王加攀 吳仁智 秦 磊

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804)

0 引 言

PPR管又稱三型聚丙烯管,由無規(guī)共聚聚丙烯注塑而成[1]，廣泛應(yīng)用于建筑物內(nèi)的冷熱水系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、可直接飲用的純凈水供水系統(tǒng)、中央集中空調(diào)系統(tǒng)等[2]。傳統(tǒng)的給水系統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)軟件是Auto CAD，但其繪圖效率低下，設(shè)計(jì)質(zhì)量往往也不能滿足要求[3]。BIM技術(shù)在工程中的應(yīng)用極大地減少了設(shè)計(jì)、施工中不必要的浪費(fèi)，解決建筑行業(yè)的低效能問題[4]。目前應(yīng)用于給排水的主要三維建模軟件是RevitMEP，通過生成三維模型實(shí)現(xiàn)所見即所得，減少了因主觀想象失誤而造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤[5]。文獻(xiàn)[6]分析了BIM技術(shù)在建筑給排水工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及存在的問題；文獻(xiàn)[7]以某工業(yè)園區(qū)的綜合樓為例，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行了給排水管道設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[8]通過制作Revit相關(guān)族構(gòu)件和開發(fā)配套的程序，布置了給排水衛(wèi)浴裝置。

上述文獻(xiàn)研究了利用RevitMEP進(jìn)行給排水設(shè)計(jì)的方法和流程，但仍存在以下問題：(1) 現(xiàn)有構(gòu)件族庫缺少符合中國國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的PPR管構(gòu)件[9]，Revit創(chuàng)建的模型還不能達(dá)到預(yù)制加工的深度，特別是管材、管件及閥門閥件等Revit族尚沒有統(tǒng)一的族庫標(biāo)準(zhǔn)，且Revit在預(yù)制加工圖等方面還不完善[10]；(2) Revit軟件和ANSYS等大型有限元軟件不能有效對(duì)接[11]，使得在需要進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)受到限制；(3) 管線布置時(shí)自動(dòng)化、智能化程度不高。

Revit是一個(gè)參數(shù)化的設(shè)計(jì)軟件，最早推出參數(shù)化建模技術(shù)的是PTC公司的Pro/E[12]。Creo軟件是PTC公司推出的一種基于特征建模技術(shù)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫參數(shù)化的通用CAD系統(tǒng)，PTC軟件被廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的布線和布管設(shè)計(jì)[13-16]。針對(duì)上述Revit設(shè)計(jì)的問題，本文提出在Creo軟件中進(jìn)行PPR冷熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，采用Creo二次開發(fā)的方式，建立標(biāo)準(zhǔn)的PPR管材管件三維標(biāo)準(zhǔn)庫，并開發(fā)出冷熱水管的自動(dòng)布管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷熱水系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

1 冷熱水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

開發(fā)的功能框架如圖1所示，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的子菜單即可調(diào)用相應(yīng)的功能模塊。

圖1 冷熱水系統(tǒng)功能模塊

冷熱水系統(tǒng)主要包括PPR三維標(biāo)準(zhǔn)庫和自動(dòng)布管兩部分。三位標(biāo)準(zhǔn)庫系統(tǒng)以GB/T 18742.2—2002和GB/T 18742.3—2002為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建立。包括管件、管材和閥門配件三個(gè)大類，按照手冊(cè)的分類又將管件分為28個(gè)小類別，管材分為4個(gè)小類別，閥門配件分為6個(gè)小類別，這些標(biāo)準(zhǔn)件足以為大多數(shù)的冷熱水管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供所需要的標(biāo)準(zhǔn)零件。自動(dòng)布管是用程序來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)裝配零件進(jìn)而替代手動(dòng)裝配。進(jìn)行冷熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的一般流程如下：

(1) 在開發(fā)的對(duì)話框中選擇需要的管件或管材型號(hào)，注意選擇管材后應(yīng)輸入PPR管的長度，即可快速完成標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)，并保存在指定的文件夾內(nèi)。

