基于CATIA的三维钢结构快速建模技术

0 引言

    PKPM系列CAD软件是建筑工程领域中广泛使用的软件，很多建筑设计院都在利用成熟的CAD技术来设计钢结构。国内外也开发了众多的钢结构CAD软件，著名的Xsteel钢结构软件是集钢结构分析、设计、制图、制造于一体的CAE/CAD/CAM一体化软件；中国科学院九五重点攻关项目“工厂钢结构CAD系统中的关键技术研究”也对钢结构设计做了相应的研究。目前，所有的开发都是基于二维底层软件如AutoCAD等进行的，在实体建模方面存在以下不足：1）不能实现快速参数化建模；2）三维建模软件和后期运动仿真、动画渲染软件之间无法实现数据交换。

    基于以上原因，本系统使用三维实体造型功能强大CAD软件CATIA V5为平台，开发出既能将AutoCAD DXF数据准确读取到CATIA中又能够进行三维实体快速建模，为建筑领域现场施工工艺仿真模拟提供丰富的素材。

1 术语定义

    1)极近点（线）、极近点（线）集。

    在P(P1，P2，P3，…，Pn)的点（线）集合中，给定一个ε，如果任意两点（线）之间满足如下关系：‖Pi- Pj‖2<ε(其中，1≤i，j≤n，i≠j)，并且两个这样不同集合中的任意两点（线）之间的距离远大于ε，则称P为极近点（线）集；极近点（线）集中包含的点称为极近点（线）。

    2)主件链、主线链。

    设S=(S1，S2，S3，…，Sn)为一个线列，其度为n。其中，S1，S2，S3，…，Sn等为每根轴线；n为线列轴线的条数。若S中每根线左右相接并且每个节点的度为2（两端节点除外），即SmSn，则称S为主线链。主线链所对应生成的杆件实体称为主件链。

2 三维钢架建模思路及技术

    2.1 总体思路

    首先从AutoCAD系统的DXF文件中提取钢结构中各节点坐标和属性信息、各杆件的轴线及其截面类型等属性信息供CATIA使用，然后研究钢架结构轴线的拓扑关系，最后完成钢架建模。

    2.2 DFX文件的读取及极近点（线）处理

    1)DFX文件的读取算法。针对DXF文件，系统设计出了获取数据的算法。首先读取三维轴线模型的所有层，记录层的名称及显示颜色的颜色索引，然后再读取所有的轴线信息（包括轴线所在的层、端点坐标），并进行轴线局部坐标系的计算，最后用上述相应的数据模型来加以保存。

    2)极近点（线）处理。由于采用从AutoCAD读取初始钢结构模型数据的方法，而设计人员使用AutoCAD绘图时经常会出现误差，所以要对读取进来的数据进行极近点（线）预处理，还原结构图。极近点（线）处理原则为：给定一个误差ε→找出所有极近点集一节点处理。

    2.3 钢架结构轴线关系建立及杆件端面关系的处理

    1)轴线关系的建立。轴线是钢架结构设计及其杆件实体造型的最重要基础。为了能快速进行实体建模，必须对钢架结构的轴线之间关系进行分析、归纳、整理得到一般的规律。如图1所示三种轴线关系：角平分关系、端接关系和侧邻关系。

    2)杆件端面处理。根据轴线关系定义分别对角平分、端接、侧邻关系采用平面平移旋转法、平面选取法、平面裁剪法进行端面处理。

图1 轴线分类图

    2.4 钢架结构三维建模

    1)杆件数据模型定义。对钢架结构三维实体建模，首先要对杆件结构进行分析，再建立杆件数据模型。杆件由轴线、端节点、端截面、方位角等组成。根据杆件拓扑结构定义杆件的数据模型如图2所示。

图2 杆件数据模型

    2)型材截面形式化表示。对一些常用型材如槽钢、角钢、方钢、钢管、工字钢等的标准截面进行参数化形式表示，建立起型材库，形式化表示为：SectionType(h，b，d，t)，其中，h，b，d分别为型材截面的高、宽、厚；t要视型材类型决定。比如钢管Sylinder(h，t)，h为钢管外径；t为厚；其他为0。

    2.5 钢架结构三维实体模型的创建

    通过创建轴线的局部坐标系，并在该局部坐标系下通过截面参数的设置来确立型材截面，并根据实际需要调整方位角，从而快速创建符合要求的三维实体钢架结构图。实现算法如图3所示。

图3 钢架结构三维实体模型的创建

3 系统框架及应用实例

    本系统是基于CATIA V5软件为平台进行开发，系统总体框架如图4所示。

图4 三维钢架结构块设计系统总体结构图

    根据本项目的功能需求及特点，在对钢结构进行模型研究的基础上，本系统由四个核心模块组成：数据文件读取及处理模块、对象（节点、轴线、杆件实体）生成模块、对象编辑（对节点、轴线、杆件实体、方位角、型材类型等）模块、自定义模块。

    该系统以国家体育馆顶点的钢架结构进行验证，达到了预期的效果。

    该系统的操作过程为：1)读取三维轴线模型DXF文件；2)进行极近点（线）的处理；3)生成节点、轴线(如图Sa)所示）；4)主线链的定义；5)截面型材类型选择、截面参数设定；6)杆件实体的生成(如图Sb)所示）；7)钢架结构的编辑。

图5 国家体育馆钢结构三维轴线和实体模型

4 结语

    从AutoCAD保存的DXF文件读取数据，并对AutoCAD绘图产生的误差进行相应的处理到CATIA内钢架结构三维模型的快速创建，对钢架结构进行了拓扑分析定义，归纳出轴线间关系类别及相应关系杆件之间端面的处理方式；在对钢架建模过程中，提出了极限点、极限点集、层、主线链及主件链等概念。通过上述理论研究并研制出钢架结构设计系统，该系统能为建筑施工工艺仿真提供素材，在实际工程项目中具有一定意义与推广价值。

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