飞龙在天了
STEP数据交换技术及其在建筑CAD中的应用 [2009-03-16 15:50] STEP technology and its application in building CAD;提要本文简要介绍了用于各种软件间数据交换的STEP技术及其在国内外的发展状况和前景，介绍了作者在热分析集成化环境中应用STEP技术构成基本数据库实现CAD工具与各种计算软件间数据交换的体会，对制定建筑和HVAC系统的标准STEP数据模型提出了建议。关键词：数据库 集成化技术 建筑CAD STEPAbstractThis paper outlines the development and application of STEP (Standard for exchange of product model data) technology, presents a practice of building an integrated data model for building thermal design and analysis with STEP technology and makes some suggestions concerning the development of standard building and HVAC data ：database CIBS CAD STEP 1 前言开发集成化建筑设计系统的关键在于实现CAD工具、分析软件以及各种数据库间数据交换。而要实现\"开放式\"系统，使集成化系统中的各个部分都可以独立研究开发并不断扩充，就需要有一种标准的数据交换方式。80年代以来国外逐渐开发出STEP技术（Standard for the Exchange of Product Model Data）作为产品数据交换标准。目前该技术已广泛用于制造业的CAD、CAM系统中，国际标准化组织ISO TC184 并制定了国际标准（ISO CD10303）。在建筑设计CAD和集成化系统的开发研究中，也开始采用STEP技术。我国1994年由国家技术监督局牵头成立了STEP技术中心，1995年国家技术标准委员会成立了STEP标准分委员会（CSBTS TC 159 SC4），开始制定我国的STEP标准，并组织推广STEP技术。2 STEP技术简介不同软件间一般通过数据文件进行数据交换。正确的数据交换的前提是要使数据的接收方能够完整准确地\"理解\"所接收的全部数据。最初这是通过数据生成方与数据读取方的协议来实现的。此协议包括数据的格式、顺序、数量以及数据文件中每一个位置上的数据的意义。随着产品和工程数据复杂的增加，上述方式就愈来愈不适应。同一类型的事物，具体对象不同，所要描述的数据的数量就不同，所表示的物理意义亦不同，甚至数据类型也不同。例如描述一座建筑物数据，其结构及数量随建筑的楼层、房间数及门窗墙数的不同百有很大差别；描述一个空气处理室的数据，对于不同结构的空气处理室（表冷器、喷雾室），有些数据代表的意义相联系才有意义，一组数据只有与它们的相互关系的定义相结合才有意义。仅依靠预先约定的一些协议，很难准确反映每个数据的物理意义及数据间的相互关系，更难以适应被描述事物类可能具有的各种变化。数据的物理意义、数据间的相互关系以及数据本身三者共同构成了对事物的描述。数据交换与传递也应包括这三部分内容，而决不仅是数据本身。基于上述观点，提出了STEP数据交换技术。将数据组织为数据项储存。每个数据项包括描述该项内容的若干个数据，其中亦可有与此项内容有关的其它数据项名。每个数据与它的物理名共同储存。为了准确地描述数据项内部结构及各数据项间的关系，对种每数据项的内部结构及其中每个数据的物理意义都要用EXPRESS严格定义。这种数据项的EXPRESS定义称作数据模型。根据此数据模型可以准确写出STEP方式的数据文件，也可以很容易解按此模型生成的STEP方式的数据文件。以描述一个建筑物的几何尺寸为例。建筑物可看成是由许多封闭空间组成；每个空间由若干个表面所围成；每个表面由若干条线段为边界；每条线段由它的起始坐标确定。同时，每条线段又是两个表面的相交边界；每个围护结构都以两个表面为其两侧。