建筑安裝工程施工圖設(shè)計與管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

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1、引言
    隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和城市建設(shè)步伐的加快，我國城市建筑工程已經(jīng)發(fā)展到大規(guī)模、多功能建筑項目大量投建的階段.建筑物的結(jié)構(gòu)日益復雜，功能日趨完善，對建筑項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝工程設(shè)計的技術(shù)要求也越來越高.
    傳統(tǒng)的建筑設(shè)計和施工流程是從建筑設(shè)計開始，結(jié)構(gòu)工程師進行建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而后，再由水、電、風等各專業(yè)工程師完成專業(yè)設(shè)計，最后由施工部門按照圖紙進行施工.在這樣的設(shè)計、施工過程中，由于各專業(yè)工程師各自獨立進行設(shè)計, 設(shè)計過程中不可避免的出現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計之間的矛盾.
    隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和計算機輔助設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，已使得建筑設(shè)計各專業(yè)的設(shè)計人員從繁雜的手工繪圖工作中解放出來，極大地提高了設(shè)計部門的工作效率，縮短了設(shè)計周期，提高了質(zhì)量.更進一步的要求是利用計算機協(xié)調(diào)各設(shè)計部門的工作，管理工程設(shè)計資料，包括設(shè)計圖紙及相關(guān)的技術(shù)文檔，使工程項目數(shù)據(jù)的一致性得到較好的保證，提高設(shè)計資料和圖紙的再利用性。
    本文就我們開發(fā)的安裝工程計算機輔助設(shè)計軟件中的關(guān)鍵技術(shù)問題進行論述。
    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)計與管理系統(tǒng)的主要目的是為了解決當前建筑安裝工程中經(jīng)常出現(xiàn)的二維設(shè)計不直觀、設(shè)計圖紙不協(xié)調(diào)、施工圖設(shè)計階段圖紙綜合會審困難等問題.傳統(tǒng)的方法是設(shè)計者憑借自己的三維思維能力在二維進行設(shè)計，這使得設(shè)計工作很不直觀并且容易導致設(shè)計錯誤.各專業(yè)設(shè)計者各自獨立進行設(shè)計工作，設(shè)計不協(xié)調(diào)問題不可避免.在各專業(yè)設(shè)計圖紙匯總后，要求設(shè)計人員和總圖人員人工發(fā)現(xiàn)和解決不協(xié)調(diào)問題，這將耗費建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師和安裝工程設(shè)計師大量時間和精力，影響工程進度和質(zhì)量.同時，由于采用二維設(shè)計圖來進行會審，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，并且還會影響施工進度。
    因此，安裝工程施工圖綜合設(shè)計與管理系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：
    利用從建筑設(shè)計部門得到的二維建筑結(jié)構(gòu)圖，以建筑施工圖為依據(jù)，通過交互手段，拉伸生成三維的建筑層立面圖;
    以建筑施工圖為參考, 同時以二維的各安裝工程專業(yè)平面設(shè)計草圖為依據(jù)(若存在)，通過交互式操作手段，各個專業(yè)分別在三維空間進行設(shè)計、分析和計算，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題；
    能夠自動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行工程量統(tǒng)計.
    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)計及水、風、電等設(shè)計部門得到的設(shè)計底圖,可以得到樓層設(shè)計的平面圖.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、樓層特點等信息，通過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的表現(xiàn)出墻、柱、門、梁等的實際情況.生成的三維建筑結(jié)構(gòu)在進行綜合管線圖的會審時，將作為參照物，并且還需判斷各種管線是否會和建筑結(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)計時都已經(jīng)預留了相應(yīng)的孔洞，梁的預留洞也作為施工圖會審的重要部分.
    2.2.2　安裝工程各專業(yè)系統(tǒng)三維施工圖生成模塊
    在安裝工程各專業(yè)系統(tǒng)三維施工圖的生成和編輯過程中，生成的三維管線圖所需要的管線如水管和部件(閥門、接頭等)，采用參數(shù)化圖庫的形式進行存儲和管理，以便在施工圖中調(diào)用所需插入的管線和部件.根據(jù)各專業(yè)設(shè)計的草圖中管線的位置、尺寸標注、管徑、長度等參數(shù)和部件的形狀，由用戶通過選擇（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)的材料類型等，可自動生成三維管線和部件實體.用戶采取交互設(shè)計手段，在各種管線和部件的編輯修改工作中，對實體進行插入、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設(shè)計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)象進行分析和檢測.通過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)的自動分析和計算功能就成為必要的輔助手段.本軟件提供了一定的自動進行碰撞檢查計算功能、自動進行綜合管線圖的判交和合法性檢查計算，將有可能發(fā)生碰撞的區(qū)域以圖形方式標示在三維設(shè)計空間中，提示設(shè)計人員對各種管線圖進行相應(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)計工作是在三維空間中進行的, 所得圖紙是以三維數(shù)據(jù)模型存儲的，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生成盡可能符合施工要求的平面圖、立面圖、剖面圖, 再通過適當?shù)娜斯ぽo助修改生成符合工程要求的二維施工圖.如何高效率地自動生成符合工程規(guī)范的施工圖紙是本系統(tǒng)軟件開發(fā)的難點之一.
    2.2.5　工程量統(tǒng)計模塊
    建筑安裝工程中的工程量計算在傳統(tǒng)的施工設(shè)計過程中是與圖紙設(shè)計分開的，需要工程技術(shù)人員和預算決算人員進行人工讀圖，從各種管線圖中統(tǒng)計所有的工程量.采用CAD技術(shù)，利用三維建模的方法，可以在設(shè)計階段，每當插入各種管線部件圖時，就將各種管線工程量的相關(guān)參數(shù)代入，設(shè)計定型后可以進行工程量的自動統(tǒng)計計算.例如, 統(tǒng)計通風管線圖時，可以根據(jù)三維風管的類型標志，由數(shù)據(jù)庫取得風管截面尺寸、材料參數(shù)等信息，由軟件進行自動統(tǒng)計計算.各種管線的截面數(shù)據(jù)、管線長度、管線接頭的具體參數(shù)是進行工程量自動統(tǒng)計計算的主要依據(jù).采用計算機輔助設(shè)計方法，建立三維模型可以很好的避免在傳統(tǒng)的工程量計算中出現(xiàn)的各種人為因素造成的差錯，并且能夠提高效率.隨著各種管線圖的修改，其工程量統(tǒng)計計算的結(jié)果也能隨時反映出來。
    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)計圖均為三維實體，并用三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲，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)計圖生成二維工程圖.
　　(2) 國標建筑行業(yè)中對安裝工程的二維施工圖有詳細的規(guī)范，而對三維施工圖卻沒有相應(yīng)的規(guī)范.因此，本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計需要規(guī)定了一些利于三維設(shè)計的規(guī)范和標準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)計人員進行三維設(shè)計.生成二維圖時必須解決這兩個規(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)計和施工規(guī)范.我們設(shè)計的標準件和常用件的三維表示是比較直觀的實體，而二維表示是國標規(guī)定的符號.因此，生成二維工程圖時，必須用對應(yīng)的二維符號代替三維表示.
　　(3) 三維圖中的遮擋關(guān)系必須在二維圖中表示出來，因此，生成二維圖時必須進行消隱.
     3.2　安裝工程二維施工圖特點分析
    通常，在一些應(yīng)用中，如機械設(shè)計中，三維圖與二維圖關(guān)系比較直接，在三維圖中通過設(shè)定某一視點所觀察到的視圖與由對應(yīng)于該視點的投影方向投影所得的二維圖一致.而在建筑安裝工程中，三維施工圖通過設(shè)定視點觀察到的視圖，與由對應(yīng)該視點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；而閥門的二維形象為國標規(guī)定的符號.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、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及其2D，3D形象和消隱要求

