工業建筑預埋件三維快速裝配設計方法

杜林寶， 黃學良， 王彥偉， 陳 剛， 陳立平

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

隨著計算機技術的發展，建筑設計已經甩掉了圖板，工程師普遍采用計算機輔助繪圖軟件開展設計工作。但是，現階段的計算機輔助建筑設計大多采用二維CAD軟件繪制二維工程圖，并未改變原有的設計流程和思維模式，建筑結構的完整數據仍然以多種形態分散在多張工程圖的不同部分，需要有一定知識背景和經驗的人員來閱讀，因而設計以后的許多工序，包括審核、算量、施工等，仍然停留在通過人工讀圖來獲取設計數據的狀態[1]。由于二維工程圖不能直觀地表達建筑結構的空間位置關系，因而采用繪制二維工程圖的方式在工業建筑結構中進行預埋件安裝設計就容易出現碰、錯、漏等問題。鑒于三維設計成功地解決了管道設計和鋼結構設計過程中的碰、錯、漏等問題，而目前又沒有專門針對預埋件設計的三維CAD軟件，因此，研究預埋件三維快速裝配設計方法具有重要的實用價值。

預埋件作為工業建筑結構中用于固定和支撐工藝設備的結構附件，通常嵌入安裝在工業建筑現澆混凝土結構中。在三維CAD系統中進行預埋件的安裝，同一型號的預埋件上的定位實體和約束關系都是相同的，如果按照機械零件的裝配方式來完成預埋件的安裝，就需要重復輸入大量的約束實體和約束關系，將導致安裝的效率降低。參數化模板和標準件庫的使用能夠大大加快產品設計的速度[2]，因此，在預埋件三維設計系統中引入三維參數化模板技術和標準件庫技術，將有利于提高預埋件三維設計的效率。

近年來，許多學者在三維參數化設計、裝配設計和標準件庫方面做了大量研究和實踐。雷璐等人提出了一種三維建筑構件的參數化建模語言——PCML，并結合參數化的建模界面，使軟件系統能按照預先定義的規則自動生成三維模型，簡化了用戶的操作步驟，提高了建筑構件的建模速度[1]。何援軍在參數化零部件庫的基礎上實現了裝配設計的參數化，修改零部件的參數或裝配尺寸后裝配圖能夠自動調整[2]。Sacks等人將三維參數化技術應用于預澆制混凝土建筑結構的設計，實現了預澆制混凝土構件的參數化[3]。張祥林等人將參數化模板、配置設計和變型設計結合起來，通過定制參數化模板提高了產品模型的生成速度，提高了產品的設計效率[4]。李原等人通過對CATIA進行二次開發，構建航空產品的標準件庫，提高了產品的設計質量并縮短了設計周期[5]。單泉等人研究了智能定位與智能尺寸驅動技術，實現了模塊化產品族的智能裝配方法，提高了產品的裝配設計效率[6]。劉振宇等人提出了基于語義的裝配關系表達與識別，通過零件的約束運動確定裝配路徑以及零件在裝配體中的最終定位，提高了裝配設計的速度[7]。Li Guidong等人把參數化技術應用于機械零件的標準件中，并在標準件上預先定義了裝配約束，提供了兩種不同的裝配方式供不同的標準件選用，該方法提高了標準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化技術的應用和裝配技術應用，但是所介紹的這些技術都是在某些特定領域的應用，不具有一般性，對其他領域的參數化設計和裝配設計不適用[1-8]。

為了實現預埋件的快速裝配設計，應該建立各種型號預埋件的參數化模板并存入預埋件模板庫，在裝配的過程中就要盡可能減少操作步驟，并且要根據不同的預埋件選擇不同的裝配方法。在實際工程設計過程中往往還需要輸出工程圖，統計材料和各種型號的預埋件的數量。因此，要滿足上述要求，系統必須具有以下功能：第一，定義預埋件參數化模板；第二，構建預埋件的標準件庫；第三，預埋件快速安裝設計；第四，自動生成工程詳圖；第五，自動生成各種預埋件報表。為此，研究一種快速裝配設計方法，專門用于預埋件的參數化設計和裝配。

1 廣義參數化模板

參數化設計是將零件上的特征加以各種形式的約束，以尺寸驅動設計，將每個特征的幾何形狀、尺寸大小，以及每個特征的位置關系，用變量的方式表示，在滿足約束條件的前提下，修改特征的參數即可生成新的實體。為了更好地實現參數化設計，方便標準件的管理，在設計之前應把零件按照一定的方式進行分類。工業建筑預埋件可按照不同的類型進行分類，常見的有角鋼、螺栓、鋼板等類型，而每種類型的預埋件又包含若干不同型號的預埋件，如圖1所示為冶金工程設計行業常見預埋件的分類。由于同種型號的預埋件拓撲結構相同，只是在尺寸上面有些差異，因此對于型號相同的預埋件建立其三維參數化模型，加上相關的尺寸變量和適當的約束，當賦予各個變量新值的時候就可通過參數驅動得到新的預埋件模型。在上述工作完成之后定義該型號預埋件的屬性（包括材料信息、標高點，出圖信息等），這樣就定義了該型號預埋件的參數化模板。

