三维设计软件在工程设计中的必要性

李成 赵亮 张凯 李勇

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

图纸绘制是工程设计工作中的主要环节，图纸质量决定着项目的设计水平，是参与行业竞争的最有利的武器。随着技术水平的提高，设计细节的精细化，二维设计软件已经不能完全适应设计需要，三维设计软件的引进和普及具有极其重要的意义。

笔者作为窑炉设计的工程师，基础工作是图纸绘制，目前采用二维设计软件进行图纸绘制。由于窑炉具有结构复杂、局部结构较多等特点，二维软件绘制的图纸难以将这些细节直观表达出来，可能会导致耐火材料厂家和窑炉施工方对某些结构存在理解误区，如喷火口、小炉喇叭碹、山墙承重碹碹碴等复杂结构。工程师通过三维设计软件可以直接绘制实体模型，省去通过主观将实体转化成平面的环节，提高设计效率；而且三维模型图更加直观，能对相关结构进行全方位的演示和模拟，利于耐火材料厂家和施工方更好的理解，同时又能将三维图纸通过软件直接转化成二维图纸，避免设计人员直接绘制二维图纸产生错误，尤其对于复杂结构，无需把实体通过头脑转化成二维视图，可以大大降低设计工作强度。

1 二维设计软件

最早的二维设计是利用图板、丁字尺和铅笔等工具，通过人工绘制图纸。当计算机普及时，利用二维设计软件绘制出电子图纸，通过打印机输出转换为施工蓝图。二维设计软件使设计人员摆脱了图板、铅笔等工具，大大提高了绘图质量和工作效率。

二维设计最普遍采用的软件是CAD。笔者以某公司的CAD软件为例，介绍窑炉图纸绘制的基本过程和方法。

（1）按照总体方案要求，绘制窑炉总图。

（2）按照总图进行各部位的分解，见图1。

图1 窑炉各部位分解图

（3）按照预先确定好的参数分解完各部位组装图。以小炉顶碹为例，按照总图及确定好的参数，绘制出基本结构，如图2所示。

图2 小炉顶碹结构

（4）将各部位组装图再次分解为供耐火材料厂家、施工方可以制作和施工的零件图纸。将小炉顶碹分解为若干碹碴砖和若干碹砖，其中一块碹砖零件图纸如图3所示。

图3 小炉碹砖

（5）将总图、各部位的组装图、零件图纸经过专人审核无误后，通过打印机输出并转换为施工用的蓝图。

至此整个图纸绘制过程全部完成。将蓝图交给相关的耐火材料厂家制作砖材，交给钢结构施工队进行钢结构零件制作，交给窑炉砌筑施工方进行砌筑，将按照零件图制作的砖材、钢材按照组装图进行砌筑安装，最终形成整座窑炉。

步骤（3）中基本结构的视图样式和步骤（4）中组装图的再次分解及零件图纸，都是设计者把实体靠大脑抽象成平面视图，靠主观和经验来完成二维图纸绘制的。

1.1 二维设计软件主要优点

（1）二维设计软件简单易学，上手快，学会相关软件基本操作，就能计算机绘图；

（2）正版二维软件费用低，维护成本低，同时二维软件对计算机配置要求不高，总体来说企业采用二维软件总成本较低；

（3）二维设计可以通过图形线条表达设计内容，表现形式规范，图纸样式都有行业标准，零件图上的尺寸、精度及技术要求和技术说明标示清晰，大多数情况下，二维图纸是可以满足工程设计要求的。

1.2 二维设计软件主要缺点

（1）二维设计软件绘制的图纸表达不直观，不便快速检测和发现设计错误，造成设计更改工作量大，甚至有可能把有隐藏问题的图纸带到后期制作和施工中去；

（2）二维图纸的绘制过程中，大部分工作是设计工程师依靠大脑把实体抽象成平面的各个视图，具有主观性，难免出现差错和理解错误。尤其对于复杂的实体，把实体抽象成二维视图很困难，再把大脑中的二维视图转化成图纸更加困难。

