村鎮(zhèn)住宅建筑詳圖模塊化研究

張益勛 祝 捷

(天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，天津 300072)

1 概述

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的改善和支農(nóng)政策的落實(shí)，農(nóng)民收入逐年增加，新建和改建的農(nóng)村住宅逐年增多，近十年來(lái)，每年新建的農(nóng)村住宅為6億～7億平方米，占全國(guó)新建住宅總量的一半以上，以上數(shù)據(jù)表明，農(nóng)村住宅建設(shè)是我國(guó)住宅建設(shè)的重要組成部分。但是，由于長(zhǎng)期受城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)的制約，農(nóng)村住宅建筑設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重滯后，已經(jīng)不能適應(yīng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展需求。同時(shí)，村鎮(zhèn)基層設(shè)計(jì)人員基礎(chǔ)薄弱、單位技術(shù)力量不足、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)缺乏，造成村鎮(zhèn)住宅平面布局和空間組合極不合理。而且，大量的村莊住宅建設(shè)不顧地方氣候、地形地貌、建筑材料和歷史文化特點(diǎn)，把城市甚至于國(guó)外的住宅照抄照搬到農(nóng)村，已經(jīng)成為普遍的現(xiàn)象。破壞民族傳統(tǒng)建筑文化特色現(xiàn)象十分嚴(yán)重，影響了農(nóng)村整體規(guī)劃建設(shè)水平，與農(nóng)村現(xiàn)代化生活需求和建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村理念不相適應(yīng)。

在國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃帶動(dòng)下“農(nóng)村住宅規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)研究”于2008年啟動(dòng)，項(xiàng)目下的課題“村鎮(zhèn)住宅建筑設(shè)計(jì)模塊化技術(shù)與軟件開(kāi)發(fā)”研究工作也同期展開(kāi)。目前，該課題已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)村鎮(zhèn)住宅建筑設(shè)計(jì)的CHouseCAD三維軟件系統(tǒng)。

CHouseCAD是專(zhuān)門(mén)針對(duì)村鎮(zhèn)住宅三維軟件建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件。該軟件憑借平臺(tái)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)能夠輕松地將二維和三維圖形整合，并通過(guò)針對(duì)性開(kāi)發(fā)，將復(fù)雜的圖形操作變?yōu)楹?jiǎn)單的直觀的參數(shù)化操作，使用戶(hù)經(jīng)過(guò)稍加培訓(xùn)就能設(shè)計(jì)村鎮(zhèn)住宅，輕松得到三維的建筑模型和平立剖圖及詳圖設(shè)計(jì)圖紙甚至生成工程量清單。

2 詳圖模塊化研究

詳圖模塊化研究是“村鎮(zhèn)住宅建筑設(shè)計(jì)模塊化技術(shù)與軟件開(kāi)發(fā)”的子課題，以三維CHouseCAD軟件為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)與其配套使用的詳圖設(shè)計(jì)模塊系統(tǒng)。

模塊化概念在不同的領(lǐng)域具有不盡相同的含義。但大體上說(shuō)模塊化是指解決一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題時(shí)自上而下逐層把系統(tǒng)劃分成若干模塊的過(guò)程。模塊有多種屬性，分別反映其內(nèi)部特性。每個(gè)模塊完成一個(gè)特定的子功能，所有的模塊按某種方法組裝起來(lái)，成為一個(gè)整體，完成整個(gè)系統(tǒng)所要求的功能。

