论文部分内容阅读
摘 要：岩土工程的锚固系统中，锚杆结构形式众多，空间分布各异，导致了其设计过程烦琐复杂。为实现锚杆的快速布设，减少BIM设计过程中的重复性工作，提出了锚杆自动化布设方法。该方法依托于CATIA Automation，结合锚固系统特点，利用UDF+VSTA开发了锚杆自动化布置插件。以黑河黄藏寺水利枢纽工程某开挖面锚杆布设为例，验证了插件的有效性。编写的程序可以自动读取Excel文件中的设计参数，根据用户选择的锚杆类型与布设面实现锚杆的自动化布设，提升了锚固系统的设计质量与速度。
关键词：BIM设计;锚杆;CATIA Automation
中图分类号：TV222.1;TV223;U455.7+1
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.031
引用格式：杨立刚，蔺志刚，郑会春.基于CATIA Automation的锚杆自动化布设技术研究[J].人民黄河，2021，43（10）：157-160.
Abstract： In the anchoring system of geotechnical engineering， there are many types of structures and different spatial distributions of rock bolt， which lead to the complicated in BIM design process. In order to realize the rapid deployment of rock bolt and reduce the repetitive work in the BIM design process， an automatic rock bolt layout method was proposed. This method relied on CATIA Automation， combined with the characteristics of the anchoring system and developed an automatic rock bolt arrangement plug-in by using UDF+VSTA. Taking the bolt layout of excavation face of Huangzangsi Water Control Project on the Heihe River as an example， the effectiveness of the plug-in was verified. The program could automatically read the design parameters in the EXCEL file. According to the type and layout of the bolt selected by the user， it had realized the automatic layout of the rock bolt and improved the quality and speed of the BIM design of the anchor system.
Key words： BIM design; rock bolt; CATIA Automation
1 引 言
岩土锚固系统在基坑、边坡、隧道等工程中已经得到广泛应用[1]。锚杆支护不仅可以起到悬吊、组合梁和挤压加固的作用，而且能够与围岩相互作用形成具有一定强度的承载结构[2]。锚杆类型众多，空间分布各异，在其BIM建模過程中，需要重复对锚杆进行手工布置，费时费力且容易出错。在Revit设计软件上，刘兆新等[3]开发出一种能够实现隧道初期支护模型自动布设的插件，刘贝等[4]运用可视化编程软件Dynamo编辑生成隧道模型的程序，二者均可以提高Revit设计软件的隧道锚固系统建模效率。
现今，应用CATIA进行锚固系统的设计仍不成熟，因此笔者依托于CATIA Automation二次开发接口，研究应用自定义特征（UDF）+Visual Studio应用开发工具（Visual Studio Tools for Applications，简称VSTA）方法对CATIA进行二次开发，开发了针对锚固系统中锚杆的自动化布设插件。该插件可根据锚杆设计参数自动布设锚杆，极大减少了锚杆BIM设计过程中的重复性工作，提升了锚固系统的设计质量与速度。
2 CATIA二次开发
CATIA二次开发的方式主要有两种，即基于组件应用框架的CAA和基于自动化应用接口的Automation API[5]。其中CAA方法需要用户在RADE（Rapid Application Development Environment）环境下采用C++语言进行编程开发，该方法对开发技术要求较高，适用于专业软件开发人员，且系统维护复杂。因此，笔者采用基于自动化应用接口的Automation API进行锚杆自动化布设插件的开发。
