基于3DE的安全監(jiān)測三維設(shè)計方法研究

摘要：三維設(shè)計是工程設(shè)計發(fā)展的必然趨勢，為解決安全監(jiān)測三維設(shè)計中存在的三維監(jiān)測儀器剖切后圖形各異無法識別、三維模型與二維監(jiān)測儀器符號無法直接轉(zhuǎn)換等難題，基于3DE軟件二次開發(fā)功能提出了安全監(jiān)測三維設(shè)計方法，建立了安全監(jiān)測三維模型庫與二維符號庫，搭建安全監(jiān)測三維設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)樹，研發(fā)了安全監(jiān)測三維設(shè)計自動化工具集，提出安全監(jiān)測三維設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)流程，實現(xiàn)安全監(jiān)測三維正向設(shè)計，達(dá)到了三維可視化展示、二維工程圖直接成套出圖、工程量統(tǒng)計的目的。將該方法在水利水工程中進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)果表明：安全監(jiān)測三維設(shè)計成果直觀形象，三維正向設(shè)計和二維出圖效率較三維空間和二維空間重復(fù)分別設(shè)計布置的傳統(tǒng)方法相比，可提升3倍以上。研究成果可為其他三維設(shè)計平臺的安全監(jiān)測設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：安全監(jiān)測； 三維設(shè)計； 3DE； 二次開發(fā)

中圖法分類號：TV222

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.010

文章編號：1006-0081（2024）11-0062-07

0 引 言

隨著科技進(jìn)步和計算機(jī)輔助制圖技術(shù)的發(fā)展，水利水電行業(yè)制圖從最初的手工繪制到二維計算機(jī)制圖再到三維設(shè)計，水利水電領(lǐng)域在設(shè)計制圖方式上發(fā)生了極大的變化［1］。三維設(shè)計是在三維空間將點、線、面、體等幾何元素，通過平移、旋轉(zhuǎn)等幾何變換和并、交、差等幾何運算，產(chǎn)生實際或想象的物理模型。三維設(shè)計成果直觀、可視，三維設(shè)計可以通過產(chǎn)品三維模型的投影直接生成二維工程圖，各視圖之間完全相關(guān)，修改三維模型時可以完成自動更新，輔助設(shè)計人員提高效率，有利于保證成果質(zhì)量，減少出錯率，同時可提高專業(yè)之間的協(xié)調(diào)性和不同層次之間的溝通效率，三維設(shè)計是工程設(shè)計發(fā)展的必然趨勢［2-5］。隨著三維設(shè)計軟件和技術(shù)逐漸發(fā)展完善，結(jié)構(gòu)、機(jī)電、地質(zhì)等專業(yè)分別結(jié)合各自專業(yè)的特點及所用三維設(shè)計軟件的不足，進(jìn)行了水利水電三維設(shè)計方法的研究［6-8］。

安全監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測水工建筑物安全，是指導(dǎo)施工、饋控運行、評價結(jié)構(gòu)建筑物安全的重要手段［9-11］。安全監(jiān)測儀器具有數(shù)量多、體積小、分散、形狀各異的特點，在安全監(jiān)測設(shè)計藍(lán)圖中主要采用二維監(jiān)測儀器符號表示不同的監(jiān)測儀器。安全監(jiān)測設(shè)計是在結(jié)構(gòu)建筑物設(shè)計成果的基礎(chǔ)上開展的，隨著結(jié)構(gòu)專業(yè)制圖方式從二維制圖向三維設(shè)計轉(zhuǎn)變，安全監(jiān)測專業(yè)也需要采用三維設(shè)計的方式。但利用現(xiàn)有三維設(shè)計軟件，安全監(jiān)測三維設(shè)計存在三維監(jiān)測儀器剖切后圖形各異無法識別、三維模型與二維監(jiān)測儀器符號無法直接轉(zhuǎn)換等難題，要在三維空間和二維圖紙上分別進(jìn)行布置才能實現(xiàn)三維和二維藍(lán)圖的交付。