就本課題而言，模塊概念的引入具有實(shí)用價(jià)值。中國(guó)地域遼闊，不同地區(qū)村鎮(zhèn)建筑文化受南北氣候、生產(chǎn)和生活方式、地方文化的影響差異很大。這為村鎮(zhèn)住宅建筑的軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)一定難度。單獨(dú)套系統(tǒng)如何面對(duì)這所有問(wèn)題，是軟件開(kāi)發(fā)策略上主要應(yīng)對(duì)的問(wèn)題。CHouseCAD作為主線主要解決軟件操作和軟件功能中的共性問(wèn)題，而差異化的部分如反映地方特色的詳圖構(gòu)造部分交由子模塊來(lái)完成，這些模塊可通過(guò)接口與CHouseCAD系統(tǒng)連接。其實(shí)現(xiàn)方法是在軟件運(yùn)行初始，通過(guò)接入不同的子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建不同地域的傳統(tǒng)特色住宅的目的(見(jiàn)圖1)，各子模塊之間由于并不存在必然的邏輯關(guān)系被并行地安排在一個(gè)系統(tǒng)資源中，使這個(gè)系統(tǒng)具有技術(shù)統(tǒng)一、功能多樣的特性。

模塊化系統(tǒng)的構(gòu)成根據(jù)軟件平臺(tái)特性和課題實(shí)現(xiàn)目標(biāo)需求將其劃分為模板技術(shù)和詳圖庫(kù)技術(shù)兩部分，但如何有效集成這兩部分內(nèi)容有兩種實(shí)現(xiàn)方式:模板和外部圖庫(kù)、模板和嵌入圖庫(kù)。兩種方式都可以安裝在系統(tǒng)內(nèi)指定的磁盤(pán)部位，用法相近但各有長(zhǎng)短。

第一種方式具有模板輕量化的優(yōu)勢(shì)。與圖庫(kù)相對(duì)獨(dú)立的另一個(gè)好處是圖庫(kù)可以自由更新且更新操作上對(duì)用戶(hù)和軟件開(kāi)發(fā)維護(hù)方面都很簡(jiǎn)單。不利的方面是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要有加載相應(yīng)圖庫(kù)的操作，雖然模板可以指定圖庫(kù)所在的磁盤(pán)地址并可以自動(dòng)加載，但一旦用戶(hù)根據(jù)自身需要未按缺省方式安裝程序并運(yùn)行模板時(shí)，圖庫(kù)的加載需要重新定位，這給新用戶(hù)增加了經(jīng)驗(yàn)負(fù)擔(dān);當(dāng)用戶(hù)有需要在不同的計(jì)算機(jī)上操作同一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，移動(dòng)項(xiàng)目文件也有丟失圖庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 CHouseCAD采用的不同地區(qū)的設(shè)計(jì)模板

第二種方式就是將所有相關(guān)的詳圖庫(kù)部件嵌入到模板文件中去，形成大而全的單一文件，這個(gè)方式無(wú)疑增大了模板文件的重量。除了模板文件被增大的不利因素外，其他方面的便利性十分突出。首先，將上一種方式的數(shù)百個(gè)零散文件變?yōu)閮H有的5個(gè)模板文件(見(jiàn)圖2)，文件磁盤(pán)占用更緊湊、操作更便利;自攜帶圖庫(kù)使項(xiàng)目文件移動(dòng)更靈活，不必?fù)?dān)心圖庫(kù)的遺漏，項(xiàng)目文件自身也是檔案文件，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更安全;圖庫(kù)在應(yīng)用中更便于查找。

圖2 五個(gè)不同地區(qū)的模板文件固定存放在默認(rèn)的文件夾

經(jīng)過(guò)對(duì)兩種方式的權(quán)衡對(duì)比及考慮到該系統(tǒng)未來(lái)的應(yīng)用環(huán)境，實(shí)用性是首要衡量因素。最終我們選擇了第二種方式進(jìn)行下一步開(kāi)發(fā)。