CATIA将程序绝大多数的功能和方法都封装为符合Visual Studio.Net类规范的COM对象，通过对象丰富的API接口即可完成CATIA中绝大多数的功能和方法，加之可以通过录制宏的方式迅速获得功能的核心代码，因此CATIA Automation API的二次开发方式简单易学，适用于具有一定编程基础的工程设计人员。在CATIA Automation中，以对象驱动的模式封装了CATIA各项功能的API，其根对象是Application，并逐层分解为包含编辑器（Editor）、文件系统（FileSystem）以及视窗（Window）等对象在内的多级结构（见图1）。 通过VB.NET、C#以及Pyhton等多种编程语言均可以实现Automation API的调用与封装。考虑到开发的便捷性，在VSTA开发环境中采用VB.NET编程语言进行开发。
3 锚杆自动化布设方法
3.1 程序设计
结合锚固系统特点，锚杆自动化布设插件程序设计流程见图2。
3.2 创建锚杆自定义特征
锚杆构件是以钢筋混凝土为主体结构的杆件，以200 kN受拉承载力为界，可分为预应力锚杆和低预应力锚杆[6]，二者结构形式基本一致，其中预应力锚杆是将张拉力传递到稳定的或适宜的岩土体中的一种受拉杆件（体系），一般由锚头、锚杆自由段和锚杆锚固段构成。从构造上区分，预应力锚杆可分为拉力型、压力型、压力分散型、拉力分散型、后（重复）高压灌浆和可拆芯式锚杆。
结合以上几种常见的锚杆类型，通过CATIA的自定义特征（UDF）功能，创建各类型锚杆自定义特征库，并使用参数驱动Catalog管理自定义特征库。自定义特征可以封装锚杆模型的创建过程，并根据锚杆类型，生成不同的锚杆参数。图3、图4为工程中最常见的永久拉力型锚杆自定义特征及其部分输入参数，其中定位点位于台座下表面的锚杆中心处，定位面是台座下表面。
3.3 确定锚杆布设位置
通过一个空间定位点和空间定位面可以确定锚杆的布设位置[6]。根据工程实际情况，定位面为地形面或地形开挖面。定位点根据用户输入情况有以下几种确定方式：①根据用户输入的点群确定锚杆布设点;②根据用户输入的定位面、锚杆数自动计算锚杆布设点;③根据用户输入的定位面及其所需锚固力自动计算锚杆布设点;④根据用户输入的定位面、锚杆间排距自动计算锚杆布设点。在上述定位点的确定方式中，除方式①可直接确定定位点外，其余几种方式可归结为在面上确定点的位置。在VSTA开发环境中，利用VB.NET代码调用CATIA Automation创建点接口AddNewPointOnSurface（）和AddNewPointOnSurfaceWithReference（），实现定位点的自动布设。除此以外，《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》和《水利水电工程边坡设计规范》中提出了不同类型锚杆的布设间距要求。因此，在锚杆定位点的布设过程中还应根据锚杆类型确定锚杆的布设间距，利用VB.NET代码增设判断条件，保证锚杆布设满足规范要求。
3.4 锚杆实例化
锚杆实例化是锚杆自定义特征在项目中实例化的过程。以锚杆定位面、定位点为实例化的输入条件，将锚杆自定义特征在项目中批量实例化，实现锚杆的自动布设。用户通过CATIA自行调用锚杆自定义特征时，通过输入锚杆的定位点、定位面，即可完成单根锚杆的实例化。图5为锚杆实例化在CATIA中的界面。
在CATIA Automation中，InstanceFactory对象提供了实例化自定义特征的接口，包括以下两种方式。
（1）单次实例化。调用AddInstance（）可启动单次实例化过程，随后调用PutInput（）设置自定义特征的输入参数，即可实现自定义特征的单次实例化。当用户需要单次实例化自定义特征时，该方法较为便捷，且系统开销小于批量实例化方法的。
（2）批量实例化。在CATIA Automation中，批量实例化的方法更为常用。该方法由4个阶段、8个步骤组成，其中实例化循环由BeginInstantiate（）、PutInputData（）等5個步骤组成。当用户需要批量实例化自定义特征时，插件会自动调用该方法，并通过Excel数据获取锚杆设计参数，实现使用较小的系统开销完成锚杆的实例化过程。批量实例化流程见图6。
4 锚杆自动化布设插件的应用
以黑河黄藏寺水利枢纽工程某开挖面支护为例，说明锚杆自动化布设插件应用方法。工程右岸厂房边坡高程2 531 m到高程2 566 m处开挖面需使用锚索进行加固，设计成果如下：开挖面采用钢筋网喷混凝土衬砌和预应力锚索支护，开挖面需要锚固拉力共42 000 kN，拟采用1 000 kN拉力分散型无黏结锚索42根，具体设计参数见表1。
根据已知设计参数，在插件中选择“预应力”“永久拉力型锚杆”，将设计参数通过Excel文件形式载入到CATIA中，并在CATIA中选择锚杆布设面以及锚杆数量。参数设置完成后，点击“开始布设”按钮，插件会根据设置的参数，自动在锚杆布设面上生成锚杆。图7为锚杆布设情况。
5 结 语
笔者依托于CATIA Automation技术，结合锚固系统特点，利用UDF+VSTA开发出了锚杆自动化布设插件，并通过锚杆布设实例验证了该插件的有效性。其显著减少了锚杆布设过程中的重复性工作，提升了锚固系统的设计质量与速度。
参考文献：
[1] 程良奎.岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报，2001，34（3）：7-12，34.
[2] 苗国航.我国预应力岩土锚固技术的现状与发展[J].地质与勘探，2003，39（3）：91-94.
[3] 刘兆新，田斌华，陈元培，等.基于Revit的新奥法隧道初期支护构件参数化建模研究[J].隧道建设（中英文），2019，39（10）：1610-1619.