針對上述難題，本文采用達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systems）的3DE（3DExperience）平臺，研究提出了基于3DE的安全監(jiān)測三維設(shè)計方法，實現(xiàn)了安全監(jiān)測三維正向設(shè)計。本文建立了安全監(jiān)測三維模型庫、二維符號庫，搭建安全監(jiān)測三維設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)樹，研發(fā)了安全監(jiān)測三維設(shè)計自動化工具集，提出安全監(jiān)測三維設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)流程，實現(xiàn)了安全監(jiān)測三維正向設(shè)計、三維可視化展示、二維工程圖直接成套出圖、工程量統(tǒng)計，可為其他三維設(shè)計平臺的安全監(jiān)測設(shè)計提供借鑒和參考。

1 安全監(jiān)測三維設(shè)計思路

安全監(jiān)測三維設(shè)計最大的難題在于，基于3DE原生功能通過剖切安全監(jiān)測儀器三維模型生成的二維投影千變?nèi)f化，無法識別。針對該難題提出了在三維空間使用安全監(jiān)測儀器三維模型，在剖切生成二維圖的過程中，監(jiān)測儀器三維模型自動化替換為被廣泛使用的安全監(jiān)測二維符號，以實現(xiàn)自動高效出圖的三維正向設(shè)計，思路如下：① 構(gòu)建安全監(jiān)測儀器模板庫；② 構(gòu)建安全監(jiān)測儀器符號庫；③ 使用3DE平臺調(diào)用三維模板庫進(jìn)行安全儀器三維模型布置設(shè)計；④ 生成二維投影視圖，其中部分內(nèi)容同步進(jìn)行，一是對于結(jié)構(gòu)建筑物采用3DE原生功能生成二維投影視圖，二是對于安全監(jiān)測三維模型則使用二次開發(fā)的安全監(jiān)測自動化工具集，調(diào)用二維符號庫對三維模型進(jìn)行替換生成二維投影視圖；⑤ 對于生成的二維投影進(jìn)行工程制圖。設(shè)計思路見圖1。

2 安全監(jiān)測三維設(shè)計方法

2.1 基于3DE的安全監(jiān)測資源庫構(gòu)建

2.1.1 安全監(jiān)測儀器三維模板庫

安全監(jiān)測儀器分為變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、動力及水力學(xué)、自動化共五大類監(jiān)測設(shè)施，監(jiān)測儀器眾多。為提高監(jiān)測儀器布置效率，按照三維設(shè)計自動化工具集的調(diào)用規(guī)則，探索提出了三維模板庫構(gòu)建方法并構(gòu)建了監(jiān)測儀器模板庫，在監(jiān)測儀器布置時直接調(diào)用三維模板，避免每次重復(fù)構(gòu)建儀器的三維模型。

模板庫構(gòu)建具體方法為：在3DE平臺中監(jiān)測儀器三維模板以3D零件方式基于絕對軸系創(chuàng)建，原點為儀器布置定位點，XY平面為儀器放置平面，XZ平面為儀器墻面安置平面，X軸為儀器控制方向（結(jié)構(gòu)軸線方向），Y軸指向安裝墻面，Z軸為垂直于xy平面向上方向（圖2）。儀器尺寸、外形顏色按監(jiān)測儀器實際設(shè)置，同時設(shè)置縮放比例、測點距離、測點角度、監(jiān)測儀器主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精度等）等參數(shù)。最后，將儀器模型封裝成工程模板，以模型的絕對軸系作為輸入條件，并發(fā)布測點控制參數(shù)，模板以中文全稱命名，插入到專用模板庫目錄中以供調(diào)用。

基于上述方法，共構(gòu)建了五大類78種安全監(jiān)測儀器三維模板（圖3），方便在三維設(shè)計時直接調(diào)用布設(shè)，大大提升三維布設(shè)效率。

2.1.2 安全監(jiān)測儀器二維符號庫

為了研發(fā)三維設(shè)計自動化工具，構(gòu)建了安全監(jiān)測儀器符號庫，以便在剖切投影時直接將監(jiān)測儀器三維模型替換為二維符號。為了實現(xiàn)高效出圖及工程量表自動生成，二維符號庫包含兩類，一類用于在視圖中表示儀器的符號，用2D部件創(chuàng)建；另一類用于圖例表和工程量表中的光柵圖標(biāo)，用圖片PNG創(chuàng)建。

