摘要：三維設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，為解決安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)中存在的三維監(jiān)測(cè)儀器剖切后圖形各異無(wú)法識(shí)別、三維模型與二維監(jiān)測(cè)儀器符號(hào)無(wú)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(cè)三維設(shè)計(jì)方法，建立了安全監(jiān)測(cè)三維模型庫(kù)與二維符號(hào)庫(kù)，搭建安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)樹，研發(fā)了安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具集，提出安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)流程，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)三維正向設(shè)計(jì)，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(jì)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(cè)三維設(shè)計(jì)成果直觀形象，三維正向設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)平臺(tái)的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)提供參考。

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

中圖法分類號(hào)：TV222

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.010

文章編號(hào)：1006-0081（2024）11-0062-07

0 引 言

隨著科技進(jìn)步和計(jì)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(jì)算機(jī)制圖再到三維設(shè)計(jì)，水利水電領(lǐng)域在設(shè)計(jì)制圖方式上發(fā)生了極大的變化［1］。三維設(shè)計(jì)是在三維空間將點(diǎn)、線、面、體等幾何元素，通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)等幾何變換和并、交、差等幾何運(yùn)算，產(chǎn)生實(shí)際或想象的物理模型。三維設(shè)計(jì)成果直觀、可視，三維設(shè)計(jì)可以通過(guò)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(shí)可以完成自動(dòng)更新，輔助設(shè)計(jì)人員提高效率，有利于保證成果質(zhì)量，減少出錯(cuò)率，同時(shí)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(jì)是工程設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)［2-5］。隨著三維設(shè)計(jì)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(diǎn)及所用三維設(shè)計(jì)軟件的不足，進(jìn)行了水利水電三維設(shè)計(jì)方法的研究［6-8］。

安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)水工建筑物安全，是指導(dǎo)施工、饋控運(yùn)行、評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)建筑物安全的重要手段［9-11］。安全監(jiān)測(cè)儀器具有數(shù)量多、體積小、分散、形狀各異的特點(diǎn)，在安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)藍(lán)圖中主要采用二維監(jiān)測(cè)儀器符號(hào)表示不同的監(jiān)測(cè)儀器。安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)是在結(jié)構(gòu)建筑物設(shè)計(jì)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(jì)轉(zhuǎn)變，安全監(jiān)測(cè)專業(yè)也需要采用三維設(shè)計(jì)的方式。但利用現(xiàn)有三維設(shè)計(jì)軟件，安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)存在三維監(jiān)測(cè)儀器剖切后圖形各異無(wú)法識(shí)別、三維模型與二維監(jiān)測(cè)儀器符號(hào)無(wú)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(shí)現(xiàn)三維和二維藍(lán)圖的交付。

針對(duì)上述難題，本文采用達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systems）的3DE（3DExperience）平臺(tái)，研究提出了基于3DE的安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)測(cè)三維正向設(shè)計(jì)。本文建立了安全監(jiān)測(cè)三維模型庫(kù)、二維符號(hào)庫(kù)，搭建安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)樹，研發(fā)了安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具集，提出安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)流程，實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)測(cè)三維正向設(shè)計(jì)、三維可視化展示、二維工程圖直接成套出圖、工程量統(tǒng)計(jì)，可為其他三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)思路

安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)最大的難題在于，基于3DE原生功能通過(guò)剖切安全監(jiān)測(cè)儀器三維模型生成的二維投影千變?nèi)f化，無(wú)法識(shí)別。針對(duì)該難題提出了在三維空間使用安全監(jiān)測(cè)儀器三維模型，在剖切生成二維圖的過(guò)程中，監(jiān)測(cè)儀器三維模型自動(dòng)化替換為被廣泛使用的安全監(jiān)測(cè)二維符號(hào)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高效出圖的三維正向設(shè)計(jì)，思路如下：① 構(gòu)建安全監(jiān)測(cè)儀器模板庫(kù)；② 構(gòu)建安全監(jiān)測(cè)儀器符號(hào)庫(kù)；③ 使用3DE平臺(tái)調(diào)用三維模板庫(kù)進(jìn)行安全儀器三維模型布置設(shè)計(jì)；④ 生成二維投影視圖，其中部分內(nèi)容同步進(jìn)行，一是對(duì)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(duì)于安全監(jiān)測(cè)三維模型則使用二次開發(fā)的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化工具集，調(diào)用二維符號(hào)庫(kù)對(duì)三維模型進(jìn)行替換生成二維投影視圖；⑤ 對(duì)于生成的二維投影進(jìn)行工程制圖。設(shè)計(jì)思路見圖1。