[4] 刘贝，周东明.基于Revit的隧道参数化建模研究[J].工程建设，2019，51（9）：23-28，47.
[5] 王陆，董甲甲，王小平，等.基于CATIA Automation API的工程制图二次开发[J].人民黄河，2011，33（5）：140-142.
[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范：GB 50086—2015[S].北京：中国计划出版社，2015：2-3.
【责任编辑 张华岩】
关键词：BIM设计;锚杆;CATIA Automation
中图分类号：TV222.1;TV223;U455.7+1
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.031
引用格式：杨立刚，蔺志刚，郑会春.基于CATIA Automation的锚杆自动化布设技术研究[J].人民黄河，2021，43（10）：157-160.
Abstract： In the anchoring system of geotechnical engineering， there are many types of structures and different spatial distributions of rock bolt， which lead to the complicated in BIM design process. In order to realize the rapid deployment of rock bolt and reduce the repetitive work in the BIM design process， an automatic rock bolt layout method was proposed. This method relied on CATIA Automation， combined with the characteristics of the anchoring system and developed an automatic rock bolt arrangement plug-in by using UDF+VSTA. Taking the bolt layout of excavation face of Huangzangsi Water Control Project on the Heihe River as an example， the effectiveness of the plug-in was verified. The program could automatically read the design parameters in the EXCEL file. According to the type and layout of the bolt selected by the user， it had realized the automatic layout of the rock bolt and improved the quality and speed of the BIM design of the anchor system.
Key words： BIM design; rock bolt; CATIA Automation
1 引 言
岩土锚固系统在基坑、边坡、隧道等工程中已经得到广泛应用[1]。锚杆支护不仅可以起到悬吊、组合梁和挤压加固的作用，而且能够与围岩相互作用形成具有一定强度的承载结构[2]。锚杆类型众多，空间分布各异，在其BIM建模過程中，需要重复对锚杆进行手工布置，费时费力且容易出错。在Revit设计软件上，刘兆新等[3]开发出一种能够实现隧道初期支护模型自动布设的插件，刘贝等[4]运用可视化编程软件Dynamo编辑生成隧道模型的程序，二者均可以提高Revit设计软件的隧道锚固系统建模效率。
现今，应用CATIA进行锚固系统的设计仍不成熟，因此笔者依托于CATIA Automation二次开发接口，研究应用自定义特征（UDF）+Visual Studio应用开发工具（Visual Studio Tools for Applications，简称VSTA）方法对CATIA进行二次开发，开发了针对锚固系统中锚杆的自动化布设插件。该插件可根据锚杆设计参数自动布设锚杆，极大减少了锚杆BIM设计过程中的重复性工作，提升了锚固系统的设计质量与速度。
2 CATIA二次开发
CATIA二次开发的方式主要有两种，即基于组件应用框架的CAA和基于自动化应用接口的Automation API[5]。其中CAA方法需要用户在RADE（Rapid Application Development Environment）环境下采用C++语言进行编程开发，该方法对开发技术要求较高，适用于专业软件开发人员，且系统维护复杂。因此，笔者采用基于自动化应用接口的Automation API进行锚杆自动化布设插件的开发。
CATIA将程序绝大多数的功能和方法都封装为符合Visual Studio.Net类规范的COM对象，通过对象丰富的API接口即可完成CATIA中绝大多数的功能和方法，加之可以通过录制宏的方式迅速获得功能的核心代码，因此CATIA Automation API的二次开发方式简单易学，适用于具有一定编程基础的工程设计人员。在CATIA Automation中，以对象驱动的模式封装了CATIA各项功能的API，其根对象是Application，并逐层分解为包含编辑器（Editor）、文件系统（FileSystem）以及视窗（Window）等对象在内的多级结构（见图1）。 通过VB.NET、C#以及Pyhton等多种编程语言均可以实现Automation API的调用与封装。考虑到开发的便捷性，在VSTA开发环境中采用VB.NET编程语言进行开发。
