三维建筑结构设计软件EasyStructure的用户接口技术

1、第 24卷第 7期 计算机应用与软件Vol 124No . 72007年 7月 Computer App licati ons and Soft w are Jul . 2007三维建筑结构设计软件 Ea syStructure 的用户接口技术王莹莹 杨若瑜 蔡士杰(南京大学计算机软件新技术国家重点实验室 江苏 南京 210093 收稿日期 :2005-03-25。 王莹莹 , 硕士生 , 主研领域 :计算机图形 学 , CAD 。摘 要 目前 , 建筑领域普遍使用的辅助设计软件仍然采用二维示意的方法 , 导致后继人工读图工作强度大 、 效率低 。在设计时直接生成完整的建筑物三维模型是克服以上

2、缺点的一个好方法 , 以软件 EasyStruc 2ture 为实例 , 全面讨论了其降维 、 分构件 、 图文表结合 、 预测型智能输入 , 这些方法已初步应 用于软件中 , 为节省后续工作量提供了便利 。关键词 三维模型 降维分层 I TECHN I QUES FO R 3D CO NSTRUCT I O N D ES IGNS Y STE M Ea syStructureW ang Yingying Yang Ruoyu Cai Shijie(S tate Key Laboratory for N ovel Soft w are Technoloty, N anjiang U niver

3、sity, N anjing 210093, J iangsu, China Abstract 2D illustrative rep resentati ons are widely used in constructi on design, s oft w are which makes the manual inter p retati on of 3D in 2for mati on difficult and inefficient . To avoid the tedi ous and inefficient inter p retati on, an integrated 3D

4、model should be generated directly dur 2ing designing . Vari ous user interface techniques e mp l oyed in the 3D constructi on design s oft w are EasyStructure, including di m ensi on re 2ducti on, te mp late 2based component designing and user input p redicti on are p r oposed . These well 2designe

5、d U I ele ments significantly raise the design efficiency and hel p t o construct a 3D model of building aut omatically .Keywords 3D modeling D i m ensi on reducti on Component te mp late U ser input p redicti on0 引 言近年来 , 随着建筑业的迅速发展和计算机技术的迅猛进步 , 建筑设计已经甩掉了图板 , 设计人员普遍使用 Aut oCAD 等辅助 绘图软件或 PKP M 等专门的辅

6、助设计软件生成设计图 , 大大提 高了设计效率和图的质量 , 也方便了设计图的管理 。但是由于 现有的设计图仍然采用二维示意式表示方式 , 建筑物的完整三 维数据以多种形态分散在多张图的不同部分表示 , 需要有一定 知识背景和经验的人员来阅读 , 因而设计以后的许多工序 , 包括 审核 、 算量 、 施工等 , 不论拿到的是纸质还是电子设计图 , 仍停留 在通过人工读图来获得设计数据的落后状态 。现阶段的设计工作仅仅提供具示意式 、 分散式信息的二维 示意图 , 要避免人工读图 , 就要改变这样的目标状态 , 使之在设 计时直接生成完整的建筑物三维模型 , 并向其后工序同时提供 建筑物的二维设

7、计图和三维模型 。 精确的 、 详细的三维建筑模 型不仅可为审图 、 算量 、 施工放样等工序直接提供有关数据 1, 还可进一步生成 4D 模型来支持施工计划的制定及施工管理的 实施 2, 3。由于使用三维设计软件的难度一般比使用二维设计软件大 得多 , 推广三维建筑结构设计软件的最大障碍就是现有的已习 惯于传统二维设计的设计人员是否能接受三维设计软件并有效 使用 。 软件的用户接口十分关键 , 好的用户接口将减少因三维设计而使设计人员必须面对的困难和额外付出的工作量 , 进而 减少三维设计软件推广应用的障碍 。 本文旨在介绍三维结构设 计软件 EasyStructure 为了便于广大建筑设计

8、人员使用而采用的 用户接口技术 。1 三维建筑结构设计软件 Ea syStructure 用户接口的设计思想1. 1 Ea syStructure 软件的基本功能EasyStructure 是一个用于三维建筑结构设计的软件 , 其基本功能可以归纳为以下四点 :(1 建立每一构件三维几何模型的功能 。(2 建立每一构件内部钢筋分布三维结构与钢筋规格等非 几何数据的功能 。(3 建立构件平面布局与空间定位即建筑物整体三维结构 的功能 。(4 生成符合 03G101标准的结构平面图的功能 。2. 2 Ea syStructure 软件用户接口的设计考虑面对不同的用户接口 , 用户得到的对软件的印象及

