基于CATIA 高级知识工程在BIM 桥梁钢筋建模中的应用

刘飞虎

(成都希盟泰克科技发展有限公司，成都 610041)

1 概述

达索CATIA V5 系统是航空、汽车、机械及建筑等领域应用比较广泛的CAD/CAM/CAE 软件系统，其高级知识工程功能在国家体育场之鸟巢、水电工程之锦屏一级水电站、航天工程之波音飞机等都得到了很好的应用。桥梁是跨越天然或人工障碍物而修建的建筑物，目前其二维图纸是桥梁专业的习惯交付成果，二维出图方式与建筑业相比更为复杂，加之桥梁设计与线路、地形和地质结合紧密，很多地方二维图纸表达方式更为明晰［1］。但是随着科学技术的发展，在桥梁施工方面，传统的二维图纸表达已经很难满足工程单位对桥梁建造质量、施工安全以及后期运维管理的需要;工程单位将充分利用电子计算机进行经济有效的管理，在施工技术中，将不断引用新技术和高效率、高功能的机具设备，借以提高质量、缩短工期、降低造价［2］。

要利用三维的方式将其表达清晰，表达更为形象，并为建模信息模型(Building Information Modeling，BIM)提供更多的可取信息，更加要取决于三维建模的方式。当然同多数计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)产品一样，通过编程访问CATIA(Computer-Aided Three-dimensional Interactive Application)对象利用进程外的脚本，在CATIA 运行的情况下，外部程序可以通过操纵CATIA，创建、修改CATIA 环境和几何形体的数据来达到同一类型数据快速创建［3］;但这一方法对于不精通编程语言的设计人员来讲是比较困难的，CATIA 内嵌的PKT语言便可提供更加方便、快捷的创建方法。

2 CATIA 高级知识工程技术

CATIA 产品知识模板(Product Knowledge Template，PKT)允许用户方便的和交互式的捕捉工程技术方法，以进行高效的重用。PKT 帮助企业共享最佳经验，避免因为现有设计太复杂或难以理解，而无法重现的设计所带来的重复性劳动。不需要技能方面的编程资源，就可以实现上述功能，这样就确保了企业中所有工程师都能参与到知识工程和捕捉中来。

对工作在扩展供应链中的企业而言，这将使他们能在不开放设计方法和规则内部的智力资产的前提下，将设计数据传递给合作伙伴，而合作伙伴还能利用到这些内在的知识。PKT 允许交互式创建特征、零件和装配模板，这些模板中包含几何描述、关联的参数和关系，以备相关重用［4］。

3 钢筋建模流程

为更加明确钢筋创建过程，本文提出以下钢筋创建流程(见图1)。根据钢筋创建流程，在创建或引用桥墩三维模型的骨架后，即可根据骨架创建各类钢筋。创建某一型号钢筋，需要针对这一型号钢筋大样进行钢筋轮廓设计，设计出该钢筋的用户特征;在设计用户过程中，需要条理清晰，设计意图明确，用最稳定、最简单的输入条件创建出用户特征;在定义用户特征时需要定义好该钢筋的型号标识，输出该钢筋的形状轮廓及主要构件参数，便于后续PKT 语言调用该钢筋用户特征来生成钢筋，更改钢筋形状轮廓或构建参数。

图1 钢筋建模流程图

4 项目实例

以某号桥墩墩身顶部钢筋创建为例，钢筋的种类达30 余类，钢筋总数在数万级以上，利用普通的三维建模方式非常耗时耗力，而且普通计算机难以承受这种建模结果;利用CATIA 高级知识工程可顺利解决这一建模问题，并且针对这些数量巨大的钢筋只需一个模板，根据需要改变其形状轮廓和钢筋构建参数即可快速创建结构复杂桥墩内不同型号的钢筋。

