建筑安装工程施工图设计与管理系统的实现

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1、引言
    随着国民经济的发展和城市建设步伐的加快，我国城市建筑工程已经发展到大规模、多功能建筑项目大量投建的阶段.建筑物的结构日益复杂，功能日趋完善，对建筑项目的结构设计和安装工程设计的技术要求也越来越高.
    传统的建筑设计和施工流程是从建筑设计开始，结构工程师进行建筑物的结构设计，而后，再由水、电、风等各专业工程师完成专业设计，最后由施工部门按照图纸进行施工.在这样的设计、施工过程中，由于各专业工程师各自独立进行设计, 设计过程中不可避免的出现各专业协同设计之间的矛盾.
    随着计算机技术的发展和计算机辅助设计技术的应用，已使得建筑设计各专业的设计人员从繁杂的手工绘图工作中解放出来，极大地提高了设计部门的工作效率，缩短了设计周期，提高了质量.更进一步的要求是利用计算机协调各设计部门的工作，管理工程设计资料，包括设计图纸及相关的技术文档，使工程项目数据的一致性得到较好的保证，提高设计资料和图纸的再利用性。
    本文就我们开发的安装工程计算机辅助设计软件中的关键技术问题进行论述。
    2、系统概述
     2.1　系统的总体构成
    安装工程施工图综合设计与管理系统的主要目的是为了解决当前建筑安装工程中经常出现的二维设计不直观、设计图纸不协调、施工图设计阶段图纸综合会审困难等问题.传统的方法是设计者凭借自己的三维思维能力在二维进行设计，这使得设计工作很不直观并且容易导致设计错误.各专业设计者各自独立进行设计工作，设计不协调问题不可避免.在各专业设计图纸汇总后，要求设计人员和总图人员人工发现和解决不协调问题，这将耗费建筑结构设计师和安装工程设计师大量时间和精力，影响工程进度和质量.同时，由于采用二维设计图来进行会审，人为的失误在所难免，使施工出现返工现象，造成建设投资的极大浪费，并且还会影响施工进度。
    因此，安装工程施工图综合设计与管理系统应具有以下功能：
    利用从建筑设计部门得到的二维建筑结构图，以建筑施工图为依据，通过交互手段，拉伸生成三维的建筑层立面图;
    以建筑施工图为参考, 同时以二维的各安装工程专业平面设计草图为依据(若存在)，通过交互式操作手段，各个专业分别在三维空间进行设计、分析和计算，生成各安装工程子系统三维施工图；
    由已有的各子系统管线图生成三维的综合管线图;
    发现并解决设计阶段出现的子系统内和子系统之间的管线和部件之间的碰撞问题；
    能够自动生成基本符合工程施工要求的二维施工平面图;
    由生成的综合管线图进行工程量统计.
    管理已经生成的二维、三维施工图.
    系统结构图如图1所示.