以小炉喇叭口斜碹为例，按照总图及相关参数，绘制出基本结构，如图4所示。将小炉喇叭口斜碹的三视图绘制出来，已经非常困难，而且部分点、线也不能全部绘制表示清楚。

图4 小炉斜碹结构

将此斜碹再分解为各个零件图，如果只靠想象是很难绘制出来的，只能按照三视图原理，点线面一一对应，勉强将零件图绘制出来，见图5。

图5 小炉碹碴砖

此碹碴砖的图纸非常复杂、抽象，可能还存在局部细节错误。通常窑炉结构中有3、4种参数不同的小炉斜碹结构，每种结构需要分解为约36组零件图，总共需要绘制108组或144组零件图，绘图工作量巨大，难度高。

绘制完成后将此零件蓝图交给耐材厂家，耐材厂家制作前，技术人员还要再次根据组装图分解出零件图，与设计工程师绘制的零件蓝图一一对比确认，如尺寸不一致，还要与设计工程师核实，重新确认图纸。这些对比、确认、核实等工作占用了设计工程师和耐材厂家技术人员的大量精力。

（3）在施工阶段，施工人员需要把平面信息想象成三维实体才能施工。尤其对于一些复杂部位，施工人员可能对二维图纸的理解出现差错，出现返工或者影响施工质量等问题。

2 三维设计软件

三维设计软件是采用全新的立体思维方式，直接应用计算机实体造型技术把头脑中的立体构思真实反映出来，与二维设计软件不同，它不是采用平面投影关系来反映实物的概念，不需要把实体转化成平面视图，三维设计模型非常直观、方便理解。三维设计软件不仅可以三维设计绘图，还具有产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等辅助功能。

以某公司三维CAD软件为例，介绍窑炉图纸绘制的基本过程和方法：

步骤（1）、（2）同二维设计软件。

（3）按照预先确定好的参数，绘制组装图实体模型。以小炉顶碹为例，绘制的小炉顶碹模型如图6所示。

图6 小炉顶碹结构模型

（4）将实体模型分解为单块零件图。小炉碹砖和小炉碹碴砖三维零件图见图7，通过三维软件转化功能，将三维零件图转化为二维图纸，见图8。

图7 小炉碹砖三维零件

图8 小炉碹砖二维零件

（5）将（3）中的各个组装图模型进行组装，通过虚拟装配、干涉检验等程序，纠正出现的错误，最终完成整座窑炉的模型设计。

2.1 主要优点

（1）三维设计软件是直接绘制实体模型，设计人员不必耗费精力考虑实体和平面的关系，设计效率大大提高，节省时间和精力；

（2）三维设计软件绘制的实体模型直观易懂，便于耐火材料厂家、施工方更好地理解，利于提高工作效率；

（3）三维模型完成后，可通过软件自动生成二维图纸，只要实体准确，二维图纸就相应准确，保证图纸的正确率；同时通过对三维实体的修改，会直接将相关的修改反映到二维图纸中，这样可以大大提高设计效率；

（4）三维设计软件还具有模拟装配、干涉检验、运动分析、动态仿真等辅助功能，可以进一步修改和完善总体方案，提高设计水平。

2.2 主要缺点

（1）三维设计软件绘制的图纸目前还未大规模普及和使用，图纸的表达样式等缺少统一的规定和规则；

（2）正版三维设计软件价格较高，而且对电脑配置要求较高，综合使用成本较高；

（3）三维设计软件操作复杂，使用繁琐，需要使用单位投入大量的人力、物力和财力；

（4）三维设计软件具有转化二维图纸的功能，但转化完的二维图纸，在图纸版面、标注样式、技术要求等方面还不完善，还需后期单独修改。

3 两种设计软件比较

二维设计软件和三维设计软件对比见表1。

表1 两种设计软件比较

4 结语

我国从90年代手工绘图转变到计算机二维设计软件绘图，使设计效率提高了数倍，从二维设计软件到三维设计软件，又是设计理念的变革，三维设计软件是工程设计领域发展的一个方向，已经成为开拓市场、提高竞争优势的手段之一。三维设计软件在提高工程设计水平和效率上发挥着积极的作用，政府、行业和企业应尽快出台三维图纸的规范和标准，加快推广和普及三维设计软件的应用领域，设计人员也应加强对软件的学习，保持全新的设计理念，使设计技术水平跟上世界先进的发展水平。