模板文件，這是幾乎所有CAD系統(tǒng)普遍采用的新建項(xiàng)目方式。模板為用戶(hù)預(yù)設(shè)了必要的文件操作環(huán)境，節(jié)省了大量時(shí)間。針對(duì)村鎮(zhèn)住宅建筑設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及CHouseCAD的能力，詳圖模塊化模板里除了基本的圖形環(huán)境設(shè)置如畫(huà)筆定義、圖層及圖層組合定義、材料和填充圖案定義等還記錄了項(xiàng)目其他管理信息，如項(xiàng)目地理信息、項(xiàng)目名稱(chēng)、建設(shè)地點(diǎn)、業(yè)主單位、設(shè)計(jì)人等等，方便檔案管理。不僅如此，CHouseCAD有能力創(chuàng)建具有多層屬性的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可用來(lái)定義墻體、樓板、屋頂?shù)冉ㄖ?gòu)件，這一特性有助于將符合國(guó)標(biāo)的村鎮(zhèn)建筑構(gòu)造中的各類(lèi)工程做法收錄進(jìn)模板的復(fù)合結(jié)構(gòu)屬性中(見(jiàn)圖3)。

圖3 復(fù)合結(jié)構(gòu)屬性界面

用戶(hù)可從模板使用中直接獲益，提高效率的同時(shí)也符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合結(jié)構(gòu)屬性使用戶(hù)創(chuàng)建的建筑構(gòu)件(墻體、屋頂、樓板)的剖面看上去更符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造圖集，并可精確地反映到工程量統(tǒng)計(jì)計(jì)算中;根據(jù)國(guó)標(biāo)圖集我們創(chuàng)建了5個(gè)地區(qū)的共700多個(gè)參數(shù)化的詳圖圖庫(kù)，這些詳圖又分別嵌入到5個(gè)地區(qū)模板當(dāng)中，這5個(gè)地區(qū)分別是北京地區(qū)、東北地區(qū)、徽州地區(qū)、云南麗江地區(qū)、山西晉中地區(qū)。用戶(hù)不需要在外部調(diào)用圖庫(kù)，更不需要再翻閱標(biāo)準(zhǔn)圖集即可得到需要的標(biāo)準(zhǔn)詳圖節(jié)點(diǎn)圖，不僅方便了設(shè)計(jì)師同時(shí)圖紙的全面性也方便了施工技術(shù)人員，更重要的是地方傳統(tǒng)特色的建筑文化也可以原汁原味地得到繼承。

3 詳圖的參數(shù)化

詳圖的參數(shù)化是本課題技術(shù)攻關(guān)的重要內(nèi)容。采用Graphisoft公司的GDL語(yǔ)言(幾何描述語(yǔ)言)，它的語(yǔ)法類(lèi)似BASIC語(yǔ)言，雖然簡(jiǎn)單但通過(guò)一系列命令行可分別描述復(fù)雜幾何體的二維和三維樣式并協(xié)調(diào)二者間的關(guān)系，而且形成的GSM文件僅僅是文本文件的大小。本課題中700多個(gè)詳圖的參數(shù)化過(guò)程就是通過(guò)GDL語(yǔ)言的編寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

詳圖參數(shù)化的過(guò)程可概括為以下幾個(gè)步驟:詳圖數(shù)字化、詳圖庫(kù)部件化(GSM)、參數(shù)的植入、庫(kù)部件優(yōu)化。

(1)詳圖數(shù)字化

這一過(guò)程是將圖集中的紙質(zhì)詳圖變?yōu)镃House-CAD中的數(shù)字化詳圖，變成線條、填充、文字、符號(hào)等二維元素。由于詳圖是建筑構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造做法，三維模型已經(jīng)無(wú)法替代這些二維信息了，因此詳圖設(shè)計(jì)模塊化研究主要針對(duì)二維GDL部分。詳圖數(shù)字化是為其參數(shù)化做的準(zhǔn)備工作，在繪制過(guò)程中特別要注意不是CHouseCAD提供的所有2D工具都能用GDL來(lái)解釋的，還要注意同一類(lèi)的元素要在相同的圖層中繪制。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)詳圖

圖集中的每一頁(yè)里都有若干個(gè)詳圖，它們基本上又都是彼此相關(guān)的。為了詳圖的庫(kù)部件化我們做了規(guī)劃，原則上將每一頁(yè)內(nèi)容做成一個(gè)GSM文件，每頁(yè)中的單個(gè)詳圖作為這個(gè)GSM的選項(xiàng)之一，GSM文件的名稱(chēng)也以＜圖集編號(hào)＞+頁(yè)碼+內(nèi)容提示的方式命名。(見(jiàn)圖5)這樣可以減少GSM文件的總數(shù)量，也方便用戶(hù)檢索。