4.1 钢筋骨架

CATIA 骨架设计是指对设计产品进行充分理解和分解后，结合产品设计流程运用主要线框控制元素对整个产品结构进行有效的总体控制，形成类似树干状的控制结构，并建立有效的参数信息传递框架及设计方法。将已建立的骨架模型中的草图、设计基准、几何特征、相关参考等参考发布并复制到各零部件的设计中，这样就可以将骨架模型中的信息共享到零部件中，从而实现各零部件设计所需的设计基准等参考信息均来自同一个骨架模型［5］。要创建墩身顶部钢筋，可以根据该桥墩截面图(见图3、图4)以及三维桥墩实体来确定钢筋的骨架(见图5)。在此过程中，注意钢筋创建后与墩身最外层净保护层的厚度需满足设计要求。

图3 某桥墩半正身截面图

图4 截面图

图5 桥墩钢筋墩顶骨架图

图6 钢筋大样示意图

图7 某型号钢筋用户特征示意图

图8 某型号钢筋三维模型图

3.2 钢筋用户特征

CATIA 产品知识模板将设计知识集成到创建的特征、零件、装配模板中，通过使用正确的输入和几何参照对参数进行修改，能很好地适应各种需求，快速完成重复设计工作［6］。

在钢筋骨架确定后，即可创建各型号钢筋。根据桥墩钢筋布置图中该部位的钢筋大样(见图6)，结合钢筋骨架创建钢筋的用户特征(见图7);在创建用户特征过程中，需明确设计目标以及简化用户特征的输入条件，根据定义钢筋骨架的基础上合理创建本钢筋大样的用户特征。

3.3 CATIA 知识工程语句及钢筋构建成果

结合钢筋骨架以及钢筋用户特征，参照桥墩钢筋布置图编写该类钢筋的PKT 执行语句如下文所示。在编写调用钢筋用户特征语句过程中，要明确该类钢筋的型号标识和生成后在CATIA 模型树上放置的位置;完成各类钢筋的用户特征后，分别执行对应的PKT 语句，生成该桥墩顶部钢筋的三维模型(见图8)。

PKT 执行语句:

let i(Integer)——(定义变量)

let L1(list)——(定义变量)

let L2(list)——(定义变量)

let UDF(DBGJ21)——(定义变量)

i=1

L1=`DBGJ21 参考 DPoint` -＞Query("Point"，"")

L2=`DBGJ21 参考 TPoint` -＞Query("Point"，"")

for i while i ＜=L1 -＞Size()——(定义循环)

{

UDF=CreateOrModifyTemplate("DBGJ21"，`DBGJ21 -3`，`关系DBGJ21 -3列表.6`，i)

UDF.SPoint=L1 -＞GetItem(i)——(定义用户特征输入条件)

UDF.EPoint=L2 -＞GetItem(i)——(定义用户特征输入条件)

UDF.Name="DBGJ21"——(定义用户特征创建结果名称)

UDF.Color="Blue"——(定义用户特征创建结果颜色)

EndModifyTemplate(UDF)——(结束调用用户特征)

}

4 结语

本文结合工程实例中桥墩钢筋模型的创建积极探索了CATIA 高级知识工程在BIM 桥梁中的应用，结果表明CATIA 高级知识工程有效地解决形状类似、数量较多的三维模型的创建，形成了一套对不定数量的对象设计进行特征自动构建的设计方法，可以良好地为BIM 技术研究及应用提供重要的基础信息。当然是用这个设计方法可以快速构建特征，如何来利用创建出来的特征以及统计这些特征的某些属性(如:数量、重量、长度、类型等信息)在BIM 技术中实现价值还得深入研究。

［1］杨咏漪，刘发明，孙大力.地铁高架桥梁BIM 应用研究［J］.铁路技术创新，2014(2):79-82.

［2］高兴元.桥梁工程［M］.天津:天津大学出版社，2010.

［3］周桂生，陆文龙.CATIA 二次开发技术研究与应用［J］.机械设计与制造，2003，22(1):16-18.

［4］Dassault Systems.CATIA Documentation［EB/OL］.http://catiadoc.free.fr/online/CATIA_P3_default.htm，2004-12-18/2015-03-20.

［5］王进丰，李小帅，傅尤主.CATIA 软件在水电工程三维协同设计中的应用［J］.人民长江，2009，40(4):68-70.

［6］沈国焱.达索系统水利水电工程设计行业整体解决方案［R］.成都:成都希盟泰克科技发展有限公司，2009.