基于CATIA V5的BIM在隧道衬砌模型设计中的应用研究
基于CATIA V5的BIM在隧道衬砌模型设计中的应用研究
高勇强1 陶泽远2
(1：重庆交通大学，重庆,400074；2：中国核电工程有限公司河北分公司，石家庄，050000)
摘要：随着隧道行业工程技术的快速发展，传统的建设方式已跟不上时代的步伐，而BIM技术的出现为隧道建设带来了新的革命。本文根据隧道衬砌的特点，选用BIM核心建模工具CATIA，基于该软件开放的数据接口，详细介绍CATIA二次开发功能的一般原理和方法规则，并进一步阐述基于CATIA的自动化对象编程技术(V5 Automation)开发过程。最后，本文通过VB编写一个简易的隧道衬砌智能化设计程序，快速在CATIA零件模块中生成衬砌三维模型，验证了二次开发对BIM技术的拓展和加强，扩宽BIM技术在隧道领域的应用范围。
关键词：BIM；CATIA；二次开发；隧道衬砌
中图分类号：TP391.72；TP311.52； 文献标志码：A
引言
近年来随着我国经济的不断发展，建筑工程领域中的工程项目越来越多，并且其规模一次次的刷新记录，然而这也带来了工程信息处理的问题。建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM），其概念是由多年前的一位美国学者提出，它主要强调以三维数字技术为基础，应用于工程三维设计建造管理的数据化工具，是对工程项目相关信息详尽的数字化表达。BIM 的实现将从根本上解决前期的规划、设计、中期的施工、后期的运营各阶段的信息断层问题，实现工程信息在全生命周期内的有效运用与监管，这能从根本上改变工程人员传统的设计方式，是消除信息断层这一弊病的重要手段之一[1]。
1 BIM在隧道工程的应用现状
纵观隧道工程的建设，是一个非常庞大的系统工程，从前期的线路选线、地质勘测，中期的设计、施工，再到后期的运营和维护都需要处理和利用大量的数据信息，但目前我国大部分隧道建设项目的各个参与方都是各自作业，信息交流闭塞，从而造成了大量的资源浪费，建设效率不高。例如，在现阶段隧道的设计中仍广泛的采用计算机辅助设计AutoCAD，虽然CAD代表人们基本上甩掉图板不再手绘图纸，但CAD存在一定的设计局限性：①各方的协同设计性能低，会使设计流程时间周期加长，同时造成信息资源共享程度不够高；②适应性差，若在工程项目中有出现了较小的变更，则图纸修改麻烦，甚至还有可能需要重新设计；③精细化程度低，尤其是在工程设计中若遇到复杂结构工点的设计，仅靠二维图纸是无法充分表达三维实体结构具体的信息；④设计资源重用性差，虽然参考图可以为设计人员重复利用，但具体结构工点设计的专业信息是无法被后续的设计所再次利用 [2]。
因此，基于上述原因将BIM应用与隧道工程设计是十分有必要的。然而隧道项目的各个参建方，对BIM技术使用的侧重点不尽相同。
（1）作为工程初期的参与者，设计企业可以使用BIM技术对隧道展开设计，通过建立隧道的实体模型进行结构分析、碰撞分析等；
（2）施工方通过BIM技术实行对工程的动态管理，并参考设计模型进行施工指导、工期预测、分析造价等，优化施工管理。
（3）后期的运营和维护也可通过BIM技术对设计模型提供的信息参考，模拟后期项目投入使用后会出现的相关问题，并针对这些问题采取措施等[2]。
2 隧道设计采用的BIM软件平台
2.1 Autodesk平台的应用
由欧特克（Autodesk）公司开发的系列软件，是BIM技术重点采用和推荐使用的，是BIM技术的重要支撑。该平台的包含的软件之多，所涉及的领域之广，例如：①REVIT，广泛应用于建筑工程建模，核心为族的建立和操作，广泛应用在建筑领域；②CIVIL 3D，为土木工程行业开发的三维建模软件，与地形结合紧密，通过沿线路扫掠截面建模，广泛应用在道路设计行业 [3]。因此，欧特克平台的BIM软件在我国被大力推广、学习和使用最多的。
2.2 Dassault平台的应用
由法国达索（Dassault）公司研发的系列软件，被广泛的应用在航空航天、汽车制造、机械设计等领域，该平台之所以能作为BIM的核心建模工作，是因为它能创建出复杂的三维实体模型，并用与仿真分析、模拟等，例如：①CATIA，可参数化建模，采用模板可快速建立同类不同位置的模型，常用于三维模型建立；②DELMIA，仿真模拟、资源优化，普遍应用在模型仿真；③SIMULIA，分析仿真，可进行有限元计算，广泛运用在模型分析。
2.3 隧道设计BIM平台的选择
从以上的对比研究中可以了解到，欧特克（Autodesk）平台的优势为应用范围广、软件全面、价格低廉；劣势为对异型结构的建模能力较弱、软件之间无缝互导尚未实现；达索(Dassault)平台的优势为建模能力强、软件之间基本互通[4]。综合考虑此次的研究内容，本文决定选用CATIA V5 软件作为隧道设计核心建模软件。
3 隧道设计所用的CATIA功能模块
CATIA V5中具有丰富的设计模块，能够满足各行各业各种复杂造型的设计 ，而在隧道三维模型的设计中常常用到以下几个功能模块：（1）零件设计模块，该模块通过草绘模式创建出三维实体的二维平面图（类似于AutoCAD设计），然后在三维空间中经过拉伸、凹槽、旋转、阵列等特征命令创建出三维零件模型；（2）装配设计模块，由于隧道包含了几十个结构模型，仅通过零件设计很难完成，因此可以通过在零件模块中设计出若干的子结构，而后在装配模块中将其组装起来，完成整体设计，类似于搭积木的过程，而设计的子结构可以将其参数化，为后续设计所利用；（3）工程图模块，可以将三维模型和二维图形关联起来；（4）地质模块（GSD，DSE），提供数字化数据的输入、清理组合和特征提取等功能，可直接依据地形点云数据的输入，生成地形网格面并快速的转成曲面，实现曲面重构形成三维地质模型。