分類 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)標準件.如閥門 合成實體 二維標準符號 剪裁其它工件 水接頭 各種形狀的接頭 合成實體 二維自定義符號 剪裁其它工件 風管 各種通風管道 方柱體 長方形 剪裁其它工件 風部件 各種風系統(tǒng)標準件.如風口 合成實體 二維標準符號 剪裁其它工件 風接頭 各種形狀的接頭.如三通 合成實體 二維自定義符號 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)標準件 合成實體 二維標準符號 剪裁其它工件 電橋架 各種電系統(tǒng)橋架 方柱體 長方體 剪裁其它工件

    本系統(tǒng)完成三維工程圖設(shè)計后，要進行碰撞檢查，以保證各子系統(tǒng)內(nèi)及各專業(yè)系統(tǒng)間部件和管道之間已經(jīng)沒有碰撞關(guān)系，而只有簡單的遮擋關(guān)系了，并且各子系統(tǒng)中大多數(shù)的管道及標準件均為水平和垂直方向.可以利用以上特點簡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責平面圖、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范圍內(nèi)的實體，并對一些邊界實體進行裁剪，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，首先對參加平面圖生成的各專業(yè)系統(tǒng)中的實體按消隱方向進行深度排序，而后根據(jù)排得的順序在對應(yīng)的圖層上依z增加方向畫出各實體的二維形象，并根據(jù)實體的消隱特點用后生成的實體規(guī)定的裁剪輪廓裁剪已生成的實體，得到二維基本圖.而后再進行一些手工修正，并加上適當?shù)臉俗⒓纯傻玫剿璧亩S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)間實體的碰撞已經(jīng)消除，可定義各種實體參加排序的深度基準如表2.

表2　各種實體參加排序的深度基準

　　
　　根據(jù)安裝工程的特點，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.可先對占大多數(shù)的水平和垂直實體根據(jù)深度基準進行排序，再對傾斜實體進行排序，插入在它所遮擋的所有實體之后.
　　(2) 二維符號的定位
　　當一個三維部件放置在三維施工圖中后，它對應(yīng)的二維符號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，可以把這一位置對應(yīng)關(guān)系反映到三維符號和二維符號插入點之間的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系上.在生成二維施工圖時，可以根據(jù)三維實體的插入點計算出二維符號插入點，并以該插入點為基準生成二維符號.

    4、結(jié)束語
    本文中所敘述的安裝工程施工圖綜合設(shè)計與管理系統(tǒng)是清華大學CAD中心與北京市住宅建設(shè)安裝公司協(xié)作開發(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體剪裁，垂直及水平實體的排序等都已完成.下一步工作的重點是實現(xiàn)傾斜實體的插入排序及盡量減少對手工修改的需求.