(2) 新建裝配體。

(3) 選擇自動(dòng)布管系統(tǒng)菜單，選擇需要的布管方法，完成PPR管路布管。

2 PPR三維標(biāo)準(zhǔn)庫系統(tǒng)開發(fā)

2.1 Creo二次開發(fā)技術(shù)

PTC公司為Pro/E軟件提供二次開發(fā)工具集Pro/Toolkit。本系統(tǒng)采用同步模式下的DLL模式，在Microsoft Visual Studio 2010中新建MFC DLL工程項(xiàng)目，編寫信息文件和程序代碼。DLL模式下應(yīng)用程序的入口函數(shù)是User-initialize，它包含Pro/Toolkit應(yīng)用程序的所有初始化進(jìn)程；終止函數(shù)是User-terminate函數(shù)，在Creo終止應(yīng)用程序時(shí)被調(diào)用。最后編寫注冊(cè)文件，并在Creo中通過“工具”→“輔助應(yīng)用程序”命令，即可注冊(cè)運(yùn)行二次開發(fā)的功能模塊[17]。

2.2 三維標(biāo)準(zhǔn)庫系統(tǒng)基本原理

標(biāo)準(zhǔn)庫中包含兩個(gè)集合：一個(gè)是三維模板庫，儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)硬盤中；另一個(gè)是尺寸參數(shù)庫，以數(shù)據(jù)表格的形式存儲(chǔ)在Access數(shù)據(jù)庫中，基本原理如圖2所示。首先，可通過Creo建立某型號(hào)零件三維模型作為該型號(hào)零件的模版，并將其存儲(chǔ)在模版庫中。然后將該型號(hào)下不同規(guī)格的尺寸等可變參數(shù)值輸入至數(shù)據(jù)表中，并將其存儲(chǔ)至Access數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)需要調(diào)出這一型號(hào)下某一規(guī)格零件時(shí)，可通過應(yīng)用程序搜Access數(shù)據(jù)庫并提取該規(guī)格的參數(shù)數(shù)據(jù)，將該組數(shù)據(jù)賦值給該型號(hào)三維模版，就可生成所需規(guī)格的零件三維模型。為方便調(diào)用，可利用MFC類庫設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。

圖2 三維標(biāo)準(zhǔn)庫原理圖

2.3 標(biāo)準(zhǔn)件模板建模

模板庫中的三維模板，可以通過一組參數(shù)和關(guān)系控制零件的外形和大小(并不需要零件中的所有尺寸參數(shù))，稱這些參數(shù)為驅(qū)動(dòng)參數(shù)。

建立參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件模版的主要步驟：(1) 基于特征的三維建模；(2) 通過Creo“參數(shù)”工具添加驅(qū)動(dòng)參數(shù)；(3) 將所建立的驅(qū)動(dòng)參數(shù)與實(shí)體模型中可變變量建立某種映射關(guān)系。如圖3所示，Creo“關(guān)系”工具中建立了模型尺寸變量和驅(qū)動(dòng)參數(shù)的函數(shù)映射關(guān)系，尺寸變量是由驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)變化的，在驅(qū)動(dòng)過程中，模型中的拓?fù)湫螤钭兞?約束變量)并不發(fā)生改變。

圖3 等徑三通參數(shù)化建模

2.4 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和訪問

圖4為儲(chǔ)存在Access數(shù)據(jù)庫平臺(tái)下的等徑三通驅(qū)動(dòng)參數(shù)表。

圖4 等徑三通驅(qū)動(dòng)參數(shù)存儲(chǔ)

采用ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象(ActiveX Data Object,ADO)技術(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。訪問步驟如下：

(1) 應(yīng)用#import宏將ADO動(dòng)態(tài)庫文件msado15.dll加載到工程中，這個(gè)動(dòng)態(tài)庫文件提供了對(duì)ADO對(duì)象的封裝。

(2) 創(chuàng)建Connection對(duì)象，調(diào)用Open()函數(shù)連接驅(qū)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫；創(chuàng)建Recordset對(duì)象，調(diào)用Open()函數(shù)取得查詢結(jié)果。

(3) 應(yīng)用Recordset對(duì)象提供的函數(shù)移動(dòng)、查看、獲取各個(gè)記錄。提取其中的m_Name名稱信息，將其顯示在對(duì)話框下拉表中，具體代碼如下：

m_pRecordset.CreateInstance(__uuidof(Recordset));

m_pRecordset->Open((_bstr_t)(_T("select*from

ST")),m_pConnection.GetInterfacePtr(),adOpenDynamic,adLockOptimistic,adCmdText);

m_pRecordset->MoveFirst();_variant_t var;CString strvalue;

while(!m_pRecordset->adoEOF){

var=m_pRecordset->GetCollect(_T("m_Name"));

if(var.vt!=VT_NULL)

strvalue=(LPCSTR)_bstr_t(var);m_MingCheng.AddString(strvalue);

m_pRecordset->MoveNext();}

(4) 提取指定規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸信息：m_pRecordset->GetCollect(_T("mdi"))，mdi即存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的驅(qū)動(dòng)參數(shù)。