圖1 常見預埋件的分類

預埋件的廣義參數化模板是以基于歷史的參數化特征造型技術為基礎，不僅包括傳統參數化所包含的對某些特征驅動尺寸的修改而帶動其他相關聯尺寸的修改，按照設計者的設計意圖產生一個拓撲結構相同尺寸不同的預埋件，還包括以下內容：允許設計人員自己定制系統界面；允許設計人員對同一型號的預埋件定義多種裝配方式和裝配界面；允許設計人員定義適合自己的安裝界面；預埋件模板中包含了預埋件的報表、材料、出圖示例信息。預埋件廣義參數化模板如圖2所示：第一，預埋件模型是一個參數化的三維模型，允許設計人員修改尺寸變量，通過尺寸驅動獲得一個新的預埋件；第二，系統界面可以定制，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，在實際工程設計中同一種預埋件可能在不同的環境下裝配，定義適用于不同環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界面，并且各個參數都對應著預埋件的具體結構尺寸，這樣更便于用戶輸入各個參數值；第五，預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，因為在輸出報表的時候需要輸出預埋件的簡圖，在輸出工程圖的時候預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，預埋件模板還包括預埋件統計表和結構表模板，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埋件報表和結構表。

圖2 預埋件參數化模板信息

預埋件廣義參數化模板的設計流程如圖3所示：第一，設計計算并確定設計參數，根據各個預埋件的特點和用戶的需求確定各個參數化變量和變量之間的關聯關系；第二，建立各個預埋件的三維參數化模型和工程圖模板；第三，定義預埋件的屬性，預埋件的屬性包括預埋件的投影信息，出圖信息等，以供在輸出工程圖、預埋件報表時用；第四，定義各種型號預埋件的裝配方式和裝配界面；第五，定義各型號預埋件的參數界面；第六，把定義好的預埋件模板存入模板庫中。

圖3 預埋件參數化模板定義流程圖

因此，預埋件廣義參數化模板有以下特點：第一，預埋件采用三維參數化模型，可以達到一次建模，多次重復使用的目的，減少不必要的重復工作，提高設計效率；第二，設計人員可以根據自己的需要和習慣定制安裝參數輸入界面和系統界面；第三，設計人員可以根據實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 快速裝配設計

零件的裝配過程就是添加約束條件限制零件位置的過程，在機械領域的三維CAD軟件中，零部件的裝配都是設計人員選擇零部件上的各個配合實體，并確定各組配合實體之間的約束關系，從而完成零部件的定位。這種裝配方法步驟較多，效率不高，對于配合實體不斷變化的零件裝配比較適用。然而，預埋件的裝配設計是實現預埋件在建筑結構上的安裝定位，建筑結構的位置始終保持不動。同時，同種類型的預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系及裝配約束關系關聯的配合實體通常是相同的，而這些裝配約束關系及配合實體的選擇取決于預埋件的類型。可見，與機械CAD中零部件的裝配設計不同，預埋件的安裝方式是可以預先定義的。

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，并能根據實際裝配環境對不同的預埋件采用不同的裝配方法。因此，在定制預埋件參數化模板時，可以根據預埋件的裝配特點，預先定義預埋件裝配過程中的各個配合實體、配合關系和輸入參數初值（即在定義預埋件標準件的過程中定義好約束關系和配合實體）。這樣，在預埋件裝配的過程中只需輸入所需的參數化信息、建筑結構模型中配合的幾何實體和參數值就能完成預埋件的裝配。

在構建預埋件參數化模板的基礎上，本文采用基于歷史的裝配特征方法裝配預埋件，如圖4所示，預埋件裝配特征可以分為兩類，分別是基于預埋件庫的預埋件和基于特征的預埋件特征。基于預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、陣列特征和復制特征，分別用于鏡像、陣列和復制已經安裝的預埋件，主要用于安裝螺栓和鋼板這類在空間位置上按規律分布的預埋件。在上述預埋件中，角鋼通常用來保護結構邊，其長度和位置取決于所保護結構邊的長度和位置，本文在角鋼的裝配設計過程中引入自適應裝配技術，該技術通過在角鋼和建筑結構之間添加裝配關系驅動角鋼的形狀和位置的自適應變化，即系統可以根據設計人員選擇的結構邊自動確定角鋼的長度和位置，從而提高角鋼裝配設計的效率。

