鐘 鋼,張新喜,王少平,董 磊,任黎明

(1.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092;2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,安徽馬鞍山 243002; 3.江蘇省冶金設(shè)計院有限公司,南京 210007)

工程設(shè)計是指設(shè)計單位根據(jù)批準的可行性研究報告和場地巖土工程勘察報告進行工程項目的設(shè)計。工程設(shè)計一般分為初步設(shè)計和施工圖設(shè)計兩個階段。無閥濾池的工程設(shè)計是指按照設(shè)計用戶的工藝要求和施工場地的勘察報告對無閥濾池進行項目設(shè)計的過程,包括無閥濾池設(shè)計參數(shù)的計算和施工圖紙的繪制。實際上,無閥濾池的工藝和設(shè)計參數(shù)[1,2]已經(jīng)基本確定,對無閥濾池的工程設(shè)計,設(shè)計人員主要精力集中在煩瑣的重復(fù)計算和繪圖。目前,基于特征的參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計建模技術(shù)是我國“CAD重點應(yīng)用工程”和 863/C IMS重點應(yīng)用工程的研究熱點[3]。

參數(shù)化設(shè)計一般是指零件和部件的形狀比較定型,用一組參數(shù)約束該幾何圖形的一組結(jié)構(gòu)尺寸序列,參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸有顯示對應(yīng),當賦予不同的參數(shù)序列值時,就可驅(qū)動原圖形達到新的目標幾何圖形[3]。參數(shù)化設(shè)計理論的研究起源于60年代早期[4],由 Sutherland首次將幾何約束表示為非線性方程來確定二維幾何形體的位置。80年代末 90年代初,Light和 Gossard[5]開始了基于規(guī)則的參數(shù)化設(shè)計,又稱幾何推理法,是一種人工智能思想的方法,它把約束集和所約束的幾何元素用圖論的方法表示出來,然后對約束圖進行幾何推理,以確定各幾何元素的參數(shù)值。90年代初, RollerD等[6]開始了基于參數(shù)的直接編程法,通過編程將尺寸作為變量,對每種不同結(jié)構(gòu)的實體分別編寫不同的程序,用編程的方法實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。上述基礎(chǔ)理論奠定了參數(shù)化設(shè)計的技術(shù)方向,目前,國內(nèi)外[7～9]針對參數(shù)化設(shè)計的研究方向主要包括計算機技術(shù)在參數(shù)化設(shè)計中應(yīng)用開發(fā)和從圖形參數(shù)化到計算機模擬設(shè)計圖形的建模方法研究兩個方向,如構(gòu)建參數(shù)化設(shè)計平臺、參數(shù)化建模等。

目前,參數(shù)化設(shè)計理論應(yīng)用很廣,涉及機械設(shè)計、分析、加工、土木、建筑、化工管道及機電一體化設(shè)計等領(lǐng)域[3,4]。基于參數(shù)化設(shè)計理論,筆者擬利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)來實現(xiàn)無閥濾池的工程設(shè)計。

1 參數(shù)化設(shè)計的原理及步驟

1.1 參數(shù)化設(shè)計的原理

參數(shù)化設(shè)計包括參數(shù)化建模和參數(shù)化繪圖兩個過程。一般工程圖形主要是由圖形對象、約束和圖形屬性構(gòu)成[3]。圖形對象是指各種圖形元素,如直線、圓弧、曲線、尺寸標注等幾何形狀。約束是指圖形對象所依賴的尺寸、位置、幾何關(guān)系、結(jié)構(gòu)約束和設(shè)計約束等。屬性是指圖形中需要表示的非幾何信息,如材料屬性、管理信息等。所謂參數(shù)化表示[3]就是將圖形的有關(guān)幾何信息、約束信息和非幾何信息有機地表示出來,形成完整的參數(shù)化模型。當設(shè)計師改變圖形的尺寸參數(shù)、設(shè)計參數(shù)或幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)時,參數(shù)化模型能根據(jù)尺寸約束、工程約束、幾何約束等自動計算滿足約束關(guān)系的工程圖形,并實現(xiàn)計算機自動繪圖。

1.2 參數(shù)化設(shè)計的步驟

參數(shù)化建模過程主要分為產(chǎn)品參數(shù)化分析和產(chǎn)品參數(shù)化建模。參數(shù)化繪圖過程主要是指進行參數(shù)化繪圖系統(tǒng)的設(shè)計,包括選擇設(shè)計平臺、確定系統(tǒng)功能以及繪制工程圖紙。

產(chǎn)品參數(shù)化分析主要完成產(chǎn)品設(shè)計需求、產(chǎn)品設(shè)計方案、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要設(shè)計參數(shù)的選擇,其具體步驟如下：

(1)分析整個產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)和關(guān)鍵參數(shù)[3];

