基于CATIA V5工程图的二次开发在水电工程图中的应用

皮 漫,张 权

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司, 西安 710065)

0 前 言

CATIA是法国达索公司开发的产品，作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前期阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程[1]。CATIA是达索公司针对工业产品设计而开发的软件，当前，绝大部分工业产品的制造加工根据三维设计产品直接进行，无需出二维图纸。所以CATIA工程图模块相比于其他模块功能较弱[2]，水利水电工程采用二维图纸施工建造仍然会在今后相当长的一段时间内是主要的产品交付方式。因此，针对水利水电设计的工程图开发也是实现BIM技术在水利水电工程方面全面应用的必经之路。

CATIA V5是一款通用的三维设计软件，工程图设计模块中缺乏水电工程相关图纸修饰的功能，而工程师习惯用Auto CAD进行绘图，在CATIA工程图中进行绘制和Auto CAD操作完全不同，操作较慢。也因为如此，工程设计人员使用意向较低，所以需要开发出针对水电工程常用的工程图设计工具，如支护标注、高程标尺、比例尺、其他图例等功能，减少设计人员手动标注的工作量[3]。基于以上需求提出了CATIA工程图开发任务，以提高设计出图效率。

1 工程图开发需求

CATIA V5工程图模块二次开发的难点：① 针对水工建筑物模型，提出一个系统性的解决方案，操作功能解决的问题要有普遍性，能解决常用的，需要反复操作频率较高的功能性问题；② 软件开发技术难度，CATIA的开发完全基于组件对象模型[4]。组件对象模型在1993年提出后，因为其支持二进制兼容，支持松散藕合式开发，一段时间一直认为是未来软件开发的趋势，但组件对象模型难以学习，随着时间的推移软件行业逐渐放弃了组件对象模型。CATIA是完全基于组件对象模型的，所以掌握组件对象模型就是首先要解决的问题[5]。

功能需求方面，通过总结各种水工设计图(布置图，开挖图，体型图)所需要的标注方法，在功能开发前，利用CATIA工程图已有的功能进行二维出图试验，找出哪些工作需要反复操作，哪些工作需要计算或者通过模型来查询，哪些视图投影、剖切和剖视是无法直接完成或者无法顺利完成。能使用CATIA自身的功能完成的，尽量采用CATIA自身的功能，能采用模板完成的，采用模板实现。机电专业材料统计可通过在机电环境字典文件中增加属性值信息，建立相应带属性信息参数表的三维模型，并且制定相应的材料统计表生成式样，配合二次开发的机电专业材料表统计工具，可以快速生成满足专业需求的材料表统计，生成工作工程量及工程信息清单[6]。通过实践应用，总结出以下需要开发的功能。

(1) 需要计算的功能：① 平面高程，立面高程;② 平行桩号，轴线桩号;③ 平面坡比，剖面坡比。及上述功能的自动更新功能。

(2) 需要查询的功能：① 控制点坐标；② 构件名称。

(3) 集成化功能：① 边坡支护；② 衬砌支护。

(4) 缺陷修复功能：① 等高线文字标注功能；② 矢量填充功能。

(5) 扩展功能：① 区域覆盖功能；② 圆角素线生成；③ 水工专业常用图例；④ 材料统计表。

2 开发原理

CATIA工程图模块中的轮廓与三维模型关联，各个部位均链接三维模型中的元素，在工程图的标注中，会自动识别到三维模型中的元素。通过这个特点，在标注时可直接读取三维模型中相应元素的空间几何信息，实现自动计算[7]。

在工程图中，为满足基本的应用需要，一般要实现CATI2DGeoVisu、CATIEdit、IXBYUpdateObject接口等。CATI2DGeoVisu接口的用途是实现自定义特征对象的绘制功能；CATIEdit接口的用途是实现自定义特征对象的双击功能；IXBYUpdateObject接口的功能是实现对象的更新功能。实现了这些接口，工程图的自定义特征就能运行在CATIA工程图模块中，如图1所示。

图1 工程图修饰特征图

例如：高程标注，标注二维图中的轮廓高程。可直接读取三维模型中元素的Z值，自动标注成文字，并与三维模型相互关联，模型修改时，高程标注亦可自动更新。

桩号标注，采用相对位置计算。设置基准桩号，其余桩号可根据与基准桩号的水平位置及轴线距离实现自动计算标注。

平面坡比标注时，选择轮廓可自动计算该轮廓所在非水平曲面与水平面的夹角，实现自动计算，且能关联三维模型，实现自动更新。

控制点坐标生成表功能，根据三维模型中点的坐标以及点的名称，批量自动完成图面标注及坐标表生成。可大量节约人为标注及绘表时间，由于该功能可实现一键生成，未对其进行更新功能的开发。