9、使用效 88 计算机应用与软件 2007年果也不同 。 好的用户接口使软件变得容易学习 、 方便使用 , 并提 高用户效率 。 而好的用户接口只有通过对软件功能目标及用户 特点的仔细分析研究才能提出 。 下列几点是 EasyStructure 用户 接口的设计考虑 。(1 纵向降维 、 分层 , 简化设计对象 , 避免三维造型的困难 以柱 、 墙 、 梁 、 板等构件为单位计 , 一个稍具规模的建筑物可 包含数千构件 。由于楼层是一个建筑物明确的构件组划分单 位 , 多个层之间可能有相同的构件组成与结构 。因而 , Easy 2Structure 使用分层设计方法 , 既可简化复杂结构 、 又

10、可充分利用 层间的相似性 。在二维的输入设备上进行三维交互有较大的难度 , 因此 EasyStructure 将每一层结构的三维设计目标通过平面图上的二 维设计加上纵向特殊处理来实现 , 筑结构的承重要求 , 、 则性 , , 拉伸面 而其高度矢量 作为拉伸路径 ; 每一梁在平面图上给出确定拉伸矢量的平面投 影轮廓而其拉伸面结构可用文字标注描述 (图 1 ; 每一楼板只 在平面图中描述其水平投影轮廓而其厚度用作拉伸矢量 (图 2 。 对于少数非水平 /垂直定位的构件 , 如斜梁 、 斜板等 , 再辅 以角度或高度差描述。 图 1平面柱图与平面梁图 图 2 平面板图(2 横向按构件顺序设计 ,

11、充分利用构件间支撑关系建筑结构中住 、 墙 、 梁 、 板等建筑构件之间有一定的支撑关系 。 如柱 、 墙支撑主梁 , 主梁支撑次梁 , 梁 、 墙支撑楼板 。因此 , EasyStructure 在设计一个楼层时 , 将构件按柱 、 墙 、 梁 、 板顺序分 开实现设计 , 既符合自然的结构关系 , 并可利用先建立的柱帮助 梁的定位以减少差错 , 利用先建立的梁和墙进行楼板自动划分 以减少用户对楼板的建模操作 。(3 公共参数集中描述 , 减少重复工作一个建筑物各构件的几何数据和非几何数据中 , 往往有一 些为全局或局部所公用 。比如 , 保护层厚度是指明构件外表面 到内部钢筋最小距离的参数

12、 , 可按构件及其位置来统一定值 。 另外 , 箍筋弯钩长度 、 钢筋接头方式 、 支座筋锚固方式等确定内 部钢筋结构细节的数据也在一定范围内取相同的值 。因此 , EasyStructure 对这些公共参数采用集中描述方法 , 可减少许多 重复工作 。(4 模板辅助设计构件 , 提高构件设计效率同一楼层的柱构件数量可达数百个 , 按内部结构可分成若 干类 。 同类柱共用一个名称 , 它们的形状 、 大小及内部钢筋结构 均相同 , 但位置 、 方向不同 ; 同类的梁在名称 、 截面形状 、 尺寸 、 分 跨数及内部钢筋结构上均相同 , 而位置 、 方向 、 长度上有差别 ; 同 类的墙之间名称

13、 、 厚度 、 钢筋结构相同 , 但位置 、 方向不同 ; 同类 的楼板之间有共同的名称 、 厚度 、 钢筋结构 , 但其形状 、 位置不 同 。EasyStructure 为了减少建模工作量 , 将同类构件的相同数据以模板形式描述 , 、 方 向等参数 , (5 、 墙 、 梁 、 板的支撑 , 。为了便于用户实现搭建操作 , EasyStructure 提 供统一的三维轴网和吸附节点来帮助搭建过程中的构件定位与 定向 。 在界面上用户仅面对一层平面图的二维轴网 (三维轴网 的一层投影 进行二维布局 , 由软件依据标高等数据及建筑结 构规则在内部构建三维整体模型 , 并提供线框式和面绘制两种