對于采用2D部件制作的二維符號，采用1∶1比例，創(chuàng)建了平面、立面、剖面3個符號，分別對應(yīng)儀器的俯視、正視、側(cè)視3個投影方向（圖4）；對于光柵圖標(biāo)制作的二維符號，采用PNG格式創(chuàng)建，根據(jù)投影方向，創(chuàng)建了平面、立面、剖面、平面-立面、平面-剖面、立面-剖面、平面-立面-剖面7個符號（圖5）。各類監(jiān)測儀器的二維符號制作完成后，保存于指定文件夾中以供自動化工具集調(diào)用（圖6）。

2.2 安全監(jiān)測三維設(shè)計自動化工具集

利用3DE平臺自身的OTB功能和CAA二次開發(fā)功能，開發(fā)了包含創(chuàng)建符號、創(chuàng)建工程量表、創(chuàng)建圖例三大功能的自動化工具集（圖7）。在三維模型生成二維工程圖的過程中，建筑物投影視圖由3DE原生功能完成，監(jiān)測儀器符號、工程量表統(tǒng)計、圖例表統(tǒng)計由自動化工具集生成。具體實現(xiàn)機(jī)制和方法如下。

（1） 創(chuàng)建符號。在項目結(jié)構(gòu)樹中反向查找到當(dāng)前方案安全監(jiān)測專業(yè)節(jié)點下完整結(jié)構(gòu)樹，通過結(jié)構(gòu)樹選擇需要投影的監(jiān)測儀器和投影方向（平面、立面、剖面），調(diào)用2D部件符號庫中相對應(yīng)的符號，同時根據(jù)儀器模型空間位置，在二維視圖中生成匹配的儀器符號及代號標(biāo)注。

（2） 創(chuàng)建工程量表。創(chuàng)建符號后，使用創(chuàng)建工程量表命令，將查找工程圖中所有視圖中已選擇過的儀器類別對象和模型對象的相關(guān)屬性生成對應(yīng)值，同時通過儀器類別名稱查找光柵符號庫中對應(yīng)光柵圖生成對應(yīng)值，最后將所有值按儀器名稱進(jìn)行合并、統(tǒng)計和排序，根據(jù)專業(yè)的需求，生成序號、儀器名稱、主要技術(shù)指標(biāo)、圖例、代號、單位、數(shù)量、備注等數(shù)據(jù)，從而得到整套工程圖的工程量表。

（3） 創(chuàng)建圖例。創(chuàng)建符號后，使用創(chuàng)建圖例命令，將根據(jù)當(dāng)前圖紙中所有視圖中已選擇過的儀器類別名稱查找光柵符號庫中對應(yīng)光柵圖生成對應(yīng)值，結(jié)果以表格展示。

上述功能均包含創(chuàng)建、更新、刪除功能，可以根據(jù)三維空間設(shè)計方案變化自動更新，同時也可以根據(jù)制圖需要進(jìn)行創(chuàng)建和刪除等實現(xiàn)圖紙修改。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化安全監(jiān)測設(shè)計結(jié)構(gòu)樹

結(jié)合專業(yè)特點和自動化工具集使用規(guī)則，制定了標(biāo)準(zhǔn)化的安全監(jiān)測專業(yè)三維設(shè)計結(jié)構(gòu)樹，便于管理模型與工程制圖。結(jié)構(gòu)樹設(shè)置5個層級（圖8）：① 專業(yè)層級，按專業(yè)設(shè)定的節(jié)點；② 建筑物層級，根據(jù)監(jiān)測對象、標(biāo)段等條件設(shè)定的節(jié)點；③ 設(shè)計部位層級，按建筑結(jié)構(gòu)、出圖范圍等條件設(shè)定的節(jié)點；④ 儀器類別層級，按監(jiān)測儀器類別、主要技術(shù)參數(shù)不同設(shè)定的節(jié)點；⑤ 儀器模型層級，根據(jù)監(jiān)測點放置監(jiān)測儀器模型。