图1　系统结构图

    2.2　系统主要模块介绍
    2.2.1　建筑三维施工图生成模块
    从建筑结构设计及水、风、电等设计部门得到的设计底图,可以得到楼层设计的平面图.根据建筑物的平面图和相应的立面、剖面图，依据楼层高度、楼层特点等信息，通过交互手段迅速地拉伸生成三维的建筑施工图，在三维图中能够较为真实的表现出墙、柱、门、梁等的实际情况.生成的三维建筑结构在进行综合管线图的会审时，将作为参照物，并且还需判断各种管线是否会和建筑结构发生碰撞.作为管道集中布置的梁，建筑结构设计时都已经预留了相应的孔洞，梁的预留洞也作为施工图会审的重要部分.
    2.2.2　安装工程各专业系统三维施工图生成模块
    在安装工程各专业系统三维施工图的生成和编辑过程中，生成的三维管线图所需要的管线如水管和部件(阀门、接头等)，采用参数化图库的形式进行存储和管理，以便在施工图中调用所需插入的管线和部件.根据各专业设计的草图中管线的位置、尺寸标注、管径、长度等参数和部件的形状，由用户通过选择（或输入）相应的形状特征参数、空间定位参数、以及相关的材料类型等，可自动生成三维管线和部件实体.用户采取交互设计手段，在各种管线和部件的编辑修改工作中，对实体进行插入、拾取、编辑、删除、替换和修改.
    2.2.3　碰撞检查模块
    综合管线图的碰撞检查工作是对设计所得三维图纸中的各种管线、部件之间，管线和梁之间，以及管线和墙、柱之间可能发生相互干扰现象进行分析和检测.通过局部视图的放大显示，可以用人工观察的方法粗略判断综合管线图上是否会发生各种碰撞现象，但在管线密布、人工判断比较困难的位置，CAD软件系统的自动分析和计算功能就成为必要的辅助手段.本软件提供了一定的自动进行碰撞检查计算功能、自动进行综合管线图的判交和合法性检查计算，将有可能发生碰撞的区域以图形方式标示在三维设计空间中，提示设计人员对各种管线图进行相应的调整和修改.
    2.2.4　工程施工图生成模块
    由于本系统的设计工作是在三维空间中进行的, 所得图纸是以三维数据模型存储的，而生成的安装工程施工图必须是符合工程规范的二维施工图，才能提交施工单位具体使用.施工图纸是以平面图、立面图、剖面图的形式提交的.从三维模型出发，能够以某种方式自动生成尽可能符合施工要求的平面图、立面图、剖面图, 再通过适当的人工辅助修改生成符合工程要求的二维施工图.如何高效率地自动生成符合工程规范的施工图纸是本系统软件开发的难点之一.
    2.2.5　工程量统计模块
    建筑安装工程中的工程量计算在传统的施工设计过程中是与图纸设计分开的，需要工程技术人员和预算决算人员进行人工读图，从各种管线图中统计所有的工程量.采用CAD技术，利用三维建模的方法，可以在设计阶段，每当插入各种管线部件图时，就将各种管线工程量的相关参数代入，设计定型后可以进行工程量的自动统计计算.例如, 统计通风管线图时，可以根据三维风管的类型标志，由数据库取得风管截面尺寸、材料参数等信息，由软件进行自动统计计算.各种管线的截面数据、管线长度、管线接头的具体参数是进行工程量自动统计计算的主要依据.采用计算机辅助设计方法，建立三维模型可以很好的避免在传统的工程量计算中出现的各种人为因素造成的差错，并且能够提高效率.随着各种管线图的修改，其工程量统计计算的结果也能随时反映出来。
    3、二维施工图的生成
     3.1　需求分析
　　(1) 由本系统生成的建筑施工图、安装工程设计图均为三维实体，并用三维数据结构存储，而安装工程施工所要求的是二维施工图，因此必须由三维工程设计图生成二维工程图.
　　(2) 国标建筑行业中对安装工程的二维施工图有详细的规范，而对三维施工图却没有相应的规范.因此，本系统根据设计需要规定了一些利于三维设计的规范和标准件及常用件的三维形象.这些规范的目的是为了方便设计人员进行三维设计.生成二维图时必须解决这两个规范之间的相应转换，所得的二维图必须符合安装工程设计和施工规范.我们设计的标准件和常用件的三维表示是比较直观的实体，而二维表示是国标规定的符号.因此，生成二维工程图时，必须用对应的二维符号代替三维表示.
　　(3) 三维图中的遮挡关系必须在二维图中表示出来，因此，生成二维图时必须进行消隐.
     3.2　安装工程二维施工图特点分析
    通常，在一些应用中，如机械设计中，三维图与二维图关系比较直接，在三维图中通过设定某一视点所观察到的视图与由对应于该视点的投影方向投影所得的二维图一致.而在建筑安装工程中，三维施工图通过设定视点观察到的视图，与由对应该视点的投影方向生成的二维图区别较大.以水系统为例，水管的三维表示为圆柱体，而二维表示则为其中心轴线；而阀门的二维形象为国标规定的符号.并且不同的管线和部件的消隐要求也不同.仍以水系统为例，水管二维表示即其中心轴线不遮挡其它管线和部件.而阀门的二维形象则要遮挡其它的管线和部件.因此，安装工程二维施工图的生成不能采取直接投影的方式，而必须采取用二维形象代替三维形象并结合裁剪的方式.
　　表1描述建筑安装工程中管线和部件的分类、及其3D，2D形象和消隐要求.