这个数据模型可以用如下EXPRESS语言描述：ENTITY：建筑is composed of : SET OF 围护结构contains: SET OF 空间END ENTITY:ENTITY：空间is composed of : SET OF 表面END ENTITY:ENTITY：表面has area of: REALis composed of : SET OF 线段is surface of : 围护结构face of : ONE OF (空间，外环境)END ENTITY:ENTITY：线段Point 1 :点Point 2 :点boundary of surface 1: 面boundary of surface 2: :面END ENTITY:ENTITY：点x is : REALy is : REALz is : REALEND ENTITY:ENTITY：围护结构Side 1 is : SET OF 表面Side 2 is : SET OF 表面END ENTITY:以上定义的EXPRESS数据模型中，大写字母为一些由语法决定的关键字。小写英文字母及中文说明物理意义。每一组ENTITY定义了一项数据项结构。按照这个数据模型，一个具体的建筑几何尺寸可用如下形式的STEP文件描述：#1=建筑（（#80，#81，#82，#85，……），（#2，各围护结构的代号#3，#60，……））各空间的代号#2=空间（（#4，#5，#6，……））各表面的代号#3=表面（，（#10，#11，……），#80， #2））面积 各线段代号 所属围 面对 护结构 空间#4=表面（32，（#10，#14，……），#81，#2） …………#10=线段（#50，#51， #3， #4） 点1 点2 面1 面2#11=线段（#51，#52，#3，#6）……#50=点（, , ） x坐标 y坐标 z坐标#51=点（………）……#80=围护结构（#3，#4）上述STEP文件中，#n仅作为一项数据的识别名，其顺序无任何意义。等号后的名称给出此项数据的结构。它表明括号内的内容必须与该项ENTITY在EXPRESS中定义的结构一致。括号内#n则给出各项数据间的相互联系。这种方式的数据文件，各项数据顺序无关，根据被描述事物的复杂程度，总的项数亦可很不相同。只要得到它的数据模型，即可产生或理解全部数据内容。这样，EXPRESS定义的数据模型相当于严格定义的化的数据文件协议。在它的公开与一致的基础上，即可实现数据的准确理解。实际的建筑物涉及的信息当然远比上例复杂，但用同样方法亦可准确完整地描述清楚，并可灵活使用。上例描述的基础，建立在数据模型的一致上。若数据模型不一致，也就是看待和描述事物的角度不一致，仍不能实现这种数据交换。例如，如果某个软件是用各面墙的中线描述建筑物几何信息，其数据就很难直接用上述数据模型表出。因此，制定统一的标准数据模型，即统一的EXPRESS形式的定义文件，是使用和推广STEP技术进行数据交换的关键。经过十余年的努力，已开发出许多使用STEP的软件工具。例如以图形化方式定义数据模型并直接生成EXPRESS文件的NIAM；将EXPRESS文件自动转换为C++中数据类型说明的CCGEN；直接存储、和检索STEP形式数据的动态数据库软件等。目前随3 使用STEP的初步尝试与英国建筑研究中心（BRE）合作，并结合国内的具体情况，作者近两年来开发出采用STEP数据交换方式的集成化建筑热环境分析系统IISABRE。 它的基本思想就是试图将相关的各种计算软件及CAD工具集成到一起，每个软件可以使用其它软件的各种输出结果，它的输出结果亦可被其它软件所使用。系统的核心是使用STEP技术按照EXPRESS定义的建筑信息数据模型（IDM，Intergrated Data Model）。该数据模型包括建筑物的几何信息、围护结构热工性能、建筑物的运行管理方式以及微生物的能耗、采光、自然室温等各种物理性能。利用此数据模型可基本上描述与建筑热物理有关的各种信息。为了实现各软件与以此数据模型为原型的数据库交换数据，每个软件都配一个数据转换器。此数据转换器从STEP数据库中取出该软件所需要的数据，按其要求生成数据输入文件。数据转换器又将该软件的计算结果转换为STEP方式并存入STEP数据库中。利用这一系统，用户首先AutoCAD上描述所分析建筑的三维几何形状，并通过从门窗墙部件库选择相应的部件来定义各建筑部件的和物理性能。这些输入结果都被转换为STEP的数据项，存入数据库中。用户可调用计算软件对此建筑进行分析。例如检查它的围护结构是否满足保温标准或进行能耗估算。用户还可进一步定义要求的房间范围以及HVAC形式，从而进行负荷计算或自然室温计算。这些计算结果亦存入数据库中，并可被其它软件利用。