Tekla Structure欄桿建模插件參數化設計

鄧 凱

（中海福陸重工有限公司，廣東珠海519055）

0 引 言

當前浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）上部模塊模塊化設計和建造技術已得到廣泛應用，模塊上碳鋼或玻璃鋼材質的欄桿通常設計為標準結構［1］，建造方常用Tekla Structure軟件（以下簡稱Tekla）進行三維建模［2］，通常采用內置欄桿節點，根據設計方欄桿典型圖紙和欄桿布置圖紙進行細化建模。當內置節點不滿足需求時進行二次開發，但基于內置節點進行二次開發［3］無法擺脫內置節點的框架約束限制，開發之后節點功能存在局限性，很少能滿足生產項目的特定欄桿構造要求，造成建模存在速度慢、正確率低的問題。本文根據該軟件的應用程序接口（Application Program Interface，API）［4］，通過參數化編程開發，對欄桿參數進行分類和建模步驟封裝，簡化建模人員的操作，達到快速高效建模的目的。

1 技術背景說明

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目為例進行分析，模塊欄桿的設計以PIP STF05521 規范中的典型欄桿圖（見圖1）［5］為基準。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、立桿和踢腳板構成；可拆卸式欄桿是在固定式欄桿的基礎上，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角接頭，各組件的規格和相互間的定位距離有規定。

圖2 為該項目采用的欄桿典型圖，整體結構基于PIP STF05521 規范設計，但細節部分與其存在一定的差異，例如對角鋼規格、欄桿與安裝梁連接方式、定位距離和螺栓規格等進行了重新設計，特別是對欄桿相互垂直轉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），行人位于欄桿轉角外側，轉彎時可能會與轉角碰撞，因此設計轉角過渡處理，防止碰撞；欄桿相交成陰角，行人位于欄桿轉角的內側，不會與轉角碰撞，兩欄桿自然垂直即可。

圖2 項目采用的欄桿典型圖

1.2 Tekla內置欄桿節點分析

Tekla是鋼結構制造商廣泛使用的深化建模及出圖軟件，該軟件擁有多種國際規范的型材庫，可對零件進行切割等多種布爾操作。圖3 為Tekla內置編號為1024 的常用欄桿扶手節點。

圖3 Tekla內置編號為1024的常用欄桿扶手節點

該節點可自定義立桿水平距離、橫桿豎直距離、欄桿總長度、與連接梁的偏移量，以及橫桿、立桿、踢腳板的規格和材質等屬性。針對該項目，該節點存在以下限制：

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、螺栓連接板和長圓孔開孔；

4）不能處理欄桿垂直相交時項目的陰角和陽角的特殊要求。

因此，采用內置節點必然導致需將節點炸開之后進行修改模型工作，其能帶來的建模便利性非常有限，特別是不能滿足后3 點，導致無法在項目上直接使用，因此進行二次開發工作［6］，編制欄桿插件。圖4 為內置節點與插件建模效果對比。

圖4 內置節點與插件建模效果對比

2 欄桿插件參數化開發

2.1 Tekla開發環境及插件介紹

插件的開發語言為C＃，采用微軟Visual Studio作為集成開發環境［7］。為實現插件同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，開發人員可通過該接口實現調用Tekla的命令，進而實現建模等具體操作［8］。本文主要采用Takla提供的3 種動態鏈接庫（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）實體模型模塊將角鋼、扁鋼和螺栓等實體模型單獨封裝為一個模塊，定義其物理規格信息和材質信息，這樣做的目的有2 個：

（1）便于以后擴展實體模型，比如增加新的角鋼規格和新的材質等；

（2）分離實體模型和功能操作，降低兩者相互影響的程度，避免因實體模型改動導致相關功能操作的代碼大幅度改動。

3）功能操作模塊是核心模塊，實現具體的扶手、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應功能的“子程序”，并用實體模型作為子程序的傳遞參數，由此簡化代碼，實現代碼塊復用，形成模塊化程序設計，使后續擴展其他功能時降低對當前代碼的影響。

2.2 插件開發

插件開發面臨的核心問題有2 個：

1）尋找實體模型與程序模型的對應關系，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，進而實現操作實體模型。實體模型集合了欄桿中各種零件、零件的空間坐標及零件之間的切割關系，而程序模型是由Tekla DLL 提供的Beam、ContourPlate、Point和Boolean等“類”定義的。各種類內置的屬性和功能模擬了實體模型的特性，比如：Point類是定義一個點的三維坐標，1 根梁的起點和終點坐標只需Point 類的2 個實例即可定義；Boolean

類是定義一種三維體的布爾運算操作，切割和打孔操作可通過布爾差集運算完成；TransformationPlane類是定義一種坐標系變換矩陣，當需對零件操作時，可實現全局坐標系到零件局部坐標系的轉換，方便在零件上定位建模。［9］上述功能分別通過實體模型模塊和功能操作模塊實現。

2）尋找人工建模步驟中規律性強、重復性高和易錯的步驟，梳理并規范相關流程，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參數，本例中的輸入參數分為2 類：一類是完全依賴人工判斷的參數，這類參數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，判斷欄桿起點和終點的形式，以及選擇起點和終點輔助梁；另一類是半依賴人工判斷參數，這類參數具有一定的調整范圍，程序設置一個最低限度的默認數值，可接受人工輸入范圍內的任意數值，目的是允許欄桿建模時在許可范圍內修改，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、數量，螺栓連接板位置和厚度等均是固定的數值，不允許人工修改，作為程序的內置數據。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據的基礎上有規律地進行的，只需按項目的要求逐步完成即可，因此將這些步驟編制成程序進行自動處理，無需人工干預，從而發揮計算機運算速度快、準確度高的優勢，達到替代人工操作的目的。這些功能將通過功能操作模塊實現。

基于上述插件的設計思想，制訂程序邏輯流程圖（見圖6），并完成3 個模塊的編程和插件交互界面（見圖7）設計。窗體底部和右側的按鈕為建模人員必須人為判斷的完全依賴參數；中部深色背景框的參數為半依賴人工參數，建模人員可修改或選擇默認值，當超出允許范圍時，程序會提出錯誤警告進行糾錯提示；其余各類信息（如立桿規格、橫桿間距和踢腳板規格等）完全為程序內置數據，不能被建模人員修改。

圖7 插件的交互界面

插件運行之后，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。插件對需要建模人員判斷的數據和規律性步驟進行自動處理，使建模人員無需關注程序內部流程，僅關注輸入參數即可準確高效地完成建模工作。

3 結 語

欄桿插件參數化開發跳出了Tekla軟件內置節點的束縛框架，完全滿足項目的特殊要求；對各類參數和流程建立了處理邏輯，封裝了眾多固定數據和操作步驟，僅留出必要的供建模人員輸入的參數，大幅簡化了建模人員操作。該插件經過項目中總計長約3 000 m 的欄桿建模測試，準確度達到100%，效率是常規做法的5 ～6 倍，累計直接節約180 工時，間接節約了校審的工時，在項目建設中發揮了巨大作用。此外，相對于內置節點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行格式文件，而且可控制插件的使用壽命，定期分發新版，防止建模人員使用舊版，從而解決內置節點的問題。同時，插件具有良好的可擴展性，后續若有基于PIP STF05521 欄桿標準的項目，只需對插件進行部分針對性修改即可使用，無需重新編制。