树状建筑工程设计重用模型
树状建筑工程设计重用模型 设计重用通过重复利用已有的设计要素提高设计的速度和质量，它作 为一种重要的设计思想广泛应用于机械工程和软件工程等领域，其在建筑工程领 域也有迫切的应用需求和巨大的应用潜力.但由于建筑工程本身单体性强、工程 与工程之间缺乏通用性，因而在实际应用中遇到很多困难.本文基于设计重用的 基本思想，结合建筑工程设计信息的构成特点，提出了针对建筑工程特点的实用 化的重用理论与方法. 设计重用包括形成重用单元、管理重用单元和利用重用单元3个方面. 重用单元是可以被重复利用的设计元素子集，是设计重用的基础.确 定重用单元的标准很多：在基于特征建模的设计中可以根据几何、材料等设计特 征;可依据设计原理理论，根据相应的功能或实现方法;可根据重用性还有的研究 着眼于设计中使用的知识和推理模式. 重用单元在形成之后、被利用之前，需先以零件的形态存储在单元库 中.在存储时，需要选择合适的方式描述其特征，标识其身份，这对于提高存储 效率、方便重用时的选用都非常重要. 将重用单元用于新设计是设计重用的最终目标.这个过程要求根据当 前应用的特殊性，从单元库中找出匹配的单元.Demian等提出通过评价单元的相 似度来测量可重用度M;Hu等提出用可视化的重用单元信息描述方法来查找和比 较重用单元.这个过程还包括确定以何种方式重用.如Emil等在其所研究的硬件设 计领域就提出了多种重用的程度和方式，如可原封不动地替代，也可采用参数化 建模的方法修改某些参数使之符合当前设计的要求，或重用其设计架构，通过替 换部件来实现设计目标等. 对于建筑工程，虽然其工程与工程之间缺乏通用性，但其工程内部具 有很大的重用潜力.挖掘单一工程内部的设计重用潜力可直接缩短设计周期，对 于勘察设计行业具有实际意义.本文在文献[11]的基础上提出“五层树状模型”，对 建筑工程设计图纸中平面化的信息进行解析和重构，以更少的数据量和人工干预 获得与传统图纸具有相同信息量和表达标准的图纸.该模型的提出为重用单元的 确定、命名和部署提供了依据，并便于实现操作过程自动化. 1建筑工程的重用需求的特点与难点在单一建筑工程项目内，重复的设计信息可分成2种：1)不同标准层 之间存在的相同局部;2)多个单元构成的建筑物中，不同单元所采用的相同布局. 由于现行建筑设计表达规范要求按标准层描述设计，因此只要不是完全相同，即 使它们存在部分重复的局部，不同标准层也必须采用独立的图纸表达，而且每张 图纸都含有所对应的标准层的完整信息；同样,多单元建筑物的每个标准层也需 表达完整，即使不同单元之间有相同之处，也需逐一表示.因此可以想象，一个 工程的全套图纸中存在的重复设计信息数量庞大. 在CAD环境下，工程师可采用“复制-粘貼”的方法快速形成这些重复 设计信息所需的图元.问题是当设计变动时，各个副本都必须逐一修改.每种设计 信息的副本数量越多，修改这些信息所需进行的重复操作量就越大.而在建筑工 程设计中，各个局部的设计信息的副本数是很大的,尤其是在设计后期，为了更 新各个副本中的数据将占据大量的设计时间. 究其原因，维护信息副本的麻烦源于副本之间.缺乏数据结构层面的 联系，因而不能引导修改操作在副本之间传递.CAD软件提供的“(AutoCAD中的) 块”等功能可在一定程度上减少此类重复操作.块是一组图元的集合，在需要重复 出现这些图元的位置可以插人该块的“引用”来取代这组图元的副本.由于所有的 引用实际上只是该块的映像，因此只需修改一处，其他各处引用便可同步更新， 自动保持一致. 块的出现为传统设计信息的零件化和设计重用提供了载体，为了更彻 底地实现设计重用，还需解决其在零件的定义、重用和更新等方面的问题.本文 提出了特定的数据结构模型来重新组织设计信息，以实现设计重用. 2建筑工程设计信息数据结构 根据对建筑工程设计信息内容的分析，本文提出将各个标准层间重复 出现的设计信息定义成在建筑工程设计信息的重用单元，也就是设计重用中的零 件[11].这种根据零件的重用范围而非零件自身的设计内容定义零件的方法，也为 零件的命名提供了依据，即用可用零件的适用范围为其命名.进而，系统可以据 此搜索合适的零件完成组装.这种定义方法避免了工程师人工为各个设计零件取 名而可能引起的混乱，便于处理大型工程中可能出现的大量重用单元;同时也使 从零件库中搜索和组装零件的过程便于实现自动化.