2 安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)方法

2.1 基于3DE的安全監(jiān)測(cè)資源庫(kù)構(gòu)建

2.1.1 安全監(jiān)測(cè)儀器三維模板庫(kù)

安全監(jiān)測(cè)儀器分為變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、動(dòng)力及水力學(xué)、自動(dòng)化共五大類監(jiān)測(cè)設(shè)施，監(jiān)測(cè)儀器眾多。為提高監(jiān)測(cè)儀器布置效率，按照三維設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具集的調(diào)用規(guī)則，探索提出了三維模板庫(kù)構(gòu)建方法并構(gòu)建了監(jiān)測(cè)儀器模板庫(kù)，在監(jiān)測(cè)儀器布置時(shí)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(kù)構(gòu)建具體方法為：在3DE平臺(tái)中監(jiān)測(cè)儀器三維模板以3D零件方式基于絕對(duì)軸系創(chuàng)建，原點(diǎn)為儀器布置定位點(diǎn)，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(cè)儀器實(shí)際設(shè)置，同時(shí)設(shè)置縮放比例、測(cè)點(diǎn)距離、測(cè)點(diǎn)角度、監(jiān)測(cè)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(duì)軸系作為輸入條件，并發(fā)布測(cè)點(diǎn)控制參數(shù)，模板以中文全稱命名，插入到專用模板庫(kù)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(cè)儀器三維模板（圖3），方便在三維設(shè)計(jì)時(shí)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(cè)儀器二維符號(hào)庫(kù)

為了研發(fā)三維設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，構(gòu)建了安全監(jiān)測(cè)儀器符號(hào)庫(kù)，以便在剖切投影時(shí)直接將監(jiān)測(cè)儀器三維模型替換為二維符號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)高效出圖及工程量表自動(dòng)生成，二維符號(hào)庫(kù)包含兩類，一類用于在視圖中表示儀器的符號(hào)，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(duì)于采用2D部件制作的二維符號(hào)，采用1∶1比例，創(chuàng)建了平面、立面、剖面3個(gè)符號(hào)，分別對(duì)應(yīng)儀器的俯視、正視、側(cè)視3個(gè)投影方向（圖4）；對(duì)于光柵圖標(biāo)制作的二維符號(hào)，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(gè)符號(hào)（圖5）。各類監(jiān)測(cè)儀器的二維符號(hào)制作完成后，保存于指定文件夾中以供自動(dòng)化工具集調(diào)用（圖6）。

2.2 安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具集

利用3DE平臺(tái)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(hào)、創(chuàng)建工程量表、創(chuàng)建圖例三大功能的自動(dòng)化工具集（圖7）。在三維模型生成二維工程圖的過(guò)程中，建筑物投影視圖由3DE原生功能完成，監(jiān)測(cè)儀器符號(hào)、工程量表統(tǒng)計(jì)、圖例表統(tǒng)計(jì)由自動(dòng)化工具集生成。具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制和方法如下。

（1） 創(chuàng)建符號(hào)。在項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹中反向查找到當(dāng)前方案安全監(jiān)測(cè)專業(yè)節(jié)點(diǎn)下完整結(jié)構(gòu)樹，通過(guò)結(jié)構(gòu)樹選擇需要投影的監(jiān)測(cè)儀器和投影方向（平面、立面、剖面），調(diào)用2D部件符號(hào)庫(kù)中相對(duì)應(yīng)的符號(hào)，同時(shí)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(hào)及代號(hào)標(biāo)注。

