EICAD路线设计软件与3DExperience CATIA 平台交互数据接口程序.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：郑瓛（1989），男，汉族，湖北荆门人，硕士，高级工程师，研究方向为 BIM 技术、信息技术、市政工程。-83-EICAD 路线设计软件与 3DExperience CATIA 平台交互数据接口程序 郑 瓛 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092 摘要：摘要：在基于 BIM（Building Information Modeling）的道路三维设计领域中，EICAD 路线设计软件与 3DExperience CATIA 平台缺乏直接的数据交互方式，在设计过程中面临着数据传递和一致性维护等挑战。本文进行了针对3DExperience CATIA 平台的二次开发，开发了一个交互数据接口程序，用于实现 EICAD 和 3DExperience CATIA之间的数据交互。该接口程序具备功能强大的数据格式转换和传输机制，可以实现道路三维设计中的道路关键信息的交互。通过实验和评估，我们验证了该交互数据接口程序在 3DExperience CATIA 平台环境下的有效性和可靠性。关键词：关键词：BIM；道路三维设计；EICAD；CATIA 平台 中图分类号：中图分类号：TP311 1 EICAD 与 CATIA 技术原理及应用 1.1 EICAD 软件技术原理及应用 EICAD 软件是一款基于 AutoCAD 平台的集成交互式道路与立交设计工具，能够真正快速地访问 AutoCAD图形数据库，建立了图形数据的双向关联机制，实现全程尺寸和参数驱动机制，大大地提高设计效率1。EICAD 包括路线版、立交版两个版本，在平面设计、纵断面、横断面、互通立交设计中得到了广泛的应用。1.2 CATIA 平台技术原理及应用 3D Experience CATIA 平台是由达索公司开发的一款面向工程设计制造的数字化原型工具，集成了 CAD、CAM、CAE 等多种功能模块，可用于各种复杂产品的设计和制造，CATIA 平台应用广泛，包括航空、汽车、土木工程等多个领域2-4，CATIA 平台技术原理主要包括以下几个方面：（1）面向对象设计 CATIA 平台采用面向对象设计思想，将每个零件、装配体和产品作为对象来处理，通过对象之间的关联实现整体设计。同时，CATIA 平台还提供了基于特征、参数以及公差等约束的设计方法，能够有效地完成复杂产品的设计过程。（2）组件化架构 CATIA 平台采用组件化架构，将各个功能模块分为不同的组件，并通过接口连接起来。这使得 CATIA 平台可以灵活配置，用户可以根据需要选择安装不同的组件。（3）多阶段处理 CATIA 平台将设计与分析、制造、维护等过程相结合，并且采用多阶段的处理方式。这种方式使得每个阶段的设计结果可以直接作为下一阶段的输入，从而提高了效率和准确性。（4）结构化数据存储 CATIA 平台采用面向对象的数据结构进行存储和管理，每个对象都有独立的标识符，并且可以存储各种属性信息。这种方式使得数据可以高效地共享、复用和管理。CATIA 平台在土木工程领域的应用主要体现在桥梁、道路、隧道的设计和制造方面5-7，通过面向对象设计、组件化架构、多阶段处理和结构化数据存储等技术原理，实现了高效的 3D 建模、可视化仿真、结构分析和施工制图等功能，为设计者提供了强大的工具和支持，保证了桥梁、道路、隧道的稳定性、安全性和可持续性。2 EICAD 与 CATIA 平台交互意义 2.1 EICAD 二维道路设计软件现状 EICAD 软件提供了全面的二维道路设计功能，包括道路几何设计、交叉口设计、轮廓图和长剖面图生成、水平曲线和垂直曲线设计、设计清单生成等。但是在中国科技期刊数据库 工业 A-84-城市道路交通设计情况复杂、变化性较大，在三维设计应用方面还有待提升。由于 EICAD 以道路二维设计为主，其图元兼容性不便于多专业协同设计，存在一定的局限性8。2.2 EICAD 软件不足 EICAD 因具有较为完善的二维道路与立交设计功能，但自身的生产平台仍然为传统的 CAD 设计平台，存在一定的局限性，使用 EICAD 软件需要一定的专业背景和培训，对非专业人士而言，使用门槛较高。这可能需要用户花费更多时间和精力来学习和掌握软件的使用方法。相较于其他道路设计软件，EICAD 软件的可定制性较为有限。虽然它提供了一些自定义设置，但用户无法根据特定需求进行个性化配置和调整，这可能限制了一些用户的灵活性和创造力。尽管 EICAD软件具备基本的道路设计功能，但在某些方面可能相对不够全面和强大，因此基于 3DExperience CATIA 的二次开发可以很好的改善二三维路线数据的交互方式。3 EICAD 路线设计软件与 CATIA 平台交互数据接口的研究与实现 针对当下传统道路二维设计现状，结合具体需求，对 EICAD 进行二次开发，制作了 EICAD 路线设计软件与 CATIA 平台交互数据接口程序 3.1 开发工具以及思路 在本研究中，程序采用 Visual Studio 2019 作为开发平台，基于CAA开发框架用 C+语言进行开发。