该重用模型的设计的另一个重要特点体现在重用单元更新时.通常， 修改后的重用单元很难同时满足各个重用处的边界条件.但由于本文根据重用范 围，而非零件自身内容定义零件，因此零件在修改时可解决与各个重用处的矛盾. 例如，如果根据零件的内在信息定义内容，可以定义像“小型卫生间” 这样的零件，它可能已被重用于1，2，4标准层.则对零件的修改主要考虑是否符 合“小型卫生间”的需要，而不一定兼顾是否仍可用于1，2，4标准层.但根据重用 范围定义零件时，定义的零件是“1，2，4层的相同区域”，其修改的内容必符合 “1，2，4标准层共有”这一前提条件，因此所修改的结果必然仍要适用于1，2，4 标准层.当然，该零件最终的实际内容也不局限于某个特定的工程单元，即它有 可能是半个或多个“卫生间”，或其他1，2,4标准层共有的各种组合.这种定义方式 符合建筑工程设计人员的思维习惯. 建筑工程设计信息庞杂且层次较多，为了将其零件化，本文提出了5 层树状模型，从顶到底分别为楼终件、层终件、层件、层部件和零件，如图1所 示. 首先，本文提出了“主题”的概念将原本叠合在一起的设计信息还原成 各自的层次.主题是信息的种类，完整的图纸是多个主题叠加的结果.例如，结构 平面布置图是由轴线、柱/墙（外形）、梁（外形）和板面配置等4种主题叠加而 成的. 在树状模型中，楼终件含有一个标准层上的所有单元的设计内容，具 有完整的主题，含有多个层终件作为其下级;层终件对应一个标准层某个单元的 内容，也具有完整的主题，含有多个层件；
层件对应某个主题、某个单元的某个 标准层，由多个层部件拼装而成;层部件与所在层件具有相同的主题和单元，但 可用于多个标准层.层部件由若干零件构成，零件是最基本的重用单元，它与所 在层部件具有相同的主题和相同的标准层，但可用于多个单元.图1中从零件到其 他单元的虚线箭头即表示零件能被用于其他单元的性能. 该树状模型依据主题、对应的标准层和单元等3项重用属性将设计信 息分解成多级重用单元，并借助树状结构将其层层组装，重构成完整的设计图纸. 3基于设计重用的工作模式基于树状数据模型，工程师需要以新的方式处理设计信息. 1)建立重用数据架构，即确定该项目所包含的主题、标准层和单元等， 作为重用单元产生、存储和重用的基础. 2)按主题绘制图纸，形成设计信息，这与传统方式不同，传统方式通 常绘制融合有多种主题内容的完整图纸. 本文中形成重用单元的方式与其他设计重用模式略有不同，它不需要 工程师专门绘制零件，只需绘制对应标准层的层件，这符合建筑领域工程师的设 计思维习惯.零件是在绘制不同的标准层时逐渐形成的，当开始新的层件时，如 果工程师意识到已经完成的层件中存在可重用的部分，就从这些层件中选出这些 图元，设定其所属的主题、标准层和单元，形成可重用块，以进入重用体系中. 由于可重用块具有完整的重用信息，系统可在重用数据结构的引导下 将其自动部署到重用的各处.如对于某个零件，系统将在数据体系中搜索与其具 有相同主题、相同标准层，但单元被包含在该零件所适用单元范围内的层部件， 并将该零件的块引用插入该层部件.层部件构成层件、层件构成层终件，以及层 终件构成楼终件的过程也是类似的，都是根据重用属性进行筛选，将前者的块引 用插入后者. 系统建议工程师在绘制或插入块引用形成各种部件时采用相同的工 程平面坐标系，这样大部分插 入的块引用无需调整坐标就处于正确的组装位置. 但对于从零件到层部件以及层终件到楼终件的过程，由于部件要用于不同的单元 中，因此需要人工在宿主件中调整其姿态参数才可最终完成组装.通过这种方式 形成的设计信息集合中，即使不同标准层或单元间存在重复的内容，也只对应一 套图元.因此只需修改一处，即完成所有重复处的修改. 基于设计重用的工作方式在重用单元的定义、部署以及修改的传递等 方面采用自动化手段取代人工操作，已取得很好的效果. 4程序数据对象模型 本文提出的重用机制和相应的数据结构充分考虑了自动化实现的需 要.树状模型的5个层次各自对应一个类,分别为P类、i类、F类、1/类和B类，如图 1所示；
这些类具有共同的父类D类，如图2所示.D类的主要属性包括所属主题、标准层和单元等重用属性，还包括一 个AutoCAD数据库中的块表记录的标识，即每个D类对象均对应一个块表记录， 其主要行为包括搜索部件和纳入部件.搜索动作因各子类不同而不同，因此它在 子类中具体实现.它需根据不同的子类类型和自身的重用属性采用特定的行为， 即每种对象只能搜索其直接下属对象，并需使两者的重用属性相匹配.例如对象 只能搜索P对象，搜索的标准为主题与标准层相同；
