工業(yè)建筑預(yù)埋件三維快速裝配設(shè)計(jì)方法

杜林寶， 黃學(xué)良， 王彥偉， 陳 剛， 陳立平

（華中科技大學(xué)國家CAD支撐軟件工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)甩掉了圖板，工程師普遍采用計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件開展設(shè)計(jì)工作。但是，現(xiàn)階段的計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)大多采用二維CAD軟件繪制二維工程圖，并未改變原有的設(shè)計(jì)流程和思維模式，建筑結(jié)構(gòu)的完整數(shù)據(jù)仍然以多種形態(tài)分散在多張工程圖的不同部分，需要有一定知識背景和經(jīng)驗(yàn)的人員來閱讀，因而設(shè)計(jì)以后的許多工序，包括審核、算量、施工等，仍然停留在通過人工讀圖來獲取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的狀態(tài)[1]。由于二維工程圖不能直觀地表達(dá)建筑結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系，因而采用繪制二維工程圖的方式在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中進(jìn)行預(yù)埋件安裝設(shè)計(jì)就容易出現(xiàn)碰、錯、漏等問題。鑒于三維設(shè)計(jì)成功地解決了管道設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的碰、錯、漏等問題，而目前又沒有專門針對預(yù)埋件設(shè)計(jì)的三維CAD軟件，因此，研究預(yù)埋件三維快速裝配設(shè)計(jì)方法具有重要的實(shí)用價值。

預(yù)埋件作為工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中用于固定和支撐工藝設(shè)備的結(jié)構(gòu)附件，通常嵌入安裝在工業(yè)建筑現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中。在三維CAD系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)埋件的安裝，同一型號的預(yù)埋件上的定位實(shí)體和約束關(guān)系都是相同的，如果按照機(jī)械零件的裝配方式來完成預(yù)埋件的安裝，就需要重復(fù)輸入大量的約束實(shí)體和約束關(guān)系，將導(dǎo)致安裝的效率降低。參數(shù)化模板和標(biāo)準(zhǔn)件庫的使用能夠大大加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)的速度[2]，因此，在預(yù)埋件三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)中引入三維參數(shù)化模板技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)件庫技術(shù)，將有利于提高預(yù)埋件三維設(shè)計(jì)的效率。

近年來，許多學(xué)者在三維參數(shù)化設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)件庫方面做了大量研究和實(shí)踐。雷璐等人提出了一種三維建筑構(gòu)件的參數(shù)化建模語言——PCML，并結(jié)合參數(shù)化的建模界面，使軟件系統(tǒng)能按照預(yù)先定義的規(guī)則自動生成三維模型，簡化了用戶的操作步驟，提高了建筑構(gòu)件的建模速度[1]。何援軍在參數(shù)化零部件庫的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了裝配設(shè)計(jì)的參數(shù)化，修改零部件的參數(shù)或裝配尺寸后裝配圖能夠自動調(diào)整[2]。Sacks等人將三維參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用于預(yù)澆制混凝土建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)澆制混凝土構(gòu)件的參數(shù)化[3]。張祥林等人將參數(shù)化模板、配置設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)結(jié)合起來，通過定制參數(shù)化模板提高了產(chǎn)品模型的生成速度，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率[4]。李原等人通過對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建航空產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)件庫，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量并縮短了設(shè)計(jì)周期[5]。單泉等人研究了智能定位與智能尺寸驅(qū)動技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模塊化產(chǎn)品族的智能裝配方法，提高了產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)效率[6]。劉振宇等人提出了基于語義的裝配關(guān)系表達(dá)與識別，通過零件的約束運(yùn)動確定裝配路徑以及零件在裝配體中的最終定位，提高了裝配設(shè)計(jì)的速度[7]。Li Guidong等人把參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)件中，并在標(biāo)準(zhǔn)件上預(yù)先定義了裝配約束，提供了兩種不同的裝配方式供不同的標(biāo)準(zhǔn)件選用，該方法提高了標(biāo)準(zhǔn)件的可重用性并且提高了裝配效率[8]。這些專家介紹了參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用和裝配技術(shù)應(yīng)用，但是所介紹的這些技術(shù)都是在某些特定領(lǐng)域的應(yīng)用，不具有一般性，對其他領(lǐng)域的參數(shù)化設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)不適用[1-8]。