14、 三维显示功能来显示 、 漫游搭建中的建筑物模型 。(6 利用结构的内在规律 , 实现智能化输入组成同一建筑物的各构件之间往往有很多共性 。比如 , 同 一层柱的截面尺寸及其含钢量比较接近 , 所用钢筋规格及密度 也比较接近 。 充分利用这一特点 , 软件主动“ 猜测 ” 用户的输入 值 , 让用户从软件提供的动态 “ 猜测 ” 列表中一次性选到所要的 输入值 , 避免只能使用键盘逐一输入字符串的低效率状态 , 则可 极大地提高构件建模效率 。2 Ea syStructure 用户接口的设计与实现技术2. 1 图文表结合的设计界面用户在设计三维建筑结构时 , 会涉及到构件轮廓位置 , 标注 文

15、字 , 标高表属性表等以图文表多种形式表现的信息 , 这三种形 式信息各有优缺点 (表 1 , 只有有机结合才能互补 , 才能实现高 效输入 。 EasyStructure 充分融合图文表三种形式来实现建模信 息输入 。表 1 图文表三种表达形式的优缺点对比表达形式 优点缺点图 直观 , 可生成符合建 筑设计的图纸 不借助任何文字标注 , 要 精确绘制图形非常困难 文 准确不直观 , 大量输入文字标 注非常繁琐表归纳概括性强 , 便于 管理形式刻板 , 并非所有信息 都可概括例如 , 柱的形状和钢筋结构适合于使用图形方法描述 , 对于 柱的尺寸 、 钢筋规格等参数 , 则适宜在图形参考下用列表

16、输入 。 因而 EasyStructure 提供三级图形对话框进行柱模板描述 。 第一 级和第二级分别提供柱截面轮廓和钢筋结构截面 , 让用户通过 一次点击选定这些几何信息 ; 第三级 (图 3 提供选定的结构截 面图让用户在需要时修改钢筋结构 , 对话框左边提供属性列表 让用户输入有关属性 。 柱的尺寸 、 箍筋和纵筋的规格等也构成 了柱的集中标注 , 用户既可在属性表中给出这些信息 , 也可在对 第 7期 王莹莹等 :三维建筑结构设计软件 EasyStructure 的用户接口技术 89 话框左下角的文本区输入集中标注 。 柱模板的描述过程体现了图文表三种形式的配合使用 , 由系统自动实现

17、两者的一致 。 由 于上述列表提供了常用类型 , 多数情况下用户可通过两次简单 的选择获得所需柱的形状和钢筋结构 , 再输入若干关键数据后 高效率地完成柱模板的创建 。除了构件的设计外 , EasyStructure 在轴网定义时也使用图 表配合的界面 。由于正交轴网或弧形轴网的控制参数具顺序 性 , EasyStructure 提供开间和进深等四个表格来分别输入轴网 参数 (图 4 , 并立即生成相应的轴网图以检查输入的正确性 , 用 户可方便地建立轴网。 图 3图文表结合柱模板第三级对话框界面 图 4 轴网设计界面中图表的配合2. 2 基于节点吸附的层平面布局设计界面每一楼层中各构件的平面

18、布局是 EasyStructure 三维设计的基本操作 。 按照建筑结构图本身的规律 , 梁和墙参照柱来定位 , 定位柱的基本参照点是轴网中轴线交点 , 少数另外的参照点也 以某轴线交点为参照而定义 。因而 , 系统提供自动计算所有轴 线交点的功能以生成用于定位吸附的节点 , 还提供基于已有节 点指定偏移生成新节点的交互功能 。 当用户的光标移至节点的 吸附范围之内 , 系统将在该节点处显示十字光标及相应的轴线 号来表明已精确定位 。EasyStructure 先定义构件模板 , 再通过定位生成同一楼层 中结构相同的各具体构件实例 。对于柱 , 系统提供点式 (点击 节点 , 在该节点处定位柱

19、 、 线式 (点击一轴线 , 在其上所有节点 均定位该柱 和区域式 (两点拉框 , 在矩形框内所有节点处均定 位该柱 三种实例生成方式 , 加上节点吸附功能 , 保证了柱布局 的简易性和高效率 。 每一实例的定位所需的偏心 (柱中心或顶 点相对于参考节点的位移 、 旋转角度 (柱相对轴线的角度 等数据则于定位前在定位对话框中输入指定 。梁和墙的布局需要参照柱的中心或边线 , 因此 , 一旦生成一 个柱实例 , 系统立即将其中心和所有角点作为新的可吸附节点 加入 。 在选定模板和 “ 柱墙边 -梁边对齐方式 ” 后 , 用户仅需简 单地点击端点位置便可高效地进行直线型梁或墙的布局 , 弧形 梁则