P对象所适用的单元包含了i 对象所对应的单元.纳人动作即根据搜索到的部件对象所含的块表记录标识，创 建该块表记录的块引用，并将其插入自身对应的块表记录中. 5层树状模型便于指定重用单元的边界和重用属性，并充分考虑了封 装和重构等数据组织方面的需要.在该模型中，基本的图元，如线、圆和文字等 均存在于P类对象中，对基本对象的操作约束在零件层，零件重用到特定单元时 所需进行的姿态调整均在K类对象中实现.这种对数据存储和设定的限定充分考 虑了树状模型的不同层次在数据影响范围和传递方式方面的不同，为需要不同存 储和传递方式的信息提供了相应的平台，以确保信息能正确、无漏地传递到恰当 的地方.5层对象模型完整地实现了树状模型的信息组织结构，为从重用单元到最 终设计图纸的还原过程提供了载体，为重用信息的传递提供了通道. 5应用程序系统 本文开发的程序系统针对基于重用的特有的工作模式，提供了建立重 用数据架构、定义重用单元和管理重用单元等功能.该系统基于AutoCAD环境， 采用ARX(AutoCADRuntimeeXtension)技术开发. 1)建立重用数据架构.该模块供工程师设定本项目所含的主题、标准层 和单元，以及主题的叠加关系.系统根据这些设定，推算并自动形成楼终件、层 终件和层件等层次的对象，并将其纳人树状结构体系中. 2)定义重用单元.将提示工程师选择图元，通过对话框在早先设定的主 题、标准层和单元等重用属性中点选本重用单元所适用的范围.系统根据这操作 自动生成对应的零件和所需的层部件,并完成它们与层件的连接，与在1)中形成的 其他层次的对象一起，形成了完整的树状数据结构. 3)管理重用单元.通过一个树状目录来反映树状数据模型.该树状目录 不仅可以查看数据结构， 还可通过点选切换显示指定节点中的内容，系统会将选中节点对应块内的图元显示在CAD主界面中供工程师修改. 6实例工程 下面选择多个不同类型的实际工程中最有代表 性的一个工程实例介绍本文模型和系统的实际工作性能. 该项目是一座33层的高层住宅，高99m，含3个单元、6种户型.每个单 元含1个楼电梯间和3户.户型在不同单元间也是重复的：如1单元含A，B和C户 型；
2单元含C,D和户型；
3单元含E,D和F户型.其标准层布置如图3所示. 先以剪力墙配筋设计图纸为例，说明图纸到主题的分解，如图4所示. 图4所示为图3中箭头所指局部的放大.图4a所示为某标准层含全部内容的剪力墙 配筋设计图纸片断,它可分解成图4b，4c和4d3种主题.本文就是通过这种方式将各 种图纸分解成若干主题. 提取重用单元的工作在每个主题内部进行.本工程仅墙体（外形）一 项主题共形成118个重用单元，图5选取了其中的3个.图中每个重用单元旁边的方 格表示该单元重用的范围，每个行、列的含义如图例所示，选中的单元格对应的 行、列即为其所适用的标准层和单元.如第一个单元表示重用于1，2单元以及1， 2，3和4标准层. 这些重用单元直至设计完成才最终定型.从表面上看，这些单元大小 不一、外形零乱、缺乏规律，有的大致能够反映了建筑平面轮廓，有的支离破碎， 有的仅包含几个图元,但正是这种零乱，反映了本文提出的重用方法的渗透性.本 文模型将散布在各个角落的重用潜力加以利用，其外在的表现即为重用单元延伸 到各个角落；
同时，从重用单元的形态也可以看出，这样的重用单元及其重用程 度是不可能在设计开展之前事先确定的，而更适合采用本文提供的手段逐步积累 演化而成，这也是本文研究区别于其他研究的重要特点. 本文借助CAD系统的“块-块引用”机制将设计信息中的重复部分归并 成重用单元，为了深人、全面地在全项目范围内挖掘和利用重用潜力，提出了五层树状模型，实现了信息的颗粒化和立体组织、存储，大大地提高了存储效率， 有效地建立了各个信息之间的重用联系.数据模型的提出为重用单元的定义、存 储和利用提供了依据，并具有合理的数据结构和良好的数据封装性能，便于重用 信息的记录和有效地控制重用动作的作用范围和方式.以此为基础开发的自动化 程序可以应对在实际工程中可能出现的大规模数据. 该模型经过工程实践的反复检验，实际工程试用表明，该系统可大幅 缩短设计周期，幅度有望高达20%60%.本文研究为在建筑工程设计实现设计重用 提出了有效可行的方案.