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)埋件的快速裝配設(shè)計(jì)，應(yīng)該建立各種型號預(yù)埋件的參數(shù)化模板并存入預(yù)埋件模板庫，在裝配的過程中就要盡可能減少操作步驟，并且要根據(jù)不同的預(yù)埋件選擇不同的裝配方法。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中往往還需要輸出工程圖，統(tǒng)計(jì)材料和各種型號的預(yù)埋件的數(shù)量。因此，要滿足上述要求，系統(tǒng)必須具有以下功能：第一，定義預(yù)埋件參數(shù)化模板；第二，構(gòu)建預(yù)埋件的標(biāo)準(zhǔn)件庫；第三，預(yù)埋件快速安裝設(shè)計(jì)；第四，自動生成工程詳圖；第五，自動生成各種預(yù)埋件報表。為此，研究一種快速裝配設(shè)計(jì)方法，專門用于預(yù)埋件的參數(shù)化設(shè)計(jì)和裝配。

1 廣義參數(shù)化模板

參數(shù)化設(shè)計(jì)是將零件上的特征加以各種形式的約束，以尺寸驅(qū)動設(shè)計(jì)，將每個特征的幾何形狀、尺寸大小，以及每個特征的位置關(guān)系，用變量的方式表示，在滿足約束條件的前提下，修改特征的參數(shù)即可生成新的實(shí)體。為了更好地實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，方便標(biāo)準(zhǔn)件的管理，在設(shè)計(jì)之前應(yīng)把零件按照一定的方式進(jìn)行分類。工業(yè)建筑預(yù)埋件可按照不同的類型進(jìn)行分類，常見的有角鋼、螺栓、鋼板等類型，而每種類型的預(yù)埋件又包含若干不同型號的預(yù)埋件，如圖1所示為冶金工程設(shè)計(jì)行業(yè)常見預(yù)埋件的分類。由于同種型號的預(yù)埋件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，只是在尺寸上面有些差異，因此對于型號相同的預(yù)埋件建立其三維參數(shù)化模型，加上相關(guān)的尺寸變量和適當(dāng)?shù)募s束，當(dāng)賦予各個變量新值的時候就可通過參數(shù)驅(qū)動得到新的預(yù)埋件模型。在上述工作完成之后定義該型號預(yù)埋件的屬性（包括材料信息、標(biāo)高點(diǎn)，出圖信息等），這樣就定義了該型號預(yù)埋件的參數(shù)化模板。

圖1 常見預(yù)埋件的分類

預(yù)埋件的廣義參數(shù)化模板是以基于歷史的參數(shù)化特征造型技術(shù)為基礎(chǔ)，不僅包括傳統(tǒng)參數(shù)化所包含的對某些特征驅(qū)動尺寸的修改而帶動其他相關(guān)聯(lián)尺寸的修改，按照設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖產(chǎn)生一個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同尺寸不同的預(yù)埋件，還包括以下內(nèi)容：允許設(shè)計(jì)人員自己定制系統(tǒng)界面；允許設(shè)計(jì)人員對同一型號的預(yù)埋件定義多種裝配方式和裝配界面；允許設(shè)計(jì)人員定義適合自己的安裝界面；預(yù)埋件模板中包含了預(yù)埋件的報表、材料、出圖示例信息。預(yù)埋件廣義參數(shù)化模板如圖2所示：第一，預(yù)埋件模型是一個參數(shù)化的三維模型，允許設(shè)計(jì)人員修改尺寸變量，通過尺寸驅(qū)動獲得一個新的預(yù)埋件；第二，系統(tǒng)界面可以定制，用戶可以定制適合自己的個性化界面；第三，裝配方式可以有多種，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中同一種預(yù)埋件可能在不同的環(huán)境下裝配，定義適用于不同環(huán)境下的多種裝配方式可以提高裝配的效率；第四，安裝界面也是多種，參數(shù)界面可以定制，針對不同的裝配方式定制不同的裝配界面和參數(shù)界面，并且各個參數(shù)都對應(yīng)著預(yù)埋件的具體結(jié)構(gòu)尺寸，這樣更便于用戶輸入各個參數(shù)值；第五，預(yù)埋件在特征造型完成后還需要添加一些信息，如簡圖信息，投影圖信息等，因?yàn)樵谳敵鰣蟊淼臅r候需要輸出預(yù)埋件的簡圖，在輸出工程圖的時候預(yù)埋件一般都有專用的投影簡圖而不是采用簡單的投影；第六，預(yù)埋件模板還包括預(yù)埋件統(tǒng)計(jì)表和結(jié)構(gòu)表模板，以便在輸出工程圖以后能夠按照符合工程需要的格式來輸出預(yù)埋件報表和結(jié)構(gòu)表。

