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三维管路系统CAD的设计与实现 |
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作者：于国清 李玉洁 郭骏 董珊 |
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摘要 总结了三维设计应用中存在的问题，探讨了建立集三维设计与二维制图于一体的三维设计环境的目标以及具体实现方法，提出了示意模型为主、形象模型为辅的总体架构方法，论述了虚拟工程现场的建造、二维工程图的自动生成等技术。
关键词 三维设计 二维制图 示意模型 形象模型
1 三维设计的提出
在暖通空调领域，许多工程项目要涉及大量的设备和管道，如锅炉房汽水系统、制冷机房、热力站、泵站等，大量的设备和管道给工程的设计、制图和读图都带来许多困难。常规的二维设计方法要求设计人员在脑海中形成设计模型，然后在脑海中将其转化为二维图形，再在图纸上表达。而施工人员再把图纸上的二维信息还原为脑海中三维模型，最后进行施工。这样做的弊端有：
①由于不是形象直观的设计，容易出现设备管道等的碰撞。
②设计过程中往往要多次翻阅设备手册，查看设备的有关数据，比较繁琐。
③图纸上容易漏掉某些设备或管道，或者出现对某些设备、管道的表达错误，或多张图纸上对同一目标的表达不一致等。
④为了将设计方案表达清楚，常常要出大量的剖面图，制图工作量很大。即使如此，在与甲方、工程审批人员、施工人员沟通时仍比较困难。
三维设计和二维设计相比有直观形象、容易事先发现设计缺陷等明显优越性，随着计算机软硬件性能的提高，三维设计开始走向实际应用。但是三维设计在实际应用中也存在着严重的问题[1，2]：
①使用难度大，三维模型的建立困难。
②图面繁乱，由于三维模型包含三个维的几何形体信息，因此图面的线条要比二维多，当工程复杂时，三维模型的图面往往十分繁乱，不利于用户表达设计构思。
③生成的二维图纸不符合制图标准。把三维模型按照严格的几何投影关系做真三维消隐，得到的图纸不符合我国的制图标准[3]。直接在这些软件生成的二维图形上修改，工作量很大，常常不如利用二维制图的方法重新绘制。
这些缺点严重制约着三维设计模式的应用推广。下面笔者结合开发三维管路系统CAD(HPDS)的实践[4]，介绍笔者的一些尝试。
2 三维设计模式
HPDS三维设计环境建造的目标，是建立一种新型的设计制图模式，改变那种在脑海中形成设计的三维模型再在图纸上进行二维表达的设计模式，实现三维设计和二维制图的一体化。
图1 三维设计模式的流程求
在设计阶段，设计方案以三维模型的形式进行存储，设计过程就是建造三维设计模型的过程(见图1)。HPDS力建立一个虚拟的工程设计现场，使设计者可以“身临其境”地进行设备、管道的布置，建立设计模型。因此采取了以下措施：
①设备、管道、阀门等管道附件均是构建设计模型的基本元素，均作为独立的单一实体存在，不仅采用三维造型而且附加了型号、厂家、配管接口等信息。用户可以查询型号、厂家和设备配管管口(管径、用途)的信息，对其进行移动、旋转、删除、拆卸等操作，让用户感觉这是一个真实的设备或管道，而不是一个单纯的图形元素。
②尽量使用现场设计和施工中的术语，比如设备选型、定位、移动、布置、配管等操作，从而让设计人员感到是对真实的设备进行操作，而不是在对一个图形块进行处理。
③基本单位采用工程中最常使用的mm，建筑、设备、管道均采用实际尺寸的数值进行造型。用户可以使用DIST，AREA，LIST等命令查询两点间的距离、封闭面的面积、直线的长度和方向角，也可以查询标高。
④利用平移和缩放功能，设计者可以方便地在“现场”漫游，既可以纵观全局，也可以细致入微地观察某个局部。可以从任意方向进行观察，进行消隐或彩色渲染。可以方便地在前、后、左、右、俯视图及轴测视图状态下进行工作。
在制图阶段，出图过程类似于给虚拟现场的设计模型进行照相，系统提供了专门的程序，系统要求用户确定出图表达的内容和方式，如要表达的物体、视图方向等，之后根据现行的制图标准规定的表达方法将设计模型转化为相应的工程图(平面图、剖面图、轴测图)，并且能够进行设备和材料统计，编制出设备表和管道一览表。此后用户再在上面添加一些标注、说明等。由于物体的位置、尺寸、设备编号、管径等信息都是直接由设计模型传递过来的，因此用户标注的任务主要是选择标注的位置，以使图面美观，操作起来比较方便且可保证各工程图上标注的一致性。
3 示意模型与形象模型虚
拟工程设计现场的建立，给设计人员提供了一个逼真、形象的设计环境，但是设计毕竟不同于安装，安装是整个建设项目的“执行”过程，是设计方案的实物再现，要求“一次成功”；而设计则是整个工程的“酝酿”过程，是一个由粗到细、不断完善、不断修改的过程。不注意这一点是一些三维CAD不受设计人员欢迎的重要原因。在一些辅助管路设计软件中，提供了管道附件(三通、弯头、阀门等)的三维图形符号，整个设计过程就是用户由这些三维模型部件构建设计模型的过程，尽管这样建立的管路模型直观形象，但在实际应用中存在着严重的不足：①设计模型的建立费时费力，尤其是修改不方便，给设计方案的构思和修改带来很大的不便，因此这种三维设计方式和二维设计相比效率低。②在刚开始布置管道时必须确定管径、材质等信息，不符合设计人员从粗到细的思维习惯。③图面线条繁多，影响设计方案的表达和观察。为此，HPDS提出了示意模型和形象模型(见图2)的概念，并建立了“以示意模型为主，形象模型为辅”的三维设计环境，供设计人员快速勾勒设计构思，对比、修改设计方案。
