从三维工程软件正向设计谈起-卡核

1 Introduction

最近和做铁路设计软件和BIM相关的三维设计软件的朋友交流三维软件开发和使用推广方面的话题。对这个话题谈一谈自己的想法，欢迎大家留言批评指正。这里所说的三维工程类设计软件是指面向石油、化工、船舶、海工、电力、核电等工程建设类的CAD软件，与通用三维机械设计软件有所不同。所谓正向设计是指根据工程建设流程，从规划、方案设计、总体设计、详细设计到生产设计、施工图设计等借助三维工具进行设计的过程。与之相对的是“逆向设计”，即根据已有的二维施工图纸进行翻模，翻模得到的三维模型的作用只能用于展示，或后期维护保养。由于不用于正向设计，翻模的三维模型的正确性不能保证，且翻模的工作量也很大。

在石油化工、船舶、海工等行业早已实现所谓的正向设计，这样可以实现真正的以业务对象数据为核心的单一数据源，准确在各个阶段流转，提高整个行业的效率。如上图所示为上海中远基于VLCC改装的FPSO，海上浮式生产储油轮将工厂与船舶结合，被誉为海上石油工厂。有大量的管道、结构、船体等模型，如果不能正向设计，模型之间的碰撞检查，材料统计，施工图纸设计的工作量将不可估量，还不考虑设计变更带来的额外工作量。

2 MBD

现代产品开发依赖数字化基础且始于数字主线软件，数字主线软件通过其不同组件将工程、采购、制造和质量部门连通起来。其中一些组件形成所谓的基于模型的定义MBD，代替了工程图纸。而贯通数字主线软件的核心是单一数据源。当前带有PMI等信息的三维模型的浏览在技术上已经不存在问题，甚至可以做到基于WebGL技术，只要在能使用HTML浏览器的设备上就可以直接浏览，而无需安装任何其他软件，真正做到跨平台。如下图所示为带的PMI的模型浏览，包含了尺寸标注、几何尺寸及公差GD&T。

技术理念上很先进，但是推广应用进程相对缓慢，有一些现实问题需要考虑。首先是相关审图单位和施工安装单位依然将图纸作为依据，当然现在也有MBD无纸化的趋势；其次，如果实现MBD的无纸化数字化，需要给相关人员配备相关硬件设备，如一个手机或平板，这些设备的成本相对纸来说还是贵一些。而一些施工现场环境很恶劣，对硬件的损耗有影响。对于施工单位来说需要考虑这些硬件相对图纸的成本及收益。

3 一键出图

如果图纸还是当前设计阶段的必要的交付物，那么打通三维工程设计软件正向设计的关键是一键自动出图。能替代原来手工绘图的工作，使设计工程师关注模型的最优化，做到不碰撞，用料更省等；而无须关注工作量巨大的绘图。有了一键自动出图能力，就可以不用翻模，而真正以模型为中心，提高效率。而要做到一键自动出图，也是一件有挑战的事。首先要理解业务需求，与业务相关的模型的在图纸上的符号、颜色、线型等的配置，除了要理解业务逻辑以外，还需要攻克程序开发上的一些算法问题。

当前工程管道图纸使用广泛的是管道ISO图，是一种无比例的符号图，以轴测方式出图，具有立体感，方便工人识图。图面包含加工制造所必须的尺寸、材料信息，安装定位信息等是管道加工制造、安装的重要图纸。算法问题主要涉及无比例的处理和标注的自动布局问题，解决这些问题就能做到一键出图，而不用再耗费人工调整。管道ISO图做得好的是被Intergraph收购的ISOGEN，ISOGEN于1991年由英格兰两名工程师Mr. Jonhn A. Liles和Mr. David R.T. Lowe开发。

还有一类基于三维模型通过投影和消隐得到的有比例的图纸。这类图纸广泛应用于各种制造图、安装图。这一类图纸的自动生成除了需要解决标注自动布局算法问题外，还需要解决隐藏线消除HLR算法问题。因为标注算法是个NP问题，而且每个用户的出图需求细节上会有不同，所以国外软件在一键出图方面留下空间。目前国内有很多基于国外软件平台开发一键出图系统，如武汉图瓦开发的三维智能出图软件AutoDraft，对模型标注布局进行细致处理，尽量避免手工调整工作，出图效率极高，保障每张图纸快速生成。

4 Conclusion

综上所述，在图纸作为设计院的主要交付物的前提下，要使三维工程设计软件快速推广及做到正向设计的关键是软件要具备一键自动出图能力。针对不同的图纸类型，需要解决不同的算法问题。关键共性算法之一的标注自动布局算法问题是个NP问题，需要结合业务需求才能完美解决。

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