不管软件工具的功能如何完善，都无法完全满足每个使用用户的习惯和侧重点。因此，对CATIA此类功能全面的工具进行二次开发显得尤为必要。CATIA二次开发的过程和意义可用图1来表示。通过第三方开发工具对CATIA进行二次开发，任何人都可以开发出具有针对个人习惯，或适用于本单位工作的特定模块，为提高工作效率和工作质量具有重要作用[5]。
图1 隧道BIM设计思路与CATIA二次开发流程
Fig 1 Routs of tunnel design base on BIM and process of CATIA secondary development
4 CATIA二次开发简介
4.1 CATIA二次开发的技术研究
二次开发是对软件的用户化和专业化的有效手段，它可以使软件更好地为用户服务，这对提高工作效率和改善工作水平有着十分重要的作用。因此，CATIA为用户提供了二次开发接口和开放式的内部命令集合，让用户、企业可以根据具体要求通过二次开发，提高工作质量。使用编制程序的方法来操作CATIA的对象有很多种不同的方式，如图2，第一种是对于程序和脚本来说，CATIA只是一个OLE(Object Linking and Embedding)自动化对象服务器，所以在进程内通过Visual Basic Scripting edition(VBScript)脚本或Visual Basic for Application（VBA）来访问CATIA；第二种在进程外通过OLE自动化对象来访问：①VB6.0；②office或其它类是程序的VBA脚本；③Windows script host及其他类似的VB script或Java script脚本；④任何能访问com对象的其它程序。
通过Visual C++对CATIA进行二次开发，可以编制灵活高效且功能全面的应用程序，然而C++需要用户具有较高的编程技术，对于一般人员入门相对较难。VB 则是一种包含协助开发环境的事件驱动编程语言，它源自于Basic,拥有图形用户界面(GUI)和快速应用程序开发(RAD)系统，使开发者能对各种功能一目了然 [7]。考虑CATIA本身可以通过宏录制来创建VBScript和VBA(Visual Basic for Application)两种脚本，所以本文采用VB语言来编制程序。
图2 CATIA二次开发方式
Fig.2 The methods of CATIA secondary development
4.2 Automation的应用研究
在CATIA V5 Automation中所有的数据都被封装成对象的形式，并形成树形结构，如图3所示。Application作为根对象，其中包含了的文档和窗口等属性，通过这些属性就可以访问CATIA中大部分的对象[8]。本文对CATIA二次开发的研究中主要涉及到CATIA的基本操作和零件文档（PartDocuments）下的各类属性和方法的操纵。CATIA的基本操作主要是通过几个API对CATIA进行文件操作，视图操作等。而零件操作主要是进行CATIA实体建模，如草图绘制(Sketches)、约束(Constraints)、实体(Bodies)等操作。
4.3 用VB对CATIA二次开发
事实上用VB编程是和进程内的VBA脚本编程是相同的，只是在用VB编程开始前要对CATIA类型库进行引用，步骤为“工程—>引用（Project—>Reference）”在弹出的引用对话框中勾选上所有有关CATIA的类型库并确定，如图4，然后再编写一段简易的代码打开并运行CATIA，语言内容如下[9]：
Dim CATIA As Object
On Error Resume Next
Set CATIA = GetObject(, "CATIA.Application")
‘如果CATIA启动，用GetObject连接到CATIA
If Err.Number <> 0 Then
Set CATIA = CreateObject("CATIA.Application")
‘如果CATIA没有运行，则先用Create Object启动CATIA
CATIA.Visible = True
End If
On Error GoTo 0
通过这段代码，程序即可对CATIA进行操作。
图3 CATIA V5 Automation Application 对象结构
Fig.3 The object structure of CATIA V5 Automation Application
5 隧道衬砌三维模型实例开发
在隧道结构设计中，无论是公路隧道还是铁路隧道都应作衬砌结构。隧道设计应综合考虑隧道围岩的地质条件、断面形状、支护结构、施工条件等，并应充分利用围岩的自承能力。衬砌应有足够的强度和稳定性，能保证隧道长期使用。根据隧道的使用要求和相关资料，衬砌的断面普遍采用两种断面形式，直墙式衬砌断面和曲墙式衬砌断面。
因此，根据上述材料本文将介绍使用VB6.0对CATIA V5R21进行二次开发，设计一个简易的隧道衬砌三维模型设计程序，该程序所要实现的功能是在用户通过相关资料的查看后已经得到了隧道衬砌的设计参数，然后用户只需要将这些参数输入就可以得到相应的三维模型。大大简化了设计步骤，使设计效率得到提高，并方便后续设计的使用和修改。设计步骤和所得的结果如下：
首先，进入VB6.0新建工程，然后使用相关控件设计出系统的开始窗体的界面，如图5所示。
点击开始按钮后，进入“隧道衬砌设计断面选择界面”，此界面包含了隧道衬砌断面设计的选择，和菜单选项，如图6所示。