（2） 創(chuàng)建工程量表。創(chuàng)建符號(hào)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(guò)的儀器類別對(duì)象和模型對(duì)象的相關(guān)屬性生成對(duì)應(yīng)值，同時(shí)通過(guò)儀器類別名稱查找光柵符號(hào)庫(kù)中對(duì)應(yīng)光柵圖生成對(duì)應(yīng)值，最后將所有值按儀器名稱進(jìn)行合并、統(tǒng)計(jì)和排序，根據(jù)專業(yè)的需求，生成序號(hào)、儀器名稱、主要技術(shù)指標(biāo)、圖例、代號(hào)、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(hào)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(guò)的儀器類別名稱查找光柵符號(hào)庫(kù)中對(duì)應(yīng)光柵圖生成對(duì)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(jì)方案變化自動(dòng)更新，同時(shí)也可以根據(jù)制圖需要進(jìn)行創(chuàng)建和刪除等實(shí)現(xiàn)圖紙修改。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹

結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和自動(dòng)化工具集使用規(guī)則，制定了標(biāo)準(zhǔn)化的安全監(jiān)測(cè)專業(yè)三維設(shè)計(jì)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(gè)層級(jí)（圖8）：① 專業(yè)層級(jí)，按專業(yè)設(shè)定的節(jié)點(diǎn)；② 建筑物層級(jí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象、標(biāo)段等條件設(shè)定的節(jié)點(diǎn)；③ 設(shè)計(jì)部位層級(jí)，按建筑結(jié)構(gòu)、出圖范圍等條件設(shè)定的節(jié)點(diǎn)；④ 儀器類別層級(jí)，按監(jiān)測(cè)儀器類別、主要技術(shù)參數(shù)不同設(shè)定的節(jié)點(diǎn)；⑤ 儀器模型層級(jí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置監(jiān)測(cè)儀器模型。

2.4 三維設(shè)計(jì)流程

基于上述工具，安全監(jiān)測(cè)三維正向設(shè)計(jì)流程主要包括節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建與結(jié)構(gòu)樹搭建、三維監(jiān)測(cè)儀器布置、二維符號(hào)出圖與管理、工程量表生成與管理、圖例生成與管理5個(gè)步驟。

在節(jié)點(diǎn)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(cè)結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行設(shè)置，工程安全監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需創(chuàng)建在對(duì)應(yīng)項(xiàng)目工程站點(diǎn)下，并采用“其他AEC空間結(jié)構(gòu)元素”進(jìn)行創(chuàng)建。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工具集調(diào)用，安全監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的命名必須為“安全監(jiān)測(cè)”，否則會(huì)影響模板庫(kù)、符號(hào)庫(kù)的查詢與調(diào)用。

三維儀器布置主要采用定位點(diǎn)布置、定位軸系布置、監(jiān)測(cè)儀器模板布置三步實(shí)現(xiàn)。二維符號(hào)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(cè)三維設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具集實(shí)現(xiàn)。

3 安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)實(shí)例

上述安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)方法在多個(gè)水利水電工程和引調(diào)水工程中進(jìn)行了應(yīng)用和實(shí)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(cè)三維設(shè)計(jì)成果（圖9、圖10）。運(yùn)用本文提出的方法，在三維空間布設(shè)三維監(jiān)測(cè)儀器后，可以直接生成二維圖紙，三維布置設(shè)計(jì)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(wú)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(jì)的難題，實(shí)現(xiàn)了真正的三維正向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率提升了3倍。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)中存在的三維監(jiān)測(cè)儀器剖切后圖形各異無(wú)法識(shí)別、三維模型與二維監(jiān)測(cè)儀器符號(hào)無(wú)法直接轉(zhuǎn)換等難題，提出了基于3DE的安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)模型庫(kù)，搭建了標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)樹，制定了三維設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)測(cè)三維正向設(shè)計(jì)。安全監(jiān)測(cè)三維設(shè)計(jì)成果直觀形象，利于快速準(zhǔn)確理解設(shè)計(jì)方案，使參建各方溝通更為順暢高效。此外，基于安全監(jiān)測(cè)BIM成果也可為安全監(jiān)測(cè)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