2.4 三維設(shè)計流程

基于上述工具，安全監(jiān)測三維正向設(shè)計流程主要包括節(jié)點創(chuàng)建與結(jié)構(gòu)樹搭建、三維監(jiān)測儀器布置、二維符號出圖與管理、工程量表生成與管理、圖例生成與管理5個步驟。

在節(jié)點創(chuàng)建與結(jié)構(gòu)樹搭建中，結(jié)構(gòu)樹需要嚴(yán)格按照上述標(biāo)準(zhǔn)化安全監(jiān)測結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行設(shè)置，工程安全監(jiān)測節(jié)點需創(chuàng)建在對應(yīng)項目工程站點下，并采用“其他AEC空間結(jié)構(gòu)元素”進(jìn)行創(chuàng)建。為實現(xiàn)自動化工具集調(diào)用，安全監(jiān)測節(jié)點的命名必須為“安全監(jiān)測”，否則會影響模板庫、符號庫的查詢與調(diào)用。

三維儀器布置主要采用定位點布置、定位軸系布置、監(jiān)測儀器模板布置三步實現(xiàn)。二維符號出圖與管理、工程量表生成與管理和圖例生成與管理則直接調(diào)用安全監(jiān)測三維設(shè)計自動化工具集實現(xiàn)。

3 安全監(jiān)測三維設(shè)計實例

上述安全監(jiān)測三維設(shè)計方法在多個水利水電工程和引調(diào)水工程中進(jìn)行了應(yīng)用和實踐，以旭龍水電站和引調(diào)水工程典型建筑物為例，給出了安全監(jiān)測三維設(shè)計成果（圖9、圖10）。運用本文提出的方法，在三維空間布設(shè)三維監(jiān)測儀器后，可以直接生成二維圖紙，三維布置設(shè)計效率高，且二維工程圖可直

接成套出圖，解決了傳統(tǒng)方法中無法直接剖切生成二維圖、只能分別在三維、二維空間重復(fù)布置設(shè)計的難題，實現(xiàn)了真正的三維正向設(shè)計，設(shè)計效率提升了3倍。

4 結(jié) 語

本文針對安全監(jiān)測三維設(shè)計中存在的三維監(jiān)測儀器剖切后圖形各異無法識別、三維模型與二維監(jiān)測儀器符號無法直接轉(zhuǎn)換等難題，提出了基于3DE的安全監(jiān)測三維設(shè)計方法，構(gòu)建了安全監(jiān)測三維設(shè)計模型庫，搭建了標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)樹，制定了三維設(shè)計流程，實現(xiàn)了安全監(jiān)測三維正向設(shè)計。安全監(jiān)測三維設(shè)計成果直觀形象，利于快速準(zhǔn)確理解設(shè)計方案，使參建各方溝通更為順暢高效。此外，基于安全監(jiān)測BIM成果也可為安全監(jiān)測三維可視化應(yīng)用、數(shù)字孿生建設(shè)提供支撐。

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（編輯：李 晗）

Research on 3D design method for safety monitoring based on 3DE

LI Shaolin1，2，LIU Guangbiao1，2，LYU Changhuo1，2，SHEN Mingyi1，2，ZHENG Dong1，2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.National Dam Safety Engineering Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

3D design is an inevitable trend in the development of engineering design.In order to solve the problems of unrecognized 3D monitoring instrument cut graphics and inability to directly convert 3D models and 2D monitoring instrument symbols in safety monitoring 3D design，a safety monitoring 3D design method was proposed based on the secondary development function of 3DE software.A safety monitoring 3D model library and 2D symbol library were established，a standardized structural tree for safety monitoring 3D design was constructed，and an automated tool set for safety monitoring 3D design was developed.The standard process for safety monitoring 3D design was proposed，achieving the goal of 3D visualization display，direct complete set of 2D engineering drawings，and engineering quantity statistics.The method had been applied in water conservancy and water engineering，and the results showed that the 3D design results of safety monitoring were intuitive and visual.The efficiency of three-dimensional forward design and two-dimensional mapping was more than three times higher of the traditional method of repeating and arranging in three-dimensional and two-dimensional space.This research results can provide a reference for the safety monitoring design of other types of 3D design platforms.

Key words：

safety monitoring； three-dimensional design； 3DE； secondary development