20、需增加半径等数据 。Easystructure 利用已布局的梁和墙形成的封闭区域 , 自动生成板构件的平面轮廓 (其厚度及钢筋结构另行输入 , 从而节省 了很多用户操作 。2. 3 , 一般来讲 , 一幢建筑 , 如果按照从低层到高层的 , 那么就可以充分利用层间有许多相同构 、 加快创建过程 。EasyStructure 允许指定已创建的任一楼层相关的构件图以浅色背景显示作为创建当前层的参考层 , 并可任意指定参考层 中的若干或全部构件 , 将它们连同对应的模板一起复制到当前 层来 。 对复制的模板数据或实例定位等数据可按需要进一步修 改 。也可不打开参考层 , 将模板列表中其它层的模板复制

21、到当 前层 , 直接或经修改后在当前层定位生成实例 。通过引用参考层的已有信息 , 节省了大量的创建时间 , 提高了设计效率 。2. 4 预测型智能输入界面键盘是用来灵活地输入字符串的基本设备 , 但其输入效率较低 。 例如 , 钢筋描述字符串 “ A10100/200(2 ” 需要 18次击 键操作 (包括按 SH I FT 键操作 。 如果能提供一个屏幕列表 , 让用户一次性鼠标点击选中所需字符串 , 则可较大提高用户效 率 。根据建筑物设计在其坚固性方面的一致性 , 即在含钢量上 具有一致的要求 , 利用已输入的第一构件的含钢量 , 可预测第二 个构件所用钢筋的规格和数量的范围 ; 输入

22、多个构件后 , 含钢量 相对稳定 , 预测准确性可更好 。将预测出的字符串放入屏幕列 表以供选择 , 预测的最大可能字符串作为默认值 , 则最优情况不需用户任何输入操作 , 使 EasyStructure 输入界面具智能性 , 并提 高输入效率数倍 。除了利用含钢量来预测钢筋标注之外 , EasyStructure 中还 使用以下原则来支持预测型标注输入的用户接口 ;(1 复用原则在建筑结构图纸中 , 同一工程的标注往往有着比较大的复 用性 , 如梁图中某一根梁的箍筋为 A8200(2 , 那么该工程的 其它梁再次使用 A8200(2 作为箍筋的概率比较高 。可以使 用数据复用来提高输入效率的

23、标注有 :尺寸 、 钢筋 、 箍筋 、 标高 。(2 相关原则通过标注相关性也可以预测出最为可能使用的标注 , 如梁 名根据已有梁的类型标志和标号的递增 , 可以预测出将要建立 的梁的梁名标注 。EasyStructure 通过以上方法预测最可能使用的标注字符串集合 , 大大减少了用户输入的工作量 。2. 5 提拉式斜屋顶造型设计界面斜屋顶的设计难点在于要分别对各非水平构件的倾斜情况 90 计算机应用与软件2007年描述所需工作量很大且易发生不一致错误 。 EasyStructure 提供 先建立斜屋顶的平面投影图 (和一般楼层梁图相仿 , 再“ 提拉 ” 相关节点的用户界面 , 较好地解决了

24、斜屋顶的设计难度和工作 量问题 。在按普通层方式对斜屋顶各构件平面投影布局后 , 系统自 动计算梁与柱 、 梁与梁的交点并将它们定义为可提拉节点 。 对 每一节点可定义如下交互操作 : 指定高度 包括相对标高或绝对标高 。 保持不动 保持相对标高为 0。 可跷动 端点标高随所在梁其它部位提拉而被跷上或跷 下 。 保持直 如果选中两个节点 , 节点间的梁保持直线 , 。每次操作后 , 中的几种情况 。 表 2斜屋顶梁提拉操作立面示意 对于整个屋顶图 , 初使状态所有节点相对高度皆为 0。每 次点击节点操作后 , 被指定明确高度的节点按要求立即改变高 度 , 然后 EasyStructure 自动计算 “ 可跷动 ” 和“ 保持直 ” 节点的高 度 , 最后检查每一节点各梁高度的一致性 。 例如 , 用户仅需指定 图 52a 中部 5个节点的新高度后就可得图 52b 的斜屋顶的提拉 骨架效果 , 用户还可旋转该骨架以检查是否完成提拉设计。 a 斜屋顶的提拉 (中部 5个节点为提拉点 b 提拉后三维骨架观察图