建筑安裝工程施工圖設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

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1、引言
    隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建設(shè)步伐的加快，我國(guó)城市建筑工程已經(jīng)發(fā)展到大規(guī)模、多功能建筑項(xiàng)目大量投建的階段.建筑物的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，功能日趨完善，對(duì)建筑項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝工程設(shè)計(jì)的技術(shù)要求也越來(lái)越高.
    傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)和施工流程是從建筑設(shè)計(jì)開(kāi)始，結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而后，再由水、電、風(fēng)等各專(zhuān)業(yè)工程師完成專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，最后由施工部門(mén)按照?qǐng)D紙進(jìn)行施工.在這樣的設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，由于各專(zhuān)業(yè)工程師各自獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)過(guò)程中不可避免的出現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)之間的矛盾.
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，已使得建筑設(shè)計(jì)各專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)人員從繁雜的手工繪圖工作中解放出來(lái)，極大地提高了設(shè)計(jì)部門(mén)的工作效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了質(zhì)量.更進(jìn)一步的要求是利用計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)各設(shè)計(jì)部門(mén)的工作，管理工程設(shè)計(jì)資料，包括設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)的技術(shù)文檔，使工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)的一致性得到較好的保證，提高設(shè)計(jì)資料和圖紙的再利用性。
    本文就我們開(kāi)發(fā)的安裝工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行論述。
    2、系統(tǒng)概述
     2.1　系統(tǒng)的總體構(gòu)成
    安裝工程施工圖綜合設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)的主要目的是為了解決當(dāng)前建筑安裝工程中經(jīng)常出現(xiàn)的二維設(shè)計(jì)不直觀、設(shè)計(jì)圖紙不協(xié)調(diào)、施工圖設(shè)計(jì)階段圖紙綜合會(huì)審困難等問(wèn)題.傳統(tǒng)的方法是設(shè)計(jì)者憑借自己的三維思維能力在二維進(jìn)行設(shè)計(jì)，這使得設(shè)計(jì)工作很不直觀并且容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)錯(cuò)誤.各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)者各自獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)問(wèn)題不可避免.在各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)圖紙匯總后，要求設(shè)計(jì)人員和總圖人員人工發(fā)現(xiàn)和解決不協(xié)調(diào)問(wèn)題，這將耗費(fèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和安裝工程設(shè)計(jì)師大量時(shí)間和精力，影響工程進(jìn)度和質(zhì)量.同時(shí)，由于采用二維設(shè)計(jì)圖來(lái)進(jìn)行會(huì)審，人為的失誤在所難免，使施工出現(xiàn)返工現(xiàn)象，造成建設(shè)投資的極大浪費(fèi)，并且還會(huì)影響施工進(jìn)度。
    因此，安裝工程施工圖綜合設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：