圖2 預(yù)埋件參數(shù)化模板信息

預(yù)埋件廣義參數(shù)化模板的設(shè)計(jì)流程如圖3所示：第一，設(shè)計(jì)計(jì)算并確定設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)各個預(yù)埋件的特點(diǎn)和用戶的需求確定各個參數(shù)化變量和變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；第二，建立各個預(yù)埋件的三維參數(shù)化模型和工程圖模板；第三，定義預(yù)埋件的屬性，預(yù)埋件的屬性包括預(yù)埋件的投影信息，出圖信息等，以供在輸出工程圖、預(yù)埋件報表時用；第四，定義各種型號預(yù)埋件的裝配方式和裝配界面；第五，定義各型號預(yù)埋件的參數(shù)界面；第六，把定義好的預(yù)埋件模板存入模板庫中。

圖3 預(yù)埋件參數(shù)化模板定義流程圖

因此，預(yù)埋件廣義參數(shù)化模板有以下特點(diǎn)：第一，預(yù)埋件采用三維參數(shù)化模型，可以達(dá)到一次建模，多次重復(fù)使用的目的，減少不必要的重復(fù)工作，提高設(shè)計(jì)效率；第二，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自己的需要和習(xí)慣定制安裝參數(shù)輸入界面和系統(tǒng)界面；第三，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際需要定制多種裝配方式和裝配界面，以便更加方便、快捷的完成裝配工作。

2 快速裝配設(shè)計(jì)

零件的裝配過程就是添加約束條件限制零件位置的過程，在機(jī)械領(lǐng)域的三維CAD軟件中，零部件的裝配都是設(shè)計(jì)人員選擇零部件上的各個配合實(shí)體，并確定各組配合實(shí)體之間的約束關(guān)系，從而完成零部件的定位。這種裝配方法步驟較多，效率不高，對于配合實(shí)體不斷變化的零件裝配比較適用。然而，預(yù)埋件的裝配設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)預(yù)埋件在建筑結(jié)構(gòu)上的安裝定位，建筑結(jié)構(gòu)的位置始終保持不動。同時，同種類型的預(yù)埋件其安裝定位方式基本相同，即安裝過程中選擇的裝配約束關(guān)系及裝配約束關(guān)系關(guān)聯(lián)的配合實(shí)體通常是相同的，而這些裝配約束關(guān)系及配合實(shí)體的選擇取決于預(yù)埋件的類型?？梢?，與機(jī)械CAD中零部件的裝配設(shè)計(jì)不同，預(yù)埋件的安裝方式是可以預(yù)先定義的。

要提高裝配效率就必須盡可能地減少信息的輸入和操作的步驟，并能根據(jù)實(shí)際裝配環(huán)境對不同的預(yù)埋件采用不同的裝配方法。因此，在定制預(yù)埋件參數(shù)化模板時，可以根據(jù)預(yù)埋件的裝配特點(diǎn)，預(yù)先定義預(yù)埋件裝配過程中的各個配合實(shí)體、配合關(guān)系和輸入?yún)?shù)初值（即在定義預(yù)埋件標(biāo)準(zhǔn)件的過程中定義好約束關(guān)系和配合實(shí)體）。這樣，在預(yù)埋件裝配的過程中只需輸入所需的參數(shù)化信息、建筑結(jié)構(gòu)模型中配合的幾何實(shí)體和參數(shù)值就能完成預(yù)埋件的裝配。