表1　建筑安装工程中管线和部件的分类及其2D，3D形象和消隐要求

分类 组　成 3D 2D 消隐要求 水管 各种上、下水及消防管道 圆柱体 polyline 不剪裁其它工件 水部件 各种水系统标准件.如阀门 合成实体 二维标准符号 剪裁其它工件 水接头 各种形状的接头 合成实体 二维自定义符号 剪裁其它工件 风管 各种通风管道 方柱体 长方形 剪裁其它工件 风部件 各种风系统标准件.如风口 合成实体 二维标准符号 剪裁其它工件 风接头 各种形状的接头.如三通 合成实体 二维自定义符号 剪裁其它工件 电管 各种管径电工管道 圆柱体 polyline 不剪裁其它工件 电部件 各种电系统标准件 合成实体 二维标准符号 剪裁其它工件 电桥架 各种电系统桥架 方柱体 长方体 剪裁其它工件

    本系统完成三维工程图设计后，要进行碰撞检查，以保证各子系统内及各专业系统间部件和管道之间已经没有碰撞关系，而只有简单的遮挡关系了，并且各子系统中大多数的管道及标准件均为水平和垂直方向.可以利用以上特点简化和加速二维工程图生成.
    3.3　二维工程图生成算法
    二维工程图生成模块负责平面图、立面图、剖面图的生成.平面图是建筑安装工程所需的最主要的二维工程图并且是生成立面图和剖面图的基础.立面图和平面图的区别只是观察方向不同.剖面图是先用剖面线选取某个范围内的实体，并对一些边界实体进行裁剪，然后调用立面图生成模块即可.因此生成平面图是该模块的核心.下面着重讨论平面图的生成.
　　要生成平面图，首先对参加平面图生成的各专业系统中的实体按消隐方向进行深度排序，而后根据排得的顺序在对应的图层上依z增加方向画出各实体的二维形象，并根据实体的消隐特点用后生成的实体规定的裁剪轮廓裁剪已生成的实体，得到二维基本图.而后再进行一些手工修正，并加上适当的标注即可得到所需的二维工程图.二维工程图生成流程图如图2所示.

图2　二维工程图生成流程图

(1) 排序方法
　　由于各系统中和各系统间实体的碰撞已经消除，可定义各种实体参加排序的深度基准如表2.

表2　各种实体参加排序的深度基准

　　
　　根据安装工程的特点，管线呈水平和垂直方向的占大多数，部件依据管道伸展方向，基本也为水平和垂直方向.可先对占大多数的水平和垂直实体根据深度基准进行排序，再对倾斜实体进行排序，插入在它所遮挡的所有实体之后.
　　(2) 二维符号的定位
　　当一个三维部件放置在三维施工图中后，它对应的二维符号在二维平面图中所应该放置的位置也是已经唯一确定的，可以把这一位置对应关系反映到三维符号和二维符号插入点之间的对应函数关系上.在生成二维施工图时，可以根据三维实体的插入点计算出二维符号插入点，并以该插入点为基准生成二维符号.

    4、结束语
    本文中所叙述的安装工程施工图综合设计与管理系统是清华大学CAD中心与北京市住宅建设安装公司协作开发的.系统的原型已经完成.二维工程图生成模块中的实体剪裁，垂直及水平实体的排序等都已完成.下一步工作的重点是实现倾斜实体的插入排序及尽量减少对手工修改的需求.