    利用從建筑設(shè)計(jì)部門(mén)得到的二維建筑結(jié)構(gòu)圖，以建筑施工圖為依據(jù)，通過(guò)交互手段，拉伸生成三維的建筑層立面圖;
    以建筑施工圖為參考, 同時(shí)以二維的各安裝工程專(zhuān)業(yè)平面設(shè)計(jì)草圖為依據(jù)(若存在)，通過(guò)交互式操作手段，各個(gè)專(zhuān)業(yè)分別在三維空間進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和計(jì)算，生成各安裝工程子系統(tǒng)三維施工圖；
    由已有的各子系統(tǒng)管線圖生成三維的綜合管線圖;
    發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)的子系統(tǒng)內(nèi)和子系統(tǒng)之間的管線和部件之間的碰撞問(wèn)題；
    能夠自動(dòng)生成基本符合工程施工要求的二維施工平面圖;
    由生成的綜合管線圖進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì).
    管理已經(jīng)生成的二維、三維施工圖.
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    2.2　系統(tǒng)主要模塊介紹
    2.2.1　建筑三維施工圖生成模塊
    從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及水、風(fēng)、電等設(shè)計(jì)部門(mén)得到的設(shè)計(jì)底圖,可以得到樓層設(shè)計(jì)的平面圖.根據(jù)建筑物的平面圖和相應(yīng)的立面、剖面圖，依據(jù)樓層高度、樓層特點(diǎn)等信息，通過(guò)交互手段迅速地拉伸生成三維的建筑施工圖，在三維圖中能夠較為真實(shí)的表現(xiàn)出墻、柱、門(mén)、梁等的實(shí)際情況.生成的三維建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行綜合管線圖的會(huì)審時(shí)，將作為參照物，并且還需判斷各種管線是否會(huì)和建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞.作為管道集中布置的梁，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)都已經(jīng)預(yù)留了相應(yīng)的孔洞，梁的預(yù)留洞也作為施工圖會(huì)審的重要部分.
    2.2.2　安裝工程各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)三維施工圖生成模塊
    在安裝工程各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)三維施工圖的生成和編輯過(guò)程中，生成的三維管線圖所需要的管線如水管和部件(閥門(mén)、接頭等)，采用參數(shù)化圖庫(kù)的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，以便在施工圖中調(diào)用所需插入的管線和部件.根據(jù)各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的草圖中管線的位置、尺寸標(biāo)注、管徑、長(zhǎng)度等參數(shù)和部件的形狀，由用戶通過(guò)選擇（或輸入）相應(yīng)的形狀特征參數(shù)、空間定位參數(shù)、以及相關(guān)的材料類(lèi)型等，可自動(dòng)生成三維管線和部件實(shí)體.用戶采取交互設(shè)計(jì)手段，在各種管線和部件的編輯修改工作中，對(duì)實(shí)體進(jìn)行插入、拾取、編輯、刪除、替換和修改.
    2.2.3　碰撞檢查模塊
    綜合管線圖的碰撞檢查工作是對(duì)設(shè)計(jì)所得三維圖紙中的各種管線、部件之間，管線和梁之間，以及管線和墻、柱之間可能發(fā)生相互干擾現(xiàn)象進(jìn)行分析和檢測(cè).通過(guò)局部視圖的放大顯示，可以用人工觀察的方法粗略判斷綜合管線圖上是否會(huì)發(fā)生各種碰撞現(xiàn)象，但在管線密布、人工判斷比較困難的位置，CAD軟件系統(tǒng)的自動(dòng)分析和計(jì)算功能就成為必要的輔助手段.本軟件提供了一定的自動(dòng)進(jìn)行碰撞檢查計(jì)算功能、自動(dòng)進(jìn)行綜合管線圖的判交和合法性檢查計(jì)算，將有可能發(fā)生碰撞的區(qū)域以圖形方式標(biāo)示在三維設(shè)計(jì)空間中，提示設(shè)計(jì)人員對(duì)各種管線圖進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和修改.
    2.2.4　工程施工圖生成模塊