由于采用了开放式结构，此系统还可以运行现成的计算分析软件。目前已试将美国开发的SERIRES（建筑热模拟软件）和英国开发的BREDOM（建筑能耗估算）连入。利用这种方式现有的分析计算软件资源可以较方便地集成于此系统中。此系统目前仍处于开发完善中，但已显示出STEP方式的优越。随着系统复杂性的增加，这种优越性会越来越明显地表现出来。4 建议和设想随着计算机技术的发展，软件的相对越来越高。使开发出的软件能广泛和充分地利用是提高效率降低成本的关键。大型集成化系统复杂庞大，依靠一两个单位的力量很难承担。采用STEP技术可能性较容易实现开放式系统提高软件重复使用率，因此应大力推广。使用STEP技术的核心是开发建立数据模型。制定标准的EXPRESS建筑数据模型并逐渐使大家遵循是使STEP技术能在建筑CAD领域产生效益的关键。目前STEP标准化组织不可能直接从事这项工作，它只能依靠国内各从事建筑CAD和分析模拟软件开发研究的单位合作，共同完成。这一工作早晚要做，而越早完成越可早见成效，尽早消除重复开发应用软件的浪费现象。
世界前八强吃货
CAD即计算机辅助设计与制图,是指运用计算机系统辅助一项设计的建立、修改、分析或优化的过程。CAD软件必须有能接受和使其运行的物体,即硬件来支持它才能有实际意义,这样就存在了CAD系统。CAD系统是由硬件、软件组成。硬件包括处理运算设备、图形显示设备、外部存储设备、数据图形输入输出设备以及有关的信息传输等硬件平台设备、软件包括系统软件、支撑(图形、汉字等)软件和专业应用软件。我国主要使用的CAD软件是美国AUTODESK公司开发的AUTODESK软件,它是一个功能强大、易学易用、具有开放型结构的软件口不仅便于用户使用,而且系统本身可不断地扩充和完善,它被广泛地应用于微机及工作站上。因此,国内外软件开发商在此基础上进行有关工程设计专业的二次开发,如建筑行业:华远的HOUSE软件、建研院的ABD集成化软件和BICAD软件、理正的CAD软件、方圆公司的方圆三维室内设计系统等。随着CAD技术的不断发展,其覆盖的工作领域也不断地扩大,如工程设计CAD项目的管理、初步设计、分析计算、绘制工程、统计优化等。CAD技术的应用正在有力而迅速地改变着传统的工程设计方法和设计生产的管理模式。 通过多年的设计实践CAD技术以简单、快捷、存储方便等优点已在工程设计中承担着不可替代的重要作用。许多工程都应用了计算机进行辅助设计和辅助绘图,尤其建立了计算机网络辅助设计与管理后,不仅能提高设计质量,缩短设计周期,而且创造了良好的经济效益和社会效益,CAD技术的应用使工程设计人员如虎添翼,在更加广阔的天地里施展才华。但随着CAD在工程中的大量应用及其技术的成熟，它的一些缺点也暴露无遗，所以也有很多人不接受这一技术，认为它限制了建筑设计业的发展。那么CAD究竟利大于弊还是弊大于利，怎样才能对它善加利用，我们不妨对CAD的双重性做一个剖析。 1、CAD技术在工程设计中的优点 CAD技术的长处使得人们趋之若骛，它主要表现在： 劳动强度降低，图面清洁 手绘绘图，工作人员常常手里拿着几只不同粗细的墨笔，丁字尺、三角板、曲线板等工具不停的在手里更换，而且一旦画错，修改非常费事，甚至从头来过，图面修修补补显的脏乱。用CAD绘图则可以一只鼠标做你想做的任何事情。它有统一的线型库、字体库，图面整洁统一。CAD软件所提供的UNDO功能让你不必担心画错，它可以使你返回到你画错之前的那一步。你更可以在电脑系统后台运行一些音乐播放软件，一边听音乐一边工作。 CAD软件绘图真正做到方便、整洁、清洁、轻松。 设计工作的高效及设计成果的重复利用 CAD之所以高效，因其最伟大的功能之一：“COPY”。一些相近、相似的工程设计，图纸只要简单修改一下就行了，或者直接套用，而你只需按几下键盘、鼠标。CAD软件可以将建筑施工图直接转成设备底图，使水暖、电气的设计师不会在描绘设备底图上浪费时间。而且现在流行的CAD软件大多提供丰富的分类图库、通用详图，设计师需要时可以直接调入。重复工作越多，这种优势越明显。结构计算的高效，一个普通的框架结构，以往手工计算需要一个星期左右时间，用CAD快的一天就可以完成。 精度提高 建筑设计的精度一般标注到毫米，结构计算的精度也不是很高，施工时的精度更低，但对于一些特型或规模大、复杂的建筑离开了CAD困难将成倍增长。CAD在日影分析、室内声场分析、灯光照度分析等方面的计算精度、速度也是手工计算无法比拟的。 