图 1 为 EICAD 路线数据转换程序的用户界面，其中图1（a）为 EICAD 输入对话框，图 1（b）为 EICAD 输出对话框。验证软件则采用 3D Experience CATIA 2023，借助 CATIA 的 API 读取相关数据，完成 EICAD 路线数据的转换。该程序主要分为 3 个模块：首先是输入模块，用于接收 EICAD 平曲线、竖曲线、地面线等设计文件。其次是数据转换模块，这是程序的核心部分，负责将输入数据进行解析和参数映射。最后是输出模块，导出数据的功能。3.2 EICAD 文件数据 EICAD 路线设计成果可导出为相应的文本文件进行存储和传递，其中包括积木法线元单元*.ICD 文件、交点设计*.JD 文件、桩号序列文件*.ST 文件、竖曲线*.SQX 文件、地面线*.DMX 文件等。（a）EICAD 输入对话框 （b）EICAD 输出对话框 图 1 EICAD 路线数据转换程序的用户界面 由于地面线与竖曲线相比竖曲线半径为 0，本文主要介绍生成平曲线的*.ICD文件和竖曲线的*.SQX文件。如图 2（a）所示，可以看出在 ICD 文件中，不同参数以逗号分隔，从左到右，第一个值用于标识线元类型，比如 1 和 2 代表直线和圆曲线，详见表 1；其余值则是描述该线元的参数数据，不同线元类型具有固定的数据排列格式。如图 2（c）所示，SQX 文件使用交点法表示竖曲线线元信息，因此文件内容只包括起终点和变坡点的桩号、高程以及竖曲线半径信息。当路线数据存在断链时，坚曲线桩号的表示方式改为“桩号_断链号”。中国科技期刊数据库 工业 A-85-表 1 ICD 文件线元类型 类别 线元类型 EICAD 第一列标识 平曲线 直线 1 圆曲线 2 完全缓和曲线（-R）3 完全缓和曲线（R-）4 不完全缓和曲线（R1-R2）5 不完全缓和曲线（R2-R1）6 竖曲线 直线 采用交点法表示曲线过渡默认为圆曲线 圆曲线 抛物线 （a）ICD 文件 （b）DMX 文件 （c）SQX 文件 图 2 EICAD 文件实例 3.3 算法要点 本研究开发需求主要包括获得路线的地面线信息创建“pDMCurve”;获得路线的平曲线信息创建“pHCurve”;获得路线的竖曲线信息创建“pVCurve”;最后依据“pHCurve”和“pVCurve”创建三维路线对象“p3DCurve”。基于积木法和交点法的路线设计思路大大简化了 EICAD 平竖曲线的文件数据，但采用了线元法的设计理念，才能使各个线元的参数表达更加完整，即每个线型单元可独立存在。因此在数据映射过程中，需要经过公式换算才能获得完整的线元属性值。重难点为缓和曲线的转换，缓和曲线的基本公式见式（1），经过推导可得出缓和曲线终点坐标9。2sALR （1）1saR l （2）1|sAR la （3）slkalR l （4）1sR lrkl （5）22022salTTlR l （6）02slR （7）592233.403456ssllxlR LR L （8）373 3.6336ssllyRlR l （9）中国科技期刊数据库 工业 A-86-式中：A：回旋线参数；Ls:缓和曲线长度；R:圆曲线半径；a:曲率变化率；k：曲率；r：曲率半径；：切线角；0：最大切线角；x、y：缓和曲线终点坐标。3.4 平面数据接口定义 该程序需定义的接口如表 2 所示。表 2 道路中心线接口定义 平曲线 竖曲线 3D SetRoadHCurveName SetRoadVCurveName SetRoad3DCurveName GetRoadHCurveName GetRoadVCurveName GetRoad3DCurveName SetRoadHCurveStartStation SetRoadVCurveType SetRoadStationLabel GetRoadHCurveStartStation GetRoadVCurveType GetRoadStationLabel SetRoadHCurveStartX SetRoadVCurveStartStation SetRoadStartPlaceName GetRoadHCurveStartX GetRoadVCurveStartStation GetRoadStartPlaceName SetRoadHCurveStartY SetRoadVCurveEndStation SetRoadEndPlaceName GetRoadHCurveStartY GetRoadVCurveEndStation GetRoadEndPlaceName SetRoadHCurveTransX SetRoadVCurveStartElevation SetRoadFunction GetRoadHCurveTransX GetRoadVCurveStartElevation GetRoadFunction SetRoadHCurveTransY