3.1 示意模型
图2 形象模型
管道，单线条；设备，配管接口采用单线；阀门，示意符号。
示意模型主要用于设计阶段，使用它的目的是使图面清晰、简洁，体现设计概念和设计构思。对于设备、管道附件，目前国标和行业标准中均没有相应的三维造型标准，本课题确定的造型原则为：
①尽量简化，体现设计要素。设计要素包括外形轮廓、安装定位的要素，另外也包括其它一些设计关心的内容。比如，对于阀门，阀门的直径、阀身的长度、连接方式、阀杆高度与方向，是设计时关心的。又如，对于水泵，泵的外形轮廓、出入口的位置和方向、电机的位置、底座的尺寸以及水泵基础的地脚螺栓的位置。尽管地脚螺栓大小和外形无足轻重，但却是设备安装的重要依据，因此应包含在造型中。
②尽量使示意模型在各个视图上的投影与现行二维制图标准规定的示意符号接近。这是使三维设计环境与当前表达习惯尽量兼容，尽快走向应用的一种策略，也是设计新的图形符号的一个基本原则。以法兰连接的截止阀为例，有的系统采用图3a的方式，有的系统采用图3ｂ的方式，本课题则设计了图3c所示的图形符号来表达法兰连接的阀，其在各视图上的投影和制图标准大体相同，这样在各个视图上设计人员都能轻松地将阀门识别出来。
图3 阀门的几种示意模型
3.2 形象模型
如图2所示，管道，圆柱；阀门，接近实物；设备，接近实物。使用形象模型的主要目的是进行形象的观察。当需要仔细地观察设计方案，尤其是彩色渲染时，示意模型就难以满足需要。由于渲染图是一种有广泛应用前途的方案表达方式，以后在方案的展示、交流、施工中将会起到越来越大的作用，为此，要对设计对象进行形象造型。形象模型的造型原则是既要反映外形特征和设计要素，使其接近真实物体；又要适当简化，有一定的概括性和代表性。
3.3 以示意模型为主的三维设计环境
HPDS中示意模型是设计方案的载体，它承载着几乎全部的设计信息。系统提供了专门的模块可将示意模型转化为形象模型，供设计人员对设计方案进行细致的观察。同时示意模型也是生成各种工程图的基础。图4表达了这种关系。
图4 示意模型与形象模型的关系
为了使设计人员能够快速勾勒设计构思，HPDS还提供了许多手段：
①专门的管道布置程序。用户可以方便地在轴测视图下对管道进行精确定位。用户可以在管道布置时就输入管径等信息，也可以以后输入。
②管道碰撞检测。提供了专门的程序进行管道间距的检测。
③自动生成弯头。HPDS提供了专门的模块，自动根据管径将直角连接的管道转换为相应曲率半径的弯头连接。这比用户自行绘制的效率高许多倍。
④阀门安装。允许用户在管道布置的过程中安装阀门，也允许在管道布置完毕安装阀门，此时阀门安装程序能够根据用户的要求自动断开或不断开阀门占用的管道，用户可以方便地改变阀门的位置。
4 二维工程图的自动生成
4.1 总体思路
生成工程图大体上分三步：
①前处理
由用户选择要表达的物体、视图方向、图的性质(设备布置图，管道布置图，轴测图等)，软件根据物体的具体类别(设备、管道、阀门、建筑)，在特定层A上复制这些物体或创建相应的三维实体，复制或创建后的物体尽量和工程图要求的形状相同或相近。比如，对于阀门，首先分析阀门的安装方向与投影方向，然后生成具有制图标准所要求形状的三维实体。
②几何投影
调用支撑平台(MDT，autodesk mechanical desktop)提供的二维视图生成功能命令，将A层上的物体进行投影，在MDT的图纸空间生成一个VIEWPORTS实体，可见的实体置于AMVIS层上，被遮挡的实体置于AMHID层上。将刚生成的VIEWPORTS实体中的内容输出到AutoCAD文件中，文件内的实体均已转化为普通的二维AutoCAD实体。
③后处理
打开这个文件，清除冗余的线段，清除几乎重合的线条，然后根据物体的具体类别进行相应处理，使之符合现行的制图标准。
4.2 设计信息的传递
在缺省状态下，MDT投影生成的二维实体不保留原来三维模型上的颜色信息，当将系统变量AMDWGCOLOR设为3时，生成的二维线条可以保留可见线条及被遮挡线条的颜色，但扩展实体数据仍然全部丢失。HPDS只能通过颜色传递物体的设计信息。
①在前处理阶段，提取选中的每一个物体的设计信息，建立“颜色→设计信息”映射表，每条信息对应一个颜色号，根据该物体所携带的设计信息所对应的颜色号，在ＺＸＵA层上创建该颜色的实体。
②几何投影，三维模型的颜色传递到二维视图上的相应线条。
③后处理阶段，根据二维视图上每个实体的颜色，将“颜色→设计信息”映射表中对应于该实体颜色的设计信息附加到该实体上。
三维设计具有许多二维设计不可比拟的优越性，希望本文能够起到抛砖引玉的作用，有助于国内尽早开发出方便实用的三维设计软件。
参考文献
1 周一平.机械工厂设计中3DCAD技术应用初探.工程设计CAD及自动化，1996，12：19-21
2 金涛，等.用Pro/Engineer进行化工配管设计.计算机辅助设计与制造，1999，3：60-62
3 CJJ/T78-97供热工程制图标准
4 于国清.锅炉房汽水系统CAD的研究与开发：[博士学位论文].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2000(end)
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(2/26/2005) |
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