(2)分析產(chǎn)品工程圖紙的主要設(shè)計尺寸,確定可變尺寸和導(dǎo)出尺寸[3]。

產(chǎn)品參數(shù)化建模主要建立產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)之間、產(chǎn)品設(shè)計尺寸之間以及產(chǎn)品構(gòu)造與設(shè)計圖紙之間的關(guān)系,其具體步驟如下：

(1)分析產(chǎn)品整體與各部件的裝配關(guān)系,建立產(chǎn)品的零部件結(jié)構(gòu)樹,分析各個部件、零件之間的設(shè)計與尺寸的關(guān)聯(lián)性;

(2)分析并確定產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)到工程圖紙設(shè)計尺寸之間的關(guān)系。

在完成產(chǎn)品參數(shù)化分析和參數(shù)化建模后,就可以進行參數(shù)化繪圖系統(tǒng)的設(shè)計,其具體步驟如下：

(1)確定系統(tǒng)功能。一般由系統(tǒng)使用用戶提出要求實現(xiàn)的功能,如界面設(shè)計框架、保存設(shè)計計算結(jié)果等;

(2)選擇可以進行參數(shù)化繪圖的平臺。目前,國內(nèi)外可以開發(fā)參數(shù)化繪圖系統(tǒng)的方式很多,有自主開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計軟件[4],也有基于繪圖軟件的二次開發(fā)系統(tǒng)[8],而且不同開發(fā)方式采用的計算機語言種類也很多,如VB、C/C++、AutoLISP等[8];

(3)繪制工程圖紙。對建立好的參數(shù)化繪圖系統(tǒng)進行圖形繪制,檢查不同設(shè)計參數(shù)的產(chǎn)品工程圖紙是否正確,確定系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的科學(xué)性和合理性。

2 無閥濾池工程設(shè)計參數(shù)化系統(tǒng)的開發(fā)

無閥濾池分為重力式和壓力式,目前大多采用重力式,主要在中、小水廠和工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中充當旁濾器[10]。濾池有圓形和方形兩種類型。

2.1 參數(shù)化分析

無閥濾池的主要設(shè)計參數(shù)[1-2]包括：設(shè)計流量,設(shè)計濾速,平均沖洗強度,設(shè)計形狀,排水堰口標高,配水堰口標高、厚度、粗糙度,虹吸管管口標高,進水管和虹吸上升管內(nèi)的水頭損失,進水管管徑,出水管管徑,排水管管徑,虹吸上升管管徑,虹吸下降管管徑,渾水區(qū)高度,濾池直徑或濾池邊長,沖洗時間,連通渠管徑,虹吸破壞管管徑,濾料厚度,承托層厚度等。其關(guān)鍵參數(shù)主要是設(shè)計流量、設(shè)計形狀、設(shè)計濾速,平均沖洗強度、排水堰口標高。

無閥濾池的工程施工圖紙主要包括主視圖和平面圖。對于主視圖,其主要設(shè)計尺寸包括：濾池底板底標高及厚度,排水堰口標高,進水分配水箱頂標高、箱底標高、壁厚,配水堰口標高,進水管管徑,進水管中心線標高,濾池直徑 (或邊長),集水區(qū)高度,配水系統(tǒng)高度,承托層高度,濾料層高度,濾池平均水位高度,出水堰口標高,出水管中心線標高,虹吸上升管管徑,虹吸上升管豎直部分長,虹吸上升管斜管長及其末端標高,虹吸下降管管徑,虹吸下降管豎直部分長,以及各部分相應(yīng)尺寸標注等。其中,可變尺寸主要是濾池底板地標高,進水管管徑,出水管管徑,濾料層厚度,虹吸上升管管徑,虹吸下降管管徑,濾池直徑 (或邊長),及各自相應(yīng)的尺寸標注;其他尺寸均為導(dǎo)出尺寸,包括圖框的長和寬,以及設(shè)計信息等。

對于平面圖,其主要設(shè)計尺寸包括：濾池半徑,虹吸上升管管徑,虹吸下降管管徑,連通渠管徑,進水管管徑,出水管管徑,排水井長和寬,排水管管徑,配水箱長和寬,以及各部分對應(yīng)的尺寸標注等。其中,可變尺寸主要是濾池半徑、虹吸上升管管徑、虹吸下降管管徑,連通渠管徑、進水管管徑、出水管管徑、配水箱長和寬,以及各部分相應(yīng)的尺寸標注;其他尺寸均為導(dǎo)出尺寸。

2.2 參數(shù)化建模

基于設(shè)計手冊和以往施工圖紙,分析無閥濾池系統(tǒng)及其施工圖紙的設(shè)計原理和設(shè)計關(guān)系,提取事物特性[3],找出設(shè)計參數(shù)之間的約束關(guān)系、設(shè)計尺寸之間的約束關(guān)系以及無閥濾池系統(tǒng)與其圖形對象之間的關(guān)系。詳細建模過程如圖 1所示。

圖1 無閥濾池參數(shù)化建模過程Fig.1 The process of parametric modeling for valveless filter tank