SetRoadVCurveEndElevation SetRoadLevel GetRoadHCurveTransY GetRoadVCurveEndElevation GetRoadLevel SetRoadHCurveStartAzimuth SetRoadVCurveGradeChangePointStationList SetRoadDesignSpeed GetRoadHCurveStartAzimuth GetRoadVCurveGradeChangePointStationList GetRoadDesignSpeed SetRoadHCurveElementList SetRoadVCurveGradeChangePointElevationList SetRoadDesignLoadLevel GetRoadHCurveElementList GetRoadVCurveGradeChangePointElevationList GetRoadDesignLoadLevel SetRoadHCurveElementStartIndexList SetRoadVCurveGradeChangePointRadiusList SetHCurve GetRoadHCurveElementStartIndexList GetRoadVCurveGradeChangePointRadiusList GetHCurve SetVCurve GetVCurve 4 应用实例 为测试程序的有效性，依托 EICAD 设计的新湖南路设计文件对设计流程与二次开发的协同功能进行了验证，结果表明设计流程符合实际设计项目的设计要求，基于 3D Experience 2023X 二次开发能够在实际项目中起到数据协同交互的作用。4.1 路线模型 通过读取 EICAD 的*.ICD、*.SQX、*.DMX 文件，将数据传输至 CATIA 软件中，通过编写好的程序 CATIA读取并解析相关数据，自动创建平曲线、竖曲线、三维路线骨架轴线，创建骨架轴线如图 3 所示。（a）平曲线、道路 3D 线 （b）竖曲线 图 3 道路中心线骨架图 4.2 道路横断面 利用 EICAD 自有横断面导出功能，将道路横断面导出成 XML 数据文件,XML 数据如图 4 所示，CATIA读取 XML 文件并转换成横断面模板.4.3 道路超高模型 将 EICAD 项目中的超高模型文件传输至 CATIA 软件，结合已创建的道路中心线、道路横断面，可以生成选定范围内的道路超高模型。同时，CATIA 内置了公路路线设计规范和城市道路路线设计规范，可以直接调用。通过读取相关规范，可以自动计算超高模型的变化，超高模型如图 5 所示。图 4 XML 数据文件格式 中国科技期刊数据库 工业 A-87-图 5 道路超高模型图 5 结语 本文提出了一种基于 EICAD 路线设计软件与3DExperience CATIA 平台交互的方法，并通过剖析 EICAD 平竖曲线设计文件的线参数，设计并开发了 EICAD 路线数据转换程序，实现了道路设计相关数据一键导入至 CATIA 中并自动建模的功能。最终通过新湖南路项目的路线设计文件转换验证了路线数据交互方法 的 可 行 性。基 于EICAD路 线 设 计 软 件 与3DExperience CATIA 平台交互二次开发功能具有很好的实用性，突破了传统道路二维设计的单调性,实现了道路二、三维设计一体化，在设计过程中能够实现线形与结构专业之间的数据协同，加快结构专业的建模效率，增加线形图元的信息含量，可以减少信息在传递过程中的流失。参考文献 1袁帅.EICAD 路线拟合在工程中的应用J.林业科技情报,2015,47(02):108-109.2李井义,胡勇,俞峰等.以型线图为数据输入的 CATIA 船体建模方法J.中国舰船研究,2022,17(06):167-173.3胡建华,张天杨,汪冠宇等.基于 CATIA 的飞机壁板展开软件开发J.航空制造技术,2022,65(11):98-103.4刘全,游 川,王浩.基于 CATIA 二次 开发的 拱坝 施工单元 建模及属 性提 取 J.中 国农村 水利水电,2022(12):193-199.5 孙 辉,李 雍 友,程 振 庭 等.基 于 CATIA-BIM 的 钢 结 构 加 工 技 术 在 桥 梁 工 程 中 的 应 用 J.中 外 公路,2019,39(01):117-121.6毛寅睿,陈雨人,崔降龙.基于 CATIA 的道路交通 BIM 技术应用研究J.上海公路,2018(02):92-96.7秦海洋,汤永净,陈智远.基于 CATIA 的 BIM 技术在隧道设计中的应用J.重庆交通大学学报(自然科学版),2021,40(07):82-87.8王鹏飞.基于 EICAD 的互通立交线形设计及数据交互研究D.大连海事大学,2020.9 曹 炳 勇,施 新 欣.基 于 IFC4.1 标 准 的 EICAD 路 线 数 据 转 换 方 法 J.清 华 大 学 学 报(自 然 科 学版),2022,62(02):321-330.