在構(gòu)建預(yù)埋件參數(shù)化模板的基礎(chǔ)上，本文采用基于歷史的裝配特征方法裝配預(yù)埋件，如圖4所示，預(yù)埋件裝配特征可以分為兩類，分別是基于預(yù)埋件庫的預(yù)埋件和基于特征的預(yù)埋件特征。基于預(yù)埋件庫的特征分為角鋼特征、螺栓特征和鋼板特征，分別用來安裝從預(yù)埋件模板庫中選擇的角鋼、螺栓和鋼板；基于特征的特征分為鏡像特征、陣列特征和復(fù)制特征，分別用于鏡像、陣列和復(fù)制已經(jīng)安裝的預(yù)埋件，主要用于安裝螺栓和鋼板這類在空間位置上按規(guī)律分布的預(yù)埋件。在上述預(yù)埋件中，角鋼通常用來保護(hù)結(jié)構(gòu)邊，其長度和位置取決于所保護(hù)結(jié)構(gòu)邊的長度和位置，本文在角鋼的裝配設(shè)計(jì)過程中引入自適應(yīng)裝配技術(shù)，該技術(shù)通過在角鋼和建筑結(jié)構(gòu)之間添加裝配關(guān)系驅(qū)動角鋼的形狀和位置的自適應(yīng)變化，即系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員選擇的結(jié)構(gòu)邊自動確定角鋼的長度和位置，從而提高角鋼裝配設(shè)計(jì)的效率。

圖4 零件特征的分類

由于采用基于歷史的裝配技術(shù)，如果在裝配的過程中設(shè)計(jì)人員修改了建筑結(jié)構(gòu)的尺寸，則通過重構(gòu)預(yù)埋件裝配特征歷史鏈，將自動生成新的預(yù)埋件并確定其位置；如果設(shè)計(jì)人員修改了某個預(yù)埋件的尺寸或位置，則對于該特征通過復(fù)制、陣列等操作得到的預(yù)埋件也將發(fā)生相應(yīng)的變化，不用設(shè)計(jì)人員專門修改。如圖5(a)所示，在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)上裝有角鋼、螺栓，這些角鋼和螺栓的安裝分別通過添加角鋼特征、螺栓特征、陣列特征以及鏡像特征實(shí)現(xiàn)；由于在預(yù)埋件的安裝過程中引用了建筑結(jié)構(gòu)上的點(diǎn)、線、面等幾何實(shí)體，而陣列特征引用了螺栓特征，鏡像特征應(yīng)用了螺栓特征和鏡像特征，因此預(yù)埋件裝配特征及工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)之間存在依賴關(guān)系，依賴關(guān)系圖如圖5(b)所示。從圖 5(b)可以看出，角鋼和螺栓的位置及尺寸依賴于建筑結(jié)構(gòu)，如果建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，則角鋼和螺栓也會發(fā)生相應(yīng)的變化；陣列特征和鏡像特征都依賴于螺栓，如果設(shè)計(jì)人員對螺栓的形狀和位置做了修改，則陣列特征和鏡像特征都應(yīng)該自動更新。

預(yù)埋件裝配設(shè)計(jì)過程如圖6所示，首先設(shè)計(jì)人員選擇要裝配的預(yù)埋件；如果選取的是角鋼，則首先確定裝配方式，然后確定安裝的結(jié)構(gòu)邊，系統(tǒng)將自動求出結(jié)構(gòu)邊的長度和夾角，并確定角鋼的長度和位置，根據(jù)需要還可以調(diào)整角鋼的基準(zhǔn)面，這樣就完成了一個角鋼的裝配；如果選取的不是角鋼而是其它種類的預(yù)埋件，則首先選定裝配方式，然后確定裝配體上的各個配合元素，接著確定各個定位參數(shù)和預(yù)埋件的形狀參數(shù)，這樣就完成了該預(yù)埋件的裝配。

圖5 預(yù)埋件裝配實(shí)例及特征依賴關(guān)系圖

圖6 預(yù)埋件的裝配流程圖

與機(jī)械領(lǐng)域三維CAD軟件的裝配設(shè)計(jì)方法相比，本文的裝配設(shè)計(jì)方法具有以下特點(diǎn)：第一，由于定義預(yù)埋件模板的時候提前定義了預(yù)埋件上的配合元素，使得在裝配的過程中減少了不必要的操作，只需選定建筑結(jié)構(gòu)上的配合元素系統(tǒng)就會自動把相應(yīng)的元素按約束關(guān)系進(jìn)行配合，從而簡化了裝配操作，提高了裝配速度；第二，由于各種型號預(yù)埋件的常用尺寸預(yù)先存儲在預(yù)埋件模板庫中，在裝配的過程中可以選擇一組需要的尺寸而無需逐個輸入各個參數(shù)值，節(jié)約了時間；第三，根據(jù)角鋼裝配的具體需要，采用了自適應(yīng)裝配技術(shù)，在裝配的過程中設(shè)計(jì)人員不用計(jì)算角鋼的尺寸，而是由系統(tǒng)根據(jù)裝配關(guān)系和建筑構(gòu)件的尺寸自動修改預(yù)埋件的參數(shù)來滿足裝配需求；第四，根據(jù)不同種類預(yù)埋件的特點(diǎn)，為不同類型預(yù)埋件提供了多種裝配方式，以便在不同的環(huán)境下快速完成裝配；第五，增加了批量裝配方法，在預(yù)埋件裝配過程中有些相同預(yù)埋件的分布呈一定規(guī)律，通過陣列、復(fù)制、鏡像等特征操作大幅提高裝配效率。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用實(shí)例