2.5 生成標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)體

用戶操作界面是由MFC建立的非模式對(duì)話框和控件的方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，代碼如下，以等徑三通和冷水管為例，設(shè)計(jì)的管件和管材對(duì)話框如圖5和圖6所示。

圖5 等徑三通對(duì)話框

圖6 冷水管對(duì)話框

st dlgst;

int PushButtonActionst()

{AFX_MANAGE_STATE(AfxGetStaticModuleState());

int status;

if(!IsWindow(dlgst.m_hWnd))

status=dlgst.Create(IDD_DIALOGst,NULL);

if(status==0)

{AfxMessageBox(_T("對(duì)話框創(chuàng)建失敗."));

}

dlgst.ShowWindow(SW_SHOW);

return true;}

選定好指定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件以后，點(diǎn)擊確定按鈕，在數(shù)據(jù)庫訪問接口技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)模板實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)并將零件調(diào)入到Creo環(huán)境。程序?qū)崿F(xiàn)的流程如圖7所示。

圖7 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)流程

3 水管路自動(dòng)布管系統(tǒng)

3.1 自動(dòng)布管基本原理

利用Creo布管即將PPR管件、管材等在Creo環(huán)境中裝配起來，將多個(gè)元件組合到一個(gè)組件中?；驹砣鐖D8所示。

圖8 自動(dòng)布管原理

設(shè)計(jì)的自動(dòng)布管模塊有交叉塊自動(dòng)布管、冷水布管、熱水布管三部分，上述的交叉塊是由同濟(jì)大學(xué)與上海一翔機(jī)械科技有限公司發(fā)明的一種新型水管件，如圖9所示。交叉塊的材料為無規(guī)共聚聚丙烯，內(nèi)部一條冷水/熱水流道向上彎曲，另一條冷水/熱水流道向下彎曲，兩條流道投影呈X型交叉且互不連通，可以構(gòu)成冷水和熱水管路在同一平面并行敷設(shè)輸送且多點(diǎn)并行引出的冷熱水管路系統(tǒng)[18]。

圖9 冷熱水交叉塊示意圖

3.2 自動(dòng)布管實(shí)現(xiàn)流程

本文將以交叉塊為例，介紹自動(dòng)布管的實(shí)現(xiàn)流程。在編寫自動(dòng)布管程序之前，首先自定義標(biāo)準(zhǔn)件模型的基準(zhǔn)項(xiàng)，如圖10所示設(shè)置孔底面和孔中心軸線并重命名。

圖10 自定義模型基準(zhǔn)項(xiàng)

用程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)布管的步驟如下：

(1) 將元件1添加到初始默認(rèn)位置，通過函數(shù)ProAsmcompAssemble()實(shí)現(xiàn)。

(2) 對(duì)相關(guān)對(duì)象聲明變量，如元件ProMdl、模型基準(zhǔn)項(xiàng)ProModelitem、裝配參考基準(zhǔn)ProSelection等。

(3) 選擇已存在裝配中參與裝配的元件1，通過函數(shù)ProSelect()實(shí)現(xiàn)，輸出選擇的模型*sel供步驟(4)調(diào)用。

(4) 獲取元件1的裝配路徑comp_path，通過函數(shù)ProSelectionAsmcomppathGet(sel[0],&comp_path)實(shí)現(xiàn)。

(5) 獲取元件1的句柄comp_model_1，通過函數(shù)ProAsmcomppathMdlGet(&comp_path,&comp_model_1)實(shí)現(xiàn)。

(6) 載入待裝配的元件2，并獲得其句柄，通過函數(shù):ProMdlLoad(name1,PRO_MDL_UNUSED,PRO_B_FALSE,&comp_model_2)實(shí)現(xiàn)。

(7) 獲取兩個(gè)元件的模型基準(zhǔn)項(xiàng)，通過函數(shù)ProModelitemByNameInit()實(shí)現(xiàn)。

