三維設(shè)計軟件在工程設(shè)計中的必要性

李成 趙亮 張凱 李勇

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

圖紙繪制是工程設(shè)計工作中的主要環(huán)節(jié)，圖紙質(zhì)量決定著項目的設(shè)計水平，是參與行業(yè)競爭的最有利的武器。隨著技術(shù)水平的提高，設(shè)計細(xì)節(jié)的精細(xì)化，二維設(shè)計軟件已經(jīng)不能完全適應(yīng)設(shè)計需要，三維設(shè)計軟件的引進(jìn)和普及具有極其重要的意義。

筆者作為窯爐設(shè)計的工程師，基礎(chǔ)工作是圖紙繪制，目前采用二維設(shè)計軟件進(jìn)行圖紙繪制。由于窯爐具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、局部結(jié)構(gòu)較多等特點，二維軟件繪制的圖紙難以將這些細(xì)節(jié)直觀表達(dá)出來，可能會導(dǎo)致耐火材料廠家和窯爐施工方對某些結(jié)構(gòu)存在理解誤區(qū)，如噴火口、小爐喇叭碹、山墻承重碹碹碴等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。工程師通過三維設(shè)計軟件可以直接繪制實體模型，省去通過主觀將實體轉(zhuǎn)化成平面的環(huán)節(jié)，提高設(shè)計效率；而且三維模型圖更加直觀，能對相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的演示和模擬，利于耐火材料廠家和施工方更好的理解，同時又能將三維圖紙通過軟件直接轉(zhuǎn)化成二維圖紙，避免設(shè)計人員直接繪制二維圖紙產(chǎn)生錯誤，尤其對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，無需把實體通過頭腦轉(zhuǎn)化成二維視圖，可以大大降低設(shè)計工作強(qiáng)度。

1 二維設(shè)計軟件

最早的二維設(shè)計是利用圖板、丁字尺和鉛筆等工具，通過人工繪制圖紙。當(dāng)計算機(jī)普及時，利用二維設(shè)計軟件繪制出電子圖紙，通過打印機(jī)輸出轉(zhuǎn)換為施工藍(lán)圖。二維設(shè)計軟件使設(shè)計人員擺脫了圖板、鉛筆等工具，大大提高了繪圖質(zhì)量和工作效率。

二維設(shè)計最普遍采用的軟件是CAD。筆者以某公司的CAD軟件為例，介紹窯爐圖紙繪制的基本過程和方法。

（1）按照總體方案要求，繪制窯爐總圖。

（2）按照總圖進(jìn)行各部位的分解，見圖1。

圖1 窯爐各部位分解圖

（3）按照預(yù)先確定好的參數(shù)分解完各部位組裝圖。以小爐頂碹為例，按照總圖及確定好的參數(shù)，繪制出基本結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 小爐頂碹結(jié)構(gòu)

（4）將各部位組裝圖再次分解為供耐火材料廠家、施工方可以制作和施工的零件圖紙。將小爐頂碹分解為若干碹碴磚和若干碹磚，其中一塊碹磚零件圖紙如圖3所示。

圖3 小爐碹磚

（5）將總圖、各部位的組裝圖、零件圖紙經(jīng)過專人審核無誤后，通過打印機(jī)輸出并轉(zhuǎn)換為施工用的藍(lán)圖。

至此整個圖紙繪制過程全部完成。將藍(lán)圖交給相關(guān)的耐火材料廠家制作磚材，交給鋼結(jié)構(gòu)施工隊進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)零件制作，交給窯爐砌筑施工方進(jìn)行砌筑，將按照零件圖制作的磚材、鋼材按照組裝圖進(jìn)行砌筑安裝，最終形成整座窯爐。

步驟（3）中基本結(jié)構(gòu)的視圖樣式和步驟（4）中組裝圖的再次分解及零件圖紙，都是設(shè)計者把實體靠大腦抽象成平面視圖，靠主觀和經(jīng)驗來完成二維圖紙繪制的。

1.1 二維設(shè)計軟件主要優(yōu)點

（1）二維設(shè)計軟件簡單易學(xué)，上手快，學(xué)會相關(guān)軟件基本操作，就能計算機(jī)繪圖；

（2）正版二維軟件費用低，維護(hù)成本低，同時二維軟件對計算機(jī)配置要求不高，總體來說企業(yè)采用二維軟件總成本較低；

（3）二維設(shè)計可以通過圖形線條表達(dá)設(shè)計內(nèi)容，表現(xiàn)形式規(guī)范，圖紙樣式都有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，零件圖上的尺寸、精度及技術(shù)要求和技術(shù)說明標(biāo)示清晰，大多數(shù)情況下，二維圖紙是可以滿足工程設(shè)計要求的。

1.2 二維設(shè)計軟件主要缺點

（1）二維設(shè)計軟件繪制的圖紙表達(dá)不直觀，不便快速檢測和發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤，造成設(shè)計更改工作量大，甚至有可能把有隱藏問題的圖紙帶到后期制作和施工中去；

（2）二維圖紙的繪制過程中，大部分工作是設(shè)計工程師依靠大腦把實體抽象成平面的各個視圖，具有主觀性，難免出現(xiàn)差錯和理解錯誤。尤其對于復(fù)雜的實體，把實體抽象成二維視圖很困難，再把大腦中的二維視圖轉(zhuǎn)化成圖紙更加困難。

以小爐喇叭口斜碹為例，按照總圖及相關(guān)參數(shù)，繪制出基本結(jié)構(gòu)，如圖4所示。將小爐喇叭口斜碹的三視圖繪制出來，已經(jīng)非常困難，而且部分點、線也不能全部繪制表示清楚。