    由于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作是在三維空間中進(jìn)行的, 所得圖紙是以三維數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)的，而生成的安裝工程施工圖必須是符合工程規(guī)范的二維施工圖，才能提交施工單位具體使用.施工圖紙是以平面圖、立面圖、剖面圖的形式提交的.從三維模型出發(fā)，能夠以某種方式自動(dòng)生成盡可能符合施工要求的平面圖、立面圖、剖面圖, 再通過(guò)適當(dāng)?shù)娜斯ぽo助修改生成符合工程要求的二維施工圖.如何高效率地自動(dòng)生成符合工程規(guī)范的施工圖紙是本系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)之一.
    2.2.5　工程量統(tǒng)計(jì)模塊
    建筑安裝工程中的工程量計(jì)算在傳統(tǒng)的施工設(shè)計(jì)過(guò)程中是與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)分開(kāi)的，需要工程技術(shù)人員和預(yù)算決算人員進(jìn)行人工讀圖，從各種管線圖中統(tǒng)計(jì)所有的工程量.采用CAD技術(shù)，利用三維建模的方法，可以在設(shè)計(jì)階段，每當(dāng)插入各種管線部件圖時(shí)，就將各種管線工程量的相關(guān)參數(shù)代入，設(shè)計(jì)定型后可以進(jìn)行工程量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算.例如, 統(tǒng)計(jì)通風(fēng)管線圖時(shí)，可以根據(jù)三維風(fēng)管的類(lèi)型標(biāo)志，由數(shù)據(jù)庫(kù)取得風(fēng)管截面尺寸、材料參數(shù)等信息，由軟件進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算.各種管線的截面數(shù)據(jù)、管線長(zhǎng)度、管線接頭的具體參數(shù)是進(jìn)行工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù).采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，建立三維模型可以很好的避免在傳統(tǒng)的工程量計(jì)算中出現(xiàn)的各種人為因素造成的差錯(cuò)，并且能夠提高效率.隨著各種管線圖的修改，其工程量統(tǒng)計(jì)計(jì)算的結(jié)果也能隨時(shí)反映出來(lái)。
    3、二維施工圖的生成
     3.1　需求分析
　　(1) 由本系統(tǒng)生成的建筑施工圖、安裝工程設(shè)計(jì)圖均為三維實(shí)體，并用三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，而安裝工程施工所要求的是二維施工圖，因此必須由三維工程設(shè)計(jì)圖生成二維工程圖.
　　(2) 國(guó)標(biāo)建筑行業(yè)中對(duì)安裝工程的二維施工圖有詳細(xì)的規(guī)范，而對(duì)三維施工圖卻沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范.因此，本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)需要規(guī)定了一些利于三維設(shè)計(jì)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)件及常用件的三維形象.這些規(guī)范的目的是為了方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行三維設(shè)計(jì).生成二維圖時(shí)必須解決這兩個(gè)規(guī)范之間的相應(yīng)轉(zhuǎn)換，所得的二維圖必須符合安裝工程設(shè)計(jì)和施工規(guī)范.我們?cè)O(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的三維表示是比較直觀的實(shí)體，而二維表示是國(guó)標(biāo)規(guī)定的符號(hào).因此，生成二維工程圖時(shí)，必須用對(duì)應(yīng)的二維符號(hào)代替三維表示.
　　(3) 三維圖中的遮擋關(guān)系必須在二維圖中表示出來(lái)，因此，生成二維圖時(shí)必須進(jìn)行消隱.
     3.2　安裝工程二維施工圖特點(diǎn)分析
    通常，在一些應(yīng)用中，如機(jī)械設(shè)計(jì)中，三維圖與二維圖關(guān)系比較直接，在三維圖中通過(guò)設(shè)定某一視點(diǎn)所觀察到的視圖與由對(duì)應(yīng)于該視點(diǎn)的投影方向投影所得的二維圖一致.而在建筑安裝工程中，三維施工圖通過(guò)設(shè)定視點(diǎn)觀察到的視圖，與由對(duì)應(yīng)該視點(diǎn)的投影方向生成的二維圖區(qū)別較大.以水系統(tǒng)為例，水管的三維表示為圓柱體，而二維表示則為其中心軸線；而閥門(mén)的二維形象為國(guó)標(biāo)規(guī)定的符號(hào).并且不同的管線和部件的消隱要求也不同.仍以水系統(tǒng)為例，水管二維表示即其中心軸線不遮擋其它管線和部件.而閥門(mén)的二維形象則要遮擋其它的管線和部件.因此，安裝工程二維施工圖的生成不能采取直接投影的方式，而必須采取用二維形象代替三維形象并結(jié)合裁剪的方式.
　　表1描述建筑安裝工程中管線和部件的分類(lèi)、及其3D，2D形象和消隱要求.