支护标注，在二维图标注中需要花费大量时间进行手绘。在三维模型中增加支护模型会增加模型重量，影响模型处理及浏览的效率。通过对支护标注的分门归类，利用对话框模式的标注方法，将锚杆、排水孔、喷混凝土等图例写入到开发程序中，根据用户需要进行选择性批量标注，减少了人为绘图时间[8]。

CATIA工程图中的自定义填充采用图片填充，填充样式模糊，且无法打印，无法自定义矢量填充。通过对CATIA V5工程图设计模块二次开发，将各种材料的填充矢量图形文件提前预设在开发程序中[9]。当赋予模型材料样式时，实体模型的剖视材料即链接到程序中相应的矢量图形文件，实现自动矢量化填充，满足打印以及图面质量需要。

CATIA尺寸标注虽然功能强大，但是标注样式不满足水电工程图的标注。主要缺陷在于尺寸线无法统一长度，造成尺寸线长短不一，影响图纸美观。通过开发可以实现尺寸线自动对齐且长度相等，满足图面美观需要。

CATIA模型精细化程度较高，部分机电模型文件体型庞大复杂精细，在水工专业出图时，投影时间较长，对电脑配置要求高，大大影响出图效率。针对这样的问题，提出采用添加图例来替换机电模型投影的方式提高出图效率。提前自定义二维矢量图例，出图时调用相应图例并修改比例。

3 布置设计

布置设计是利用CATIA的功能而提出的水工设计出图整体解决方案。在实际三维设计过程中，需要调用大量模板进行组合设计，工程师的设计过程主要为组装设计模板及修改模板参数[10]。模板的自动布尔运算，不需要工程师手动完成，程序根据构件的布尔特性会自动识别并进行相应操作。在现有操作过程中，大量的模板堆积会造成工程师选用困难，设计过程中可能会选错模板造成设计错误。针对产品节点特性自动对模板进行分类，只显示相关的单位工程或分部分项工程中的模板，可大大提高设计效率。

图面标注是三维模型向工程图转化的必须工作，亦占据大量时间进行处理。其中尺寸标注无法自动完成，影响工程图模板的使用效率。模型在运算前，它的拓扑关系比较明确，工程图中的对象易于关联到模型中的对象，视图更新时，尺寸标注可随模型更新而更新。布尔运算后，模型的拓扑关系会重新排序，模型修改时，拓扑关系会重新进行排序。建筑物定义的流程如图2所示。未修改的模型部位会因为拓扑关系的混乱而断开链接。需要手动修改标注，造成大量重复性工作。

图2 建筑物定义的流程图

采用布置设计，将尺寸标注在模板中，出图时投影模板中的标注和布尔运算后的模型。模板的修改替换只影响修改部分的标注，对其他部位没有影响。避免拓扑关系的混乱造成标注的链接断裂[11]。

4 工程实践

为验证功能的稳定以及是否能满足水电工程图的要求，进行了大量的工程出图实践，以国外某在建项目的土建施工图为对象进行了验证。所有图纸均能满足施工要求，也能满足国外咨询工程师的审批要求。丰富的轴测图也能使咨询工程师以及施工人员快速理解设计图纸[12]。

开挖图是水电工程施工阶段首先需要提供的图纸，三维参数化设计能满足快速变更需要。但缺乏水工专用标注工具，成图过程中，需要人为计算标注，花费时间，也容易出现标注错误。软件工具中全部为自动计算标注，标注准确且快速，包含了开挖图中所有的标注，能大幅提高出图效率。

图中高程、桩号、坡比等标注实现了自动计算标注，点坐标标注及坐标生成实现了一键批量标注。

体型图、分层分块图所包含的信息较多，利用三维模型出图及标注工具可保证视图及标注表达准确。产品的校审重心由图纸转变为模型，实现三维校审，满足数字化交付。

经过各种视图测试，可以完整将各种模型转化为工程图纸，可保证模型与图纸表达保持一致。使BIM模型深化应用中CATIA工程图转化的瓶颈问题得以解决，也为“三维设计，二维出图”实现设计与出图分离提供了有利手段。

5 实现价值

CATIA提供了强大的视图功能，完全可以满足水电工程出图中的视图类型需要[13-15]。通过上述功能的开发应用，二维标注中的计算部分可由计算机自动完成，避免了人为失误造成的质量错误。同时，CATIA的出图标准实现了标注样式统一化，实现了工程图标准化，避免了人为设置标准，以及设计校核审查人员对图面质量的争论。

在传统设计方式下，出图完成才表示设计完成，而在三维设计方式下，三维模型设计完成即表示设计结束。利用开发完成的程序，实现自动计算标注，可减少人为思考过程。将计算等繁杂过程交给计算机完成，大大解放设计人员的双手。工程师可从繁琐的绘图过程中解放出来，专注于工程设计优化，提高设计服务质量。