用户需根据设计资料选择所要设计的断面形式，并进入该断面的设计界面，即直墙式衬砌（图7）和曲墙式衬砌（图8）。
隧道衬砌的设计主要通过VB编程来操作CATIA的绘图命令，如创建直线、圆弧、凸台和实体镜像等命令，实现模型的建立。
在隧道衬砌断面设计界面，用户只需将得到的设计参数输入到相应的文本框，然后就可开始创建衬砌。图9和图10为所得三维模型结果。
图4 VB工程引用CATIA类型库 图5 程序开始
Fig.4 The VB project quote CATIA type library Fig.5 The program start
图6 衬砌选择
Fig.6 Choosing tunnel lining
图7 直墙式衬砌设计
Fig.7 The upright wall lining design
图8 曲墙式衬砌设计
Fig.8 The curved wall lining design
图9 直墙式衬砌模型 图10 曲墙式衬砌模型
Fig.9 The model of upright wall lining Fig.10 The model of curved wall lining
图9和图10所展示的是隧道衬砌中最为基本和常用的两类模型，但在实际工程中隧道所处的地质条件十分复杂，常常采用复合式衬砌，通常复合式衬砌也是基于以上两类而建立的。由于复合式衬砌类型较多且断面形状不规则，如果要通过程序来完成模型的建立，则需要大量的数据资料来建立模型库，在设计过程中只需通过模型库的调用，便可完成复合式衬砌的建立，而本程序所能实现的功能相对较窄，只适用于地质条件较为单一、情况较好的地理环境。因此，本程序可作为一种隧道BIM设计的思路，可在以后的研究中不断建立更为完善的程序。
6 结束语
由于BIM技术在我国起步较晚，精通该设计理念的工程人员较少，大多工程领域都只是对BIM技术的应用做一些简单的研究，并没有普遍推广。本文简要的概述了BIM技术的使用及其优劣，并结合隧道设计的特点，选用BIM核心建模软件CATIA作为隧道三维设计的软件平台。另外，基于CATIA开放的数据接口，本文详细的阐述了对CATIA进行二次开发的方法和思路，并通过编制一个简要的隧道衬砌设计程序，展示了CATIA二次开发技术的优点以及强大的应用功能，同时也证明了BIM技术所涉及的技术领域十分广泛，能极大的提高工程项目的建设效率，优化设计方案，节约成本，提升运营维护的水平。因此，加快BIM技术在隧道建设领域的推广具有重要的意义。
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Application Research of BIM in the design of tunnel lining model based on CATIA V5
Gao Yong Qiang1 Tao Ze Yuan2
(1:Chong Qing Jiao Tong University, Chong Qing 400074,China;
2:China Nuclear Power Engineering Co.Ltd, Shi Jia Zhuang 050000,China)
Abstract: With the rapid development of tunnel engineering technology, the traditional construction methods can’t keep up with the pace of the times. However, the emergence of BIM technology has brought a new revolution in the tunnel construction. In the paper, according to the characteristics of tunnel lining, it chooses BIM essential modeling tool CATIA and describes the general theory and rule of CATIA secondary development function in detail on the basis of open data interface of software. What is more, it further elaborates the development process of automation object programming based on CATIA. In the end, a simple tunnel lining intelligent design program written by VB, which can rapidly generate a lining 3D model in the CATIA part module, then verify that the secondary development expand and enhance the BIM Technology, and broaden the application of BIM Technology in the tunnel field.
Keywords: BIM; CATIA; Secondary development; Tunnel lining
基于CATIA V5的BIM在隧道衬砌模型设计中的应用研究.doc