3 锚杆自动化布设方法
3.1 程序设计
结合锚固系统特点，锚杆自动化布设插件程序设计流程见图2。
3.2 创建锚杆自定义特征
锚杆构件是以钢筋混凝土为主体结构的杆件，以200 kN受拉承载力为界，可分为预应力锚杆和低预应力锚杆[6]，二者结构形式基本一致，其中预应力锚杆是将张拉力传递到稳定的或适宜的岩土体中的一种受拉杆件（体系），一般由锚头、锚杆自由段和锚杆锚固段构成。从构造上区分，预应力锚杆可分为拉力型、压力型、压力分散型、拉力分散型、后（重复）高压灌浆和可拆芯式锚杆。
结合以上几种常见的锚杆类型，通过CATIA的自定义特征（UDF）功能，创建各类型锚杆自定义特征库，并使用参数驱动Catalog管理自定义特征库。自定义特征可以封装锚杆模型的创建过程，并根据锚杆类型，生成不同的锚杆参数。图3、图4为工程中最常见的永久拉力型锚杆自定义特征及其部分输入参数，其中定位点位于台座下表面的锚杆中心处，定位面是台座下表面。
3.3 确定锚杆布设位置
通过一个空间定位点和空间定位面可以确定锚杆的布设位置[6]。根据工程实际情况，定位面为地形面或地形开挖面。定位点根据用户输入情况有以下几种确定方式：①根据用户输入的点群确定锚杆布设点;②根据用户输入的定位面、锚杆数自动计算锚杆布设点;③根据用户输入的定位面及其所需锚固力自动计算锚杆布设点;④根据用户输入的定位面、锚杆间排距自动计算锚杆布设点。在上述定位点的确定方式中，除方式①可直接确定定位点外，其余几种方式可归结为在面上确定点的位置。在VSTA开发环境中，利用VB.NET代码调用CATIA Automation创建点接口AddNewPointOnSurface（）和AddNewPointOnSurfaceWithReference（），实现定位点的自动布设。除此以外，《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》和《水利水电工程边坡设计规范》中提出了不同类型锚杆的布设间距要求。因此，在锚杆定位点的布设过程中还应根据锚杆类型确定锚杆的布设间距，利用VB.NET代码增设判断条件，保证锚杆布设满足规范要求。
3.4 锚杆实例化
锚杆实例化是锚杆自定义特征在项目中实例化的过程。以锚杆定位面、定位点为实例化的输入条件，将锚杆自定义特征在项目中批量实例化，实现锚杆的自动布设。用户通过CATIA自行调用锚杆自定义特征时，通过输入锚杆的定位点、定位面，即可完成单根锚杆的实例化。图5为锚杆实例化在CATIA中的界面。
在CATIA Automation中，InstanceFactory对象提供了实例化自定义特征的接口，包括以下两种方式。
（1）单次实例化。调用AddInstance（）可启动单次实例化过程，随后调用PutInput（）设置自定义特征的输入参数，即可实现自定义特征的单次实例化。当用户需要单次实例化自定义特征时，该方法较为便捷，且系统开销小于批量实例化方法的。
（2）批量实例化。在CATIA Automation中，批量实例化的方法更为常用。该方法由4个阶段、8个步骤组成，其中实例化循环由BeginInstantiate（）、PutInputData（）等5個步骤组成。当用户需要批量实例化自定义特征时，插件会自动调用该方法，并通过Excel数据获取锚杆设计参数，实现使用较小的系统开销完成锚杆的实例化过程。批量实例化流程见图6。
4 锚杆自动化布设插件的应用
以黑河黄藏寺水利枢纽工程某开挖面支护为例，说明锚杆自动化布设插件应用方法。工程右岸厂房边坡高程2 531 m到高程2 566 m处开挖面需使用锚索进行加固，设计成果如下：开挖面采用钢筋网喷混凝土衬砌和预应力锚索支护，开挖面需要锚固拉力共42 000 kN，拟采用1 000 kN拉力分散型无黏结锚索42根，具体设计参数见表1。
根据已知设计参数，在插件中选择“预应力”“永久拉力型锚杆”，将设计参数通过Excel文件形式载入到CATIA中，并在CATIA中选择锚杆布设面以及锚杆数量。参数设置完成后，点击“开始布设”按钮，插件会根据设置的参数，自动在锚杆布设面上生成锚杆。图7为锚杆布设情况。
5 结 语
笔者依托于CATIA Automation技术，结合锚固系统特点，利用UDF+VSTA开发出了锚杆自动化布设插件，并通过锚杆布设实例验证了该插件的有效性。其显著减少了锚杆布设过程中的重复性工作，提升了锚固系统的设计质量与速度。
参考文献：
[1] 程良奎.岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报，2001，34（3）：7-12，34.
[2] 苗国航.我国预应力岩土锚固技术的现状与发展[J].地质与勘探，2003，39（3）：91-94.
[3] 刘兆新，田斌华，陈元培，等.基于Revit的新奥法隧道初期支护构件参数化建模研究[J].隧道建设（中英文），2019，39（10）：1610-1619.
[4] 刘贝，周东明.基于Revit的隧道参数化建模研究[J].工程建设，2019，51（9）：23-28，47.
[5] 王陆，董甲甲，王小平，等.基于CATIA Automation API的工程制图二次开发[J].人民黄河，2011，33（5）：140-142.
[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范：GB 50086—2015[S].北京：中国计划出版社，2015：2-3.
【责任编辑 张华岩】