圖4 零件特征的分類

由于采用基于歷史的裝配技術，如果在裝配的過程中設計人員修改了建筑結構的尺寸，則通過重構預埋件裝配特征歷史鏈，將自動生成新的預埋件并確定其位置；如果設計人員修改了某個預埋件的尺寸或位置，則對于該特征通過復制、陣列等操作得到的預埋件也將發生相應的變化，不用設計人員專門修改。如圖5(a)所示，在工業建筑結構上裝有角鋼、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現；由于在預埋件的安裝過程中引用了建筑結構上的點、線、面等幾何實體，而陣列特征引用了螺栓特征，鏡像特征應用了螺栓特征和鏡像特征，因此預埋件裝配特征及工業建筑結構之間存在依賴關系，依賴關系圖如圖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構，如果建筑結構發生變化，則角鋼和螺栓也會發生相應的變化；陣列特征和鏡像特征都依賴于螺栓，如果設計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該自動更新。

預埋件裝配設計過程如圖6所示，首先設計人員選擇要裝配的預埋件；如果選取的是角鋼，則首先確定裝配方式，然后確定安裝的結構邊，系統將自動求出結構邊的長度和夾角，并確定角鋼的長度和位置，根據需要還可以調整角鋼的基準面，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和預埋件的形狀參數，這樣就完成了該預埋件的裝配。

圖5 預埋件裝配實例及特征依賴關系圖

圖6 預埋件的裝配流程圖

與機械領域三維CAD軟件的裝配設計方法相比，本文的裝配設計方法具有以下特點：第一，由于定義預埋件模板的時候提前定義了預埋件上的配合元素，使得在裝配的過程中減少了不必要的操作，只需選定建筑結構上的配合元素系統就會自動把相應的元素按約束關系進行配合，從而簡化了裝配操作，提高了裝配速度；第二，由于各種型號預埋件的常用尺寸預先存儲在預埋件模板庫中，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值，節約了時間；第三，根據角鋼裝配的具體需要，采用了自適應裝配技術，在裝配的過程中設計人員不用計算角鋼的尺寸，而是由系統根據裝配關系和建筑構件的尺寸自動修改預埋件的參數來滿足裝配需求；第四，根據不同種類預埋件的特點，為不同類型預埋件提供了多種裝配方式，以便在不同的環境下快速完成裝配；第五，增加了批量裝配方法，在預埋件裝配過程中有些相同預埋件的分布呈一定規律，通過陣列、復制、鏡像等特征操作大幅提高裝配效率。

3 系統實現與應用實例

本文方法已經在華中科技大學CAD中心開發的工業建筑結構三維設計 CAD平臺——InteRDS中得到應用，該系統集三維混凝土結構分層參數化建模、三維預埋件安裝設計、三維參數化配筋設計、二維工程詳圖自動生成于一體，實現高效的計算機輔助工業建筑結構設計。采用本文方法開發的三維預埋件安裝設計子系統，有效地解決了InteRDS系統中三維預埋件快速安裝設計、模板圖自動生成和預埋件報表自動生成等問題。三維預埋件設計子系統的體系結構如圖7所示，其主要功能包括：第一，建立設備基礎和預埋件的三維幾何模型；第二，預埋件參數化模板設計；第三，預埋件參數化模板庫管理；第四，預埋件的快速裝配設計；第五，工程圖和統計報表自動生成。

圖8 某大型連鑄機設備基礎預埋件裝配模型

圖8所示為某冶金工程設計院大型連鑄機設備基礎預埋件安裝模型，該模型中包含160多個各種類型的預埋件，工程師采用本文方法完成預埋件安裝設計、工程圖和統計報表自動生成所花費的時間不超過1小時，而采用AutoCAD直接繪制工程圖并手工統計預埋件報表，所花費的時間超過 12小時。顯然，本文方法大大提高了預埋件安裝設計的效率；此外，由于三維設計簡單直觀，且工程圖和各種統計報表都是自動生成的，因而在降低勞動強度的同時保證了設計質量。

4 結 論

當前包含大量預埋件的復雜工業建筑結構設計依然采用二維 CAD軟件，存在設計效率較低且容易出錯等問題，本文依據“三維設計+二維出圖”的思路，分析基于傳統標準件庫的裝配設計技術的不足，提出融合參數化形狀結構模型、安裝定位方式、二維投影簡圖、統計報表模板、各種屬性信息、參數輸入界面及軟件系統界面于一體的預埋件參數化模板技術，建立用戶可定制擴展的預埋件庫，然后采用基于歷史的預埋件參數化裝配特征設計方法，實現預埋件快速安裝設計以及工程圖生成和報表生成的自動化，明顯提高了預埋件設計的效率并減少設計修改及設計錯誤。基于此，本文開發了集預埋件模板定制、預埋件安裝設計、工程圖和統計報表自動生成等功能于一體的預埋件設計系統，并集成到具有自主知識版權的工業建筑結構三維設計平臺InteRDS中，且在國內多家典型工程設計單位的多個大型設計項目中得到成功應用。此外，本文方法雖然針對工業建筑結構中預埋件的安裝設計，但不失一般性，同樣適用于開發其它專業領域的裝配設計系統。

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