基于CATIA的三維鋼結(jié)構(gòu)快速建模技術(shù)

0 引言

    PKPM系列CAD軟件是建筑工程領(lǐng)域中廣泛使用的軟件，很多建筑設(shè)計院都在利用成熟的CAD技術(shù)來設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外也開發(fā)了眾多的鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件，著名的Xsteel鋼結(jié)構(gòu)軟件是集鋼結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計、制圖、制造于一體的CAE/CAD/CAM一體化軟件；中國科學院九五重點攻關(guān)項目“工廠鋼結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究”也對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計做了相應(yīng)的研究。目前，所有的開發(fā)都是基于二維底層軟件如AutoCAD等進行的，在實體建模方面存在以下不足：1）不能實現(xiàn)快速參數(shù)化建模；2）三維建模軟件和后期運動仿真、動畫渲染軟件之間無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

    基于以上原因，本系統(tǒng)使用三維實體造型功能強大CAD軟件CATIA V5為平臺，開發(fā)出既能將AutoCAD DXF數(shù)據(jù)準確讀取到CATIA中又能夠進行三維實體快速建模，為建筑領(lǐng)域現(xiàn)場施工工藝仿真模擬提供豐富的素材。

1 術(shù)語定義

    1)極近點（線）、極近點（線）集。

    在P(P1，P2，P3，…，Pn)的點（線）集合中，給定一個ε，如果任意兩點（線）之間滿足如下關(guān)系：‖Pi- Pj‖2<ε(其中，1≤i，j≤n，i≠j)，并且兩個這樣不同集合中的任意兩點（線）之間的距離遠大于ε，則稱P為極近點（線）集；極近點（線）集中包含的點稱為極近點（線）。

    2)主件鏈、主線鏈。

    設(shè)S=(S1，S2，S3，…，Sn)為一個線列，其度為n。其中，S1，S2，S3，…，Sn等為每根軸線；n為線列軸線的條數(shù)。若S中每根線左右相接并且每個節(jié)點的度為2（兩端節(jié)點除外），即SmSn，則稱S為主線鏈。主線鏈所對應(yīng)生成的桿件實體稱為主件鏈。

2 三維鋼架建模思路及技術(shù)

    2.1 總體思路

    首先從AutoCAD系統(tǒng)的DXF文件中提取鋼結(jié)構(gòu)中各節(jié)點坐標和屬性信息、各桿件的軸線及其截面類型等屬性信息供CATIA使用，然后研究鋼架結(jié)構(gòu)軸線的拓撲關(guān)系，最后完成鋼架建模。

    2.2 DFX文件的讀取及極近點（線）處理

    1)DFX文件的讀取算法。針對DXF文件，系統(tǒng)設(shè)計出了獲取數(shù)據(jù)的算法。首先讀取三維軸線模型的所有層，記錄層的名稱及顯示顏色的顏色索引，然后再讀取所有的軸線信息（包括軸線所在的層、端點坐標），并進行軸線局部坐標系的計算，最后用上述相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型來加以保存。

    2)極近點（線）處理。由于采用從AutoCAD讀取初始鋼結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)的方法，而設(shè)計人員使用AutoCAD繪圖時經(jīng)常會出現(xiàn)誤差，所以要對讀取進來的數(shù)據(jù)進行極近點（線）預處理，還原結(jié)構(gòu)圖。極近點（線）處理原則為：給定一個誤差ε→找出所有極近點集一節(jié)點處理。

    2.3 鋼架結(jié)構(gòu)軸線關(guān)系建立及桿件端面關(guān)系的處理

    1)軸線關(guān)系的建立。軸線是鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計及其桿件實體造型的最重要基礎(chǔ)。為了能快速進行實體建模，必須對鋼架結(jié)構(gòu)的軸線之間關(guān)系進行分析、歸納、整理得到一般的規(guī)律。如圖1所示三種軸線關(guān)系：角平分關(guān)系、端接關(guān)系和側(cè)鄰關(guān)系。

    2)桿件端面處理。根據(jù)軸線關(guān)系定義分別對角平分、端接、側(cè)鄰關(guān)系采用平面平移旋轉(zhuǎn)法、平面選取法、平面裁剪法進行端面處理。

圖1 軸線分類圖

    2.4 鋼架結(jié)構(gòu)三維建模

    1)桿件數(shù)據(jù)模型定義。對鋼架結(jié)構(gòu)三維實體建模，首先要對桿件結(jié)構(gòu)進行分析，再建立桿件數(shù)據(jù)模型。桿件由軸線、端節(jié)點、端截面、方位角等組成。根據(jù)桿件拓撲結(jié)構(gòu)定義桿件的數(shù)據(jù)模型如圖2所示。

圖2 桿件數(shù)據(jù)模型

    2)型材截面形式化表示。對一些常用型材如槽鋼、角鋼、方鋼、鋼管、工字鋼等的標準截面進行參數(shù)化形式表示，建立起型材庫，形式化表示為：SectionType(h，b，d，t)，其中，h，b，d分別為型材截面的高、寬、厚；t要視型材類型決定。比如鋼管Sylinder(h，t)，h為鋼管外徑；t為厚；其他為0。

    2.5 鋼架結(jié)構(gòu)三維實體模型的創(chuàng)建

    通過創(chuàng)建軸線的局部坐標系，并在該局部坐標系下通過截面參數(shù)的設(shè)置來確立型材截面，并根據(jù)實際需要調(diào)整方位角，從而快速創(chuàng)建符合要求的三維實體鋼架結(jié)構(gòu)圖。實現(xiàn)算法如圖3所示。

圖3 鋼架結(jié)構(gòu)三維實體模型的創(chuàng)建

3 系統(tǒng)框架及應(yīng)用實例

    本系統(tǒng)是基于CATIA V5軟件為平臺進行開發(fā)，系統(tǒng)總體框架如圖4所示。

圖4 三維鋼架結(jié)構(gòu)塊設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

    根據(jù)本項目的功能需求及特點，在對鋼結(jié)構(gòu)進行模型研究的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)由四個核心模塊組成：數(shù)據(jù)文件讀取及處理模塊、對象（節(jié)點、軸線、桿件實體）生成模塊、對象編輯（對節(jié)點、軸線、桿件實體、方位角、型材類型等）模塊、自定義模塊。

    該系統(tǒng)以國家體育館頂點的鋼架結(jié)構(gòu)進行驗證，達到了預期的效果。

    該系統(tǒng)的操作過程為：1)讀取三維軸線模型DXF文件；2)進行極近點（線）的處理；3)生成節(jié)點、軸線(如圖Sa)所示）；4)主線鏈的定義；5)截面型材類型選擇、截面參數(shù)設(shè)定；6)桿件實體的生成(如圖Sb)所示）；7)鋼架結(jié)構(gòu)的編輯。

圖5 國家體育館鋼結(jié)構(gòu)三維軸線和實體模型

4 結(jié)語

    從AutoCAD保存的DXF文件讀取數(shù)據(jù)，并對AutoCAD繪圖產(chǎn)生的誤差進行相應(yīng)的處理到CATIA內(nèi)鋼架結(jié)構(gòu)三維模型的快速創(chuàng)建，對鋼架結(jié)構(gòu)進行了拓撲分析定義，歸納出軸線間關(guān)系類別及相應(yīng)關(guān)系桿件之間端面的處理方式；在對鋼架建模過程中，提出了極限點、極限點集、層、主線鏈及主件鏈等概念。通過上述理論研究并研制出鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)能為建筑施工工藝仿真提供素材，在實際工程項目中具有一定意義與推廣價值。

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