(2)詳圖庫(kù)部件化

經(jīng)數(shù)字化后所生成的*．gsm文件如圖6所示。

圖6 GSM文件內(nèi)部索引

(3)參數(shù)選取

參數(shù)的選取是庫(kù)部件參數(shù)化的關(guān)鍵，詳圖中究竟哪些內(nèi)容需要用參數(shù)來(lái)控制是需要具體詳圖具體分析的。根據(jù)需求，一些最基本的信息是需要參數(shù)化的，如詳圖標(biāo)題、索引編號(hào)、圖中的剖切編號(hào)等。此外，CHouseCAD的模型空間和布圖空間存在比例差異，所以庫(kù)部件在這兩個(gè)空間中表現(xiàn)不一，如何讓庫(kù)部件在兩個(gè)空間中都能適用也需要增加參數(shù)控制。

圖8 參數(shù)列表(增加布圖模式選項(xiàng))

(4)庫(kù)部件優(yōu)化

在GDL腳本中，存在著大量的無(wú)用熱點(diǎn)(hotspot2)，使得GDL腳本過(guò)于臃腫，同時(shí)也增加了20%－30%不等的內(nèi)存/硬盤(pán)空間占用，刪除這些無(wú)用熱點(diǎn)將會(huì)使最終的tpl模板占用的空間大幅減少，性能上得以提高。

由于腳本中定義的熱點(diǎn)數(shù)量過(guò)多且零星分布，手工去除會(huì)耗費(fèi)大量的人力，且不排除出現(xiàn)人為錯(cuò)誤的可能性。因此，我們編寫(xiě)一個(gè)JAVA程序，通過(guò)對(duì)*．gsm文件中的腳本進(jìn)行掃描，自動(dòng)識(shí)別熱點(diǎn)定義語(yǔ)句并予以刪除，該程序最大限度地提升這一過(guò)程處理的速度和準(zhǔn)確性。

圖9 優(yōu)化結(jié)果的前后對(duì)比

4 應(yīng)用展望

關(guān)于農(nóng)村科技方面的軟件開(kāi)發(fā)課題在國(guó)家科技支撐計(jì)劃中并不多見(jiàn)，“十五”期間國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃的課題成果多為標(biāo)準(zhǔn)圖集?！按彐?zhèn)住宅建筑設(shè)計(jì)模塊化技術(shù)與軟件開(kāi)發(fā)”的課題成果將拓展這一應(yīng)用領(lǐng)域。雖然軟件的應(yīng)用平臺(tái)屬于科技前沿，但強(qiáng)化成果的實(shí)用性和易用性一直是我們研究中遵守的基本原則。CHouseCAD及其詳圖設(shè)計(jì)模塊系統(tǒng)將為村鎮(zhèn)基層設(shè)計(jì)人員提供一套強(qiáng)大但簡(jiǎn)單易用的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，同時(shí)也為用戶(hù)提供知識(shí)化、標(biāo)準(zhǔn)化、專(zhuān)家級(jí)支持。我們期待這一系統(tǒng)能在新農(nóng)村建設(shè)中發(fā)揮突出作用。

［1］中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院．《傳統(tǒng)特色小城鎮(zhèn)住宅圖集》05SJ918，2005．

［2］中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院．《小城鎮(zhèn)住宅建筑構(gòu)造》05SJ919，2005．

［3］楊聯(lián)萍，潘鈞俊，楊欽等．蘇南農(nóng)村住宅結(jié)構(gòu)特點(diǎn)調(diào)研［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2011，3(2):69-72．

［4］劉永軍，周靜海，孟憲宏．村鎮(zhèn)建筑抗洪性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2011，3(1):57-62．