審查人員對圖面質量的爭論。

在傳統設計方式下，出圖完成才表示設計完成，而在三維設計方式下，三維模型設計完成即表示設計結束。利用開發完成的程序，實現自動計算標注，可減少人為思考過程。將計算等繁雜過程交給計算機完成，大大解放設計人員的雙手。工程師可從繁瑣的繪圖過程中解放出來，專注于工程設計優化，提高設計服務質量。