圖4 小爐斜碹結(jié)構(gòu)

將此斜碹再分解為各個零件圖，如果只靠想象是很難繪制出來的，只能按照三視圖原理，點線面一一對應(yīng)，勉強(qiáng)將零件圖繪制出來，見圖5。

圖5 小爐碹碴磚

此碹碴磚的圖紙非常復(fù)雜、抽象，可能還存在局部細(xì)節(jié)錯誤。通常窯爐結(jié)構(gòu)中有3、4種參數(shù)不同的小爐斜碹結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)需要分解為約36組零件圖，總共需要繪制108組或144組零件圖，繪圖工作量巨大，難度高。

繪制完成后將此零件藍(lán)圖交給耐材廠家，耐材廠家制作前，技術(shù)人員還要再次根據(jù)組裝圖分解出零件圖，與設(shè)計工程師繪制的零件藍(lán)圖一一對比確認(rèn)，如尺寸不一致，還要與設(shè)計工程師核實，重新確認(rèn)圖紙。這些對比、確認(rèn)、核實等工作占用了設(shè)計工程師和耐材廠家技術(shù)人員的大量精力。

（3）在施工階段，施工人員需要把平面信息想象成三維實體才能施工。尤其對于一些復(fù)雜部位，施工人員可能對二維圖紙的理解出現(xiàn)差錯，出現(xiàn)返工或者影響施工質(zhì)量等問題。

2 三維設(shè)計軟件

三維設(shè)計軟件是采用全新的立體思維方式，直接應(yīng)用計算機(jī)實體造型技術(shù)把頭腦中的立體構(gòu)思真實反映出來，與二維設(shè)計軟件不同，它不是采用平面投影關(guān)系來反映實物的概念，不需要把實體轉(zhuǎn)化成平面視圖，三維設(shè)計模型非常直觀、方便理解。三維設(shè)計軟件不僅可以三維設(shè)計繪圖，還具有產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等輔助功能。

以某公司三維CAD軟件為例，介紹窯爐圖紙繪制的基本過程和方法：

步驟（1）、（2）同二維設(shè)計軟件。

（3）按照預(yù)先確定好的參數(shù)，繪制組裝圖實體模型。以小爐頂碹為例，繪制的小爐頂碹模型如圖6所示。

圖6 小爐頂碹結(jié)構(gòu)模型

（4）將實體模型分解為單塊零件圖。小爐碹磚和小爐碹碴磚三維零件圖見圖7，通過三維軟件轉(zhuǎn)化功能，將三維零件圖轉(zhuǎn)化為二維圖紙，見圖8。

圖7 小爐碹磚三維零件

圖8 小爐碹磚二維零件

（5）將（3）中的各個組裝圖模型進(jìn)行組裝，通過虛擬裝配、干涉檢驗等程序，糾正出現(xiàn)的錯誤，最終完成整座窯爐的模型設(shè)計。

2.1 主要優(yōu)點

（1）三維設(shè)計軟件是直接繪制實體模型，設(shè)計人員不必耗費精力考慮實體和平面的關(guān)系，設(shè)計效率大大提高，節(jié)省時間和精力；

（2）三維設(shè)計軟件繪制的實體模型直觀易懂，便于耐火材料廠家、施工方更好地理解，利于提高工作效率；

（3）三維模型完成后，可通過軟件自動生成二維圖紙，只要實體準(zhǔn)確，二維圖紙就相應(yīng)準(zhǔn)確，保證圖紙的正確率；同時通過對三維實體的修改，會直接將相關(guān)的修改反映到二維圖紙中，這樣可以大大提高設(shè)計效率；

（4）三維設(shè)計軟件還具有模擬裝配、干涉檢驗、運動分析、動態(tài)仿真等輔助功能，可以進(jìn)一步修改和完善總體方案，提高設(shè)計水平。

2.2 主要缺點

（1）三維設(shè)計軟件繪制的圖紙目前還未大規(guī)模普及和使用，圖紙的表達(dá)樣式等缺少統(tǒng)一的規(guī)定和規(guī)則；

（2）正版三維設(shè)計軟件價格較高，而且對電腦配置要求較高，綜合使用成本較高；

（3）三維設(shè)計軟件操作復(fù)雜，使用繁瑣，需要使用單位投入大量的人力、物力和財力；

（4）三維設(shè)計軟件具有轉(zhuǎn)化二維圖紙的功能，但轉(zhuǎn)化完的二維圖紙，在圖紙版面、標(biāo)注樣式、技術(shù)要求等方面還不完善，還需后期單獨修改。

3 兩種設(shè)計軟件比較

二維設(shè)計軟件和三維設(shè)計軟件對比見表1。

表1 兩種設(shè)計軟件比較

4 結(jié)語

我國從90年代手工繪圖轉(zhuǎn)變到計算機(jī)二維設(shè)計軟件繪圖，使設(shè)計效率提高了數(shù)倍，從二維設(shè)計軟件到三維設(shè)計軟件，又是設(shè)計理念的變革，三維設(shè)計軟件是工程設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展的一個方向，已經(jīng)成為開拓市場、提高競爭優(yōu)勢的手段之一。三維設(shè)計軟件在提高工程設(shè)計水平和效率上發(fā)揮著積極的作用，政府、行業(yè)和企業(yè)應(yīng)盡快出臺三維圖紙的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，加快推廣和普及三維設(shè)計軟件的應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計人員也應(yīng)加強(qiáng)對軟件的學(xué)習(xí)，保持全新的設(shè)計理念，使設(shè)計技術(shù)水平跟上世界先進(jìn)的發(fā)展水平。