(8) 施加約束，以施加面面重合約束為例，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

ProArrayAlloc(0,sizeof(ProAsmcompconstraint),1,(ProArray*)&constraints);

//為約束數(shù)組constraints分配空間

ProSelectionAlloc(&comp_path,&comp_datum_1,&compdatum_

sel_1);

//獲得元件1的裝配參考基準(zhǔn)，此處的comp_path為

//步驟(4)獲得的裝配路徑

ProSelectionAlloc(NULL,&comp_datum_2,&compdatum_sel_2);;

//獲得元件2的裝配參考基準(zhǔn)，由于元件2形式為零件

//裝配路徑設(shè)為空NULL值

ProAsmcompconstraintAlloc(&constraintdatum);

//為裝配約束constraintdatum分配空間

ProAsmcompconstraintTypeSet(constraintdatum,PRO_ASM_ALIGN);

//設(shè)置約束類型

ProAsmcompconstraintAsmreferenceSet(constraintdatum,compdatum_sel_1,PRO_DATUM_SIDE_YELLOW);

//設(shè)置約束

//constraintdatum的元件參照compdatum_sel_1，無參考方向

ProAsmcompconstraintCompreferenceSet(constraintdatum,compdatum_sel_2,PRO_DATUM_SIDE_RED);

//設(shè)置約束

//constraintdatum的元件參照compdatum_sel_2，參考方向取反向

ProArrayObjectAdd((ProArray*)&constraints,-1,1,&constraintdatum);

//裝配約束constraintdatum加入約束數(shù)組constraints

ProAsmcompConstraintsSet(NULL,&asmcomp_2,constraints);

//為未施加約束的待裝配元件asmcomp_2施加約束constraints

軸向重合的裝配代碼與上述類似，不再贅述。

(9) 重生零件：ProSolidRegenerate((ProSolid)asm comp_2.owner,PRO_REGEN_CAN_FIX)。

(10) 釋放約束：ProArrayFree((ProArray*)&con--straints)。

釋放參照基準(zhǔn)：ProSelectionFree(&compdatum_sel_1);ProSelectionFree(&compdatum_sel_2)。

所開發(fā)的交叉塊自動(dòng)布管界面如圖11所示，首先點(diǎn)擊對(duì)話框中交叉塊的按鈕將其作為第一個(gè)元件裝配至指定位置，然后在此基礎(chǔ)上按照指示點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，添加另外的PPR管材或管件直至完成交叉塊的自動(dòng)布管。

圖11 交叉塊自動(dòng)布管對(duì)話框

冷水布管、熱水布管的原理與交叉塊布管的原理相同，可通過選擇相應(yīng)的布管系統(tǒng)，來進(jìn)行冷熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4 應(yīng)用實(shí)例

以某室內(nèi)冷熱水供應(yīng)系統(tǒng)為例，如圖12所示利用開發(fā)的冷熱水布管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了某室內(nèi)衛(wèi)浴供水系統(tǒng)的三維快速智能設(shè)計(jì)。

圖12 冷熱水系統(tǒng)示意三維圖

本實(shí)例室內(nèi)三維圖中包含了墻體、燃?xì)鉄崴?、水槽、水龍頭、馬桶、淋浴器等衛(wèi)浴產(chǎn)品，將上述冷熱水系統(tǒng)裝配進(jìn)建筑實(shí)體中，實(shí)現(xiàn)最終三維裝配，如圖13所示。

圖13 室內(nèi)三維裝配圖

5 結(jié) 語

通過對(duì)Creo進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)出一套冷熱水智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用三維標(biāo)準(zhǔn)庫能快速生成符合國家標(biāo)準(zhǔn)的PPR標(biāo)準(zhǔn)件，使用自動(dòng)布管系統(tǒng)以程序代碼來代替重復(fù)性的手工操作，大大減少了冷熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間。實(shí)例結(jié)果表明，基于該系統(tǒng)能夠提高設(shè)計(jì)的效率和自動(dòng)化程度，生成的三維圖可用于指導(dǎo)施工減少錯(cuò)誤，直觀的三維圖既能避免管線交叉等問題，又可以快速準(zhǔn)確地向客戶展示所設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖。本文為給排水領(lǐng)域的BIM軟件應(yīng)用提供了一種全新的解決方案。