该论文转贴于 酷文网 资料保管方便 CAD软件制作的图形、图象文件可以直接存储在软盘、硬盘上，资料的保管，调用极为方便。你可以将设计项目刻录成光盘，数据至少可以保存50年。你可以将以前的图纸通过扫描仪，数字化仪输入电脑，避免资料因受潮、虫蛀以及破坏性查阅造成的不必要损失。资料的管理更有科学性，只要一台电脑就可以管理的井井有条，资料室也将告别成排的资料柜，因为一个院所从成立到现在所有的资料几张光盘就装下了。 CAD在建筑表现图上的优势 这也是CAD在建筑设计上最出风头的。CAD制作的建筑效果图其透视关系、光影关系、建筑材料的质感，都可真实再现，惟妙惟肖，在加上真实的树木、人、天空、汽车配景，几可乱真。如果在加上现场环境照片融合更有说服力。CAD制作效果图优势还在于，只要建筑的三维模型搭建完成，就可以任意指定透视角度，模型材质，快速生成多张效果图而无需从头做起，这是传统手绘效果图无法比拟的。这一切都让设计师在建筑设计上收益非浅，在向甲方推销自己的设计成果时也更有说服力。 设计理念的改变 CAD的智能化将部分取代设计师的一些设计工作，而CAD对设计的标准化、产业化起着巨大的推动作用。随着信息技术、网络技术的发展，跨地区合作设计，异地招投标、设计评审也将普及。在第一时间接受科技信息，与世界同步。通过一根电话线“在家工作”将成为可能。 2、CAD技术在工程设计中的缺点 CAD技术在给建筑设计业带来巨大效益的同时其负面作用也日益显现，值得我们深思。 CAD技术对设计思想的束缚 由于电脑屏幕尺寸的限制，设计师关注的往往是设计的局部，对全局的把握有一定影响，使得整个建筑物的比例、体量失控。CAD的精确性要求其每一笔都要有准确的数据，使得方案设计中需要的模糊性、随机性被扼杀，设计缺乏灵感。另一方面CAD软件自身功能的局限性以及设计师对CAD软件掌握的熟练程度，使得建筑师好的灵感、创意不能通过CAD表达出来，建筑师的思想、思路、灵感被束缚。 CAD技术扼杀建筑艺术 建筑是一门融科技、艺术、文化、哲学于一体的学科。建筑既是一件商品，也是一件艺术品。有关人事认为CAD技术的滥用会使建筑设计工作从一种艺术创作变为一种工业化生产，CAD引以为荣的复制、套用的高效率手段，使得设计过程本身就伤害了这一学科，而CAD的标准化、工业化使得建筑作品千篇一律，缺乏灵气、缺乏个性和人情味，建筑已经变为纯粹的商品。而最有艺术气息的手绘建筑效果图，也将要被电脑效果图取代，电脑效果图虽然正式可信，快捷方便，但它缺少手绘图所体现的个性，以及设计师笔下流露的特有的感觉。 CAD浪费资源 CAD是一项科技含量很高的技术，通常一名设计师要用半年到一年的时间才能熟练掌握CAD软件及电脑知识。可是在科技飞速发展的今天你学习的步伐永远追不上电脑、外设、CAD软件的更新、升级步伐。设计师不得不花费大量时间应付这些变化。CAD的复杂、难懂使得设计师望而却步，一些院所专门设立、配备电脑操作维修人员，甚至设立一个专门的CAD工作部，因为一个优秀的设计师不一定是CAD高手，反之亦然。CAD对人力、时间的浪费可见一斑。其次，CAD对物质财力的浪费更甚。一个院所要想实现微机制图其硬件设备如：电脑、工作站、绘图仪、复印机、扫描仪、数字化仪、数码相机、可录光驱、UPS等的投资不菲，而它们的折旧率、升级费用也很高。它的软件投资也居高不下，当然前提是使用正版软件。在国内一套建筑软件就要花费1～2万元，而水暖、电、结构、预算各专业都配齐要十几到二十几万元，在加上操作系统软件、常用办公软件其花费惊人。 CAD技术存在不可靠性 CAD技术使得设计师不得不面对计算机病毒，CAD软件本身的更新升级，电脑资料的保存等一些不可靠因素。由于上述一个或几个原因设计师就得停止工作，去解决与设计无关的问题，或者由于设计师的误操作和对CAD知识掌握不够，可能辛苦几天甚至几年的设计成果被误删、覆盖付之东流。国内某结构软件早期版本的程序错误让人汗津，岁为造成重大损失并且在后续版本得到修正，但谁又能保证现行的软件不存在问题呢。 综上所述，CAD技术给设计师带来了极大的方便，但也带来了许多负面效应。无论如何我们都应承认CAD给我们的好处，要正视它的局限性，善用它的长处。展望未来,计算机技术的发展是无止境的,我们每一位工程设计人员都将以此先进的技术为手段,在各自岗位上发挥最佳能力,并以热忱的服务、优质的设计、敬业的精神,为工程设计行业做出我们的贡献
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