2.3 參數(shù)化系統(tǒng)功能設(shè)計

參考無閥濾池設(shè)計工程師的設(shè)計經(jīng)驗以及信息系統(tǒng)的特點,他們主要有四點設(shè)計要求： (1)設(shè)計過程自動化,只需要輸入關(guān)鍵參數(shù),其他結(jié)果自動生成; (2)不同設(shè)計參數(shù)下設(shè)計結(jié)果的對比; (3)設(shè)計結(jié)果數(shù)據(jù)保存、編輯、調(diào)用等; (4)生成無閥濾池三維模型圖。

基于上述設(shè)計要求,實現(xiàn)無閥濾池參數(shù)化工程設(shè)計系統(tǒng)功能如下：(1)VB程序自動計算并輸出無閥濾池工程設(shè)計結(jié)果; (2)VB程序調(diào)用 Auto-CAD系統(tǒng)自動繪制工程設(shè)計圖形;(3)VB程序調(diào)用Access對工程設(shè)計結(jié)果及工程設(shè)計信息進行保存等信息管理;(4)VB程序調(diào)用 Excel將不同設(shè)計參數(shù)情況下的工程設(shè)計參數(shù)同時輸出到 Excel中,并操作其進行相關(guān)分析;(5)VB調(diào)用已繪制好無閥濾池三維模型圖; (6)該系統(tǒng)應(yīng)用于無閥濾池設(shè)計的適用范圍可從 0～10000m3/h,即用于工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)中無閥濾池的常用范圍。

2.4 參數(shù)化系統(tǒng)平臺構(gòu)建

為了推廣參數(shù)化設(shè)計在給排水專業(yè)工程設(shè)計中的應(yīng)用,筆者考慮到以下四點： (1)VB和 Auto-CAD在給排水專業(yè)學(xué)習(xí)中普及較廣; (2)基于AutoCAD系統(tǒng)的二次開發(fā)比單獨開發(fā)參數(shù)化繪圖軟件更易于給排水專業(yè)人員去學(xué)習(xí)和操作,因為基于AutoCAD的二次開發(fā)可以把 AutoCAD所有圖形繪制命令當成對象進行操作,這比用編程語言進行計算機繪圖容易很多;(3)VB與AutoCAD二次開發(fā)的開放式體系結(jié)構(gòu)可以進行銜接[11,12]; (4)滿足設(shè)計功能中設(shè)計結(jié)果的對比分析要求,Excel具備數(shù)據(jù)處理與分析功能; (5)VB與 Excel二次開發(fā)的開放式體系結(jié)構(gòu)可以進行銜接[13]。

基于上述原因,筆者選擇了 VB、AutoCAD、access數(shù)據(jù)庫技術(shù)和 Excel工具組合成無閥濾池參數(shù)化設(shè)計平臺。該平臺的合成主體是以VB為編程環(huán)境,通過VB與AutoCAD鏈接接口,在VB中引用AutoCAD對象庫,然后編寫VB程序代碼,創(chuàng)建AutoCAD對象繪圖,同時通過 VB與 Access 2000鏈接接口,編寫VB程序代碼,進行數(shù)據(jù)編輯、保存、調(diào)用、查詢等數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用,最終形成以VB為源數(shù)據(jù)代碼的軟件包。

2.5 工程設(shè)計案例

以某鋼鐵廠 400m3/h的重力式無閥濾池為例,通過分析其鋼鐵廠施工場地,筆者輸入設(shè)計階段的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計水量、設(shè)計形狀、設(shè)計濾速、設(shè)計反沖洗強度和排水堰的標高,然后計算其他設(shè)計參數(shù),如圖2所示。

繪圖階段,輸入繪圖信息,如圖 3;然后繪制無閥濾池平面圖和主視圖,如圖5和圖 6;最后,設(shè)計人員可以點擊生成無閥濾池三維模型圖,如圖4。

3 結(jié)論與展望

基于參數(shù)化設(shè)計理論,筆者將其應(yīng)用到無閥濾池的工程設(shè)計中,并開發(fā)了相應(yīng)的無閥濾池工程設(shè)計參數(shù)化系統(tǒng)。最終,通過工程設(shè)計案例,筆者檢驗了系統(tǒng)的科學(xué)性和合理性。通過參數(shù)化設(shè)計,將無閥濾池工程設(shè)計過程的效率提高了大約 80%,同時設(shè)計過程更加人性化和智能化。

值得注意的是,參數(shù)化設(shè)計的最大優(yōu)點在于工程設(shè)計人員可以將對構(gòu)筑物或建筑物的工藝改造和優(yōu)化設(shè)計的創(chuàng)新過程真正地落實于實踐,并檢驗其科學(xué)性和合理性,例如,在進水分配槽新增一條進水虹吸管等。因此,對于參數(shù)化設(shè)計在給排水工程設(shè)計中的應(yīng)用領(lǐng)域及其優(yōu)點,值得更多的工程設(shè)計人員去進一步思考與實踐。

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