本文方法已經(jīng)在華中科技大學(xué)CAD中心開發(fā)的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì) CAD平臺——InteRDS中得到應(yīng)用，該系統(tǒng)集三維混凝土結(jié)構(gòu)分層參數(shù)化建模、三維預(yù)埋件安裝設(shè)計(jì)、三維參數(shù)化配筋設(shè)計(jì)、二維工程詳圖自動生成于一體，實(shí)現(xiàn)高效的計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用本文方法開發(fā)的三維預(yù)埋件安裝設(shè)計(jì)子系統(tǒng)，有效地解決了InteRDS系統(tǒng)中三維預(yù)埋件快速安裝設(shè)計(jì)、模板圖自動生成和預(yù)埋件報表自動生成等問題。三維預(yù)埋件設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖7所示，其主要功能包括：第一，建立設(shè)備基礎(chǔ)和預(yù)埋件的三維幾何模型；第二，預(yù)埋件參數(shù)化模板設(shè)計(jì)；第三，預(yù)埋件參數(shù)化模板庫管理；第四，預(yù)埋件的快速裝配設(shè)計(jì)；第五，工程圖和統(tǒng)計(jì)報表自動生成。

圖8 某大型連鑄機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)預(yù)埋件裝配模型

圖8所示為某冶金工程設(shè)計(jì)院大型連鑄機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)預(yù)埋件安裝模型，該模型中包含160多個各種類型的預(yù)埋件，工程師采用本文方法完成預(yù)埋件安裝設(shè)計(jì)、工程圖和統(tǒng)計(jì)報表自動生成所花費(fèi)的時間不超過1小時，而采用AutoCAD直接繪制工程圖并手工統(tǒng)計(jì)預(yù)埋件報表，所花費(fèi)的時間超過 12小時。顯然，本文方法大大提高了預(yù)埋件安裝設(shè)計(jì)的效率；此外，由于三維設(shè)計(jì)簡單直觀，且工程圖和各種統(tǒng)計(jì)報表都是自動生成的，因而在降低勞動強(qiáng)度的同時保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié) 論

當(dāng)前包含大量預(yù)埋件的復(fù)雜工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依然采用二維 CAD軟件，存在設(shè)計(jì)效率較低且容易出錯等問題，本文依據(jù)“三維設(shè)計(jì)+二維出圖”的思路，分析基于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)件庫的裝配設(shè)計(jì)技術(shù)的不足，提出融合參數(shù)化形狀結(jié)構(gòu)模型、安裝定位方式、二維投影簡圖、統(tǒng)計(jì)報表模板、各種屬性信息、參數(shù)輸入界面及軟件系統(tǒng)界面于一體的預(yù)埋件參數(shù)化模板技術(shù)，建立用戶可定制擴(kuò)展的預(yù)埋件庫，然后采用基于歷史的預(yù)埋件參數(shù)化裝配特征設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)預(yù)埋件快速安裝設(shè)計(jì)以及工程圖生成和報表生成的自動化，明顯提高了預(yù)埋件設(shè)計(jì)的效率并減少設(shè)計(jì)修改及設(shè)計(jì)錯誤?；诖?，本文開發(fā)了集預(yù)埋件模板定制、預(yù)埋件安裝設(shè)計(jì)、工程圖和統(tǒng)計(jì)報表自動生成等功能于一體的預(yù)埋件設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并集成到具有自主知識版權(quán)的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)平臺InteRDS中，且在國內(nèi)多家典型工程設(shè)計(jì)單位的多個大型設(shè)計(jì)項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。此外，本文方法雖然針對工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中預(yù)埋件的安裝設(shè)計(jì)，但不失一般性，同樣適用于開發(fā)其它專業(yè)領(lǐng)域的裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

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