表1　建筑安裝工程中管線和部件的分類(lèi)及其2D，3D形象和消隱要求

分類(lèi) 組　成 3D 2D 消隱要求 水管 各種上、下水及消防管道 圓柱體 polyline 不剪裁其它工件 水部件 各種水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)件.如閥門(mén) 合成實(shí)體 二維標(biāo)準(zhǔn)符號(hào) 剪裁其它工件 水接頭 各種形狀的接頭 合成實(shí)體 二維自定義符號(hào) 剪裁其它工件 風(fēng)管 各種通風(fēng)管道 方柱體 長(zhǎng)方形 剪裁其它工件 風(fēng)部件 各種風(fēng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)件.如風(fēng)口 合成實(shí)體 二維標(biāo)準(zhǔn)符號(hào) 剪裁其它工件 風(fēng)接頭 各種形狀的接頭.如三通 合成實(shí)體 二維自定義符號(hào) 剪裁其它工件 電管 各種管徑電工管道 圓柱體 polyline 不剪裁其它工件 電部件 各種電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)件 合成實(shí)體 二維標(biāo)準(zhǔn)符號(hào) 剪裁其它工件 電橋架 各種電系統(tǒng)橋架 方柱體 長(zhǎng)方體 剪裁其它工件

    本系統(tǒng)完成三維工程圖設(shè)計(jì)后，要進(jìn)行碰撞檢查，以保證各子系統(tǒng)內(nèi)及各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)間部件和管道之間已經(jīng)沒(méi)有碰撞關(guān)系，而只有簡(jiǎn)單的遮擋關(guān)系了，并且各子系統(tǒng)中大多數(shù)的管道及標(biāo)準(zhǔn)件均為水平和垂直方向.可以利用以上特點(diǎn)簡(jiǎn)化和加速二維工程圖生成.
    3.3　二維工程圖生成算法
    二維工程圖生成模塊負(fù)責(zé)平面圖、立面圖、剖面圖的生成.平面圖是建筑安裝工程所需的最主要的二維工程圖并且是生成立面圖和剖面圖的基礎(chǔ).立面圖和平面圖的區(qū)別只是觀察方向不同.剖面圖是先用剖面線選取某個(gè)范圍內(nèi)的實(shí)體，并對(duì)一些邊界實(shí)體進(jìn)行裁剪，然后調(diào)用立面圖生成模塊即可.因此生成平面圖是該模塊的核心.下面著重討論平面圖的生成.
　　要生成平面圖，首先對(duì)參加平面圖生成的各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)中的實(shí)體按消隱方向進(jìn)行深度排序，而后根據(jù)排得的順序在對(duì)應(yīng)的圖層上依z增加方向畫(huà)出各實(shí)體的二維形象，并根據(jù)實(shí)體的消隱特點(diǎn)用后生成的實(shí)體規(guī)定的裁剪輪廓裁剪已生成的實(shí)體，得到二維基本圖.而后再進(jìn)行一些手工修正，并加上適當(dāng)?shù)臉?biāo)注即可得到所需的二維工程圖.二維工程圖生成流程圖如圖2所示.

圖2　二維工程圖生成流程圖

(1) 排序方法
　　由于各系統(tǒng)中和各系統(tǒng)間實(shí)體的碰撞已經(jīng)消除，可定義各種實(shí)體參加排序的深度基準(zhǔn)如表2.

表2　各種實(shí)體參加排序的深度基準(zhǔn)

　　
　　根據(jù)安裝工程的特點(diǎn)，管線呈水平和垂直方向的占大多數(shù)，部件依據(jù)管道伸展方向，基本也為水平和垂直方向.可先對(duì)占大多數(shù)的水平和垂直實(shí)體根據(jù)深度基準(zhǔn)進(jìn)行排序，再對(duì)傾斜實(shí)體進(jìn)行排序，插入在它所遮擋的所有實(shí)體之后.
　　(2) 二維符號(hào)的定位
　　當(dāng)一個(gè)三維部件放置在三維施工圖中后，它對(duì)應(yīng)的二維符號(hào)在二維平面圖中所應(yīng)該放置的位置也是已經(jīng)唯一確定的，可以把這一位置對(duì)應(yīng)關(guān)系反映到三維符號(hào)和二維符號(hào)插入點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系上.在生成二維施工圖時(shí)，可以根據(jù)三維實(shí)體的插入點(diǎn)計(jì)算出二維符號(hào)插入點(diǎn)，并以該插入點(diǎn)為基準(zhǔn)生成二維符號(hào).

    4、結(jié)束語(yǔ)
    本文中所敘述的安裝工程施工圖綜合設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)是清華大學(xué)CAD中心與北京市住宅建設(shè)安裝公司協(xié)作開(kāi)發(fā)的.系統(tǒng)的原型已經(jīng)完成.二維工程圖生成模塊中的實(shí)體剪裁，垂直及水平實(shí)體的排序等都已完成.下一步工作的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)傾斜實(shí)體的插入排序及盡量減少對(duì)手工修改的需求.