0 引言

    PKPM系列CAD軟件是建筑工程領域中廣泛使用的軟件，很多建筑設計院都在利用成熟的CAD技術來設計鋼結構。國內外也開發了眾多的鋼結構CAD軟件，著名的Xsteel鋼結構軟件是集鋼結構分析、設計、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項目“工廠鋼結構CAD系統中的關鍵技術研究”也對鋼結構設計做了相應的研究。目前，所有的開發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）不能實現快速參數化建模；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數據交換。

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

1 術語定義

    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。若S中每根線左右相接并且每個節點的度為2（兩端節點除外），即SmSn，則稱S為主線鏈。主線鏈所對應生成的桿件實體稱為主件鏈。

2 三維鋼架建模思路及技術

    2.1 總體思路

    首先從AutoCAD系統的DXF文件中提取鋼結構中各節點坐標和屬性信息、各桿件的軸線及其截面類型等屬性信息供CATIA使用，然后研究鋼架結構軸線的拓撲關系，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，系統設計出了獲取數據的算法。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，最后用上述相應的數據模型來加以保存。

    2)極近點（線）處理。由于采用從AutoCAD讀取初始鋼結構模型數據的方法，而設計人員使用AutoCAD繪圖時經常會出現誤差，所以要對讀取進來的數據進行極近點（線）預處理，還原結構圖。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點處理。

    2.3 鋼架結構軸線關系建立及桿件端面關系的處理

    1)軸線關系的建立。軸線是鋼架結構設計及其桿件實體造型的最重要基礎。為了能快速進行實體建模，必須對鋼架結構的軸線之間關系進行分析、歸納、整理得到一般的規律。如圖1所示三種軸線關系：角平分關系、端接關系和側鄰關系。

    2)桿件端面處理。根據軸線關系定義分別對角平分、端接、側鄰關系采用平面平移旋轉法、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 鋼架結構三維建模

    1)桿件數據模型定義。對鋼架結構三維實體建模，首先要對桿件結構進行分析，再建立桿件數據模型。桿件由軸線、端節點、端截面、方位角等組成。根據桿件拓撲結構定義桿件的數據模型如圖2所示。

圖2 桿件數據模型

    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 鋼架結構三維實體模型的創建

    通過創建軸線的局部坐標系，并在該局部坐標系下通過截面參數的設置來確立型材截面，并根據實際需要調整方位角，從而快速創建符合要求的三維實體鋼架結構圖。實現算法如圖3所示。

圖3 鋼架結構三維實體模型的創建

3 系統框架及應用實例

    本系統是基于CATIA V5軟件為平臺進行開發，系統總體框架如圖4所示。

圖4 三維鋼架結構塊設計系統總體結構圖

    根據本項目的功能需求及特點，在對鋼結構進行模型研究的基礎上，本系統由四個核心模塊組成：數據文件讀取及處理模塊、對象（節點、軸線、桿件實體）生成模塊、對象編輯（對節點、軸線、桿件實體、方位角、型材類型等）模塊、自定義模塊。

    該系統以國家體育館頂點的鋼架結構進行驗證，達到了預期的效果。

    該系統的操作過程為：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、截面參數設定；6)桿件實體的生成(如圖Sb)所示）；7)鋼架結構的編輯。

圖5 國家體育館鋼結構三維軸線和實體模型

4 結語

    從AutoCAD保存的DXF文件讀取數據，并對AutoCAD繪圖產生的誤差進行相應的處理到CATIA內鋼架結構三維模型的快速創建，對鋼架結構進行了拓撲分析定義，歸納出軸線間關系類別及相應關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構設計系統，該系統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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本文標題：基于CATIA的三維鋼結構快速建模技術

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