張呂偉 徐曉宇

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院,上海 200092)

1 前言

隨著工程設(shè)計(jì)和工作制圖中計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用的更加廣泛和深入,設(shè)計(jì)師對(duì)圖形的整體修改產(chǎn)生了強(qiáng)烈的興趣和需求,自然希望把他所關(guān)心的某類圖形中共性的東西提取出來(lái)作為參數(shù),同時(shí)找出形狀約束方程求解方法,以便能以較少的操作來(lái)完成新的設(shè)計(jì)方案。而參數(shù)化、變量化設(shè)計(jì)技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)這一理想的技術(shù)基礎(chǔ)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指用戶不必輸入圖紙上的圖形元素(如直線、圓弧、字符、標(biāo)注等),而是輸入設(shè)計(jì)的參數(shù),由 CAD系統(tǒng)自動(dòng)輸出相應(yīng)的工程圖紙的一種設(shè)計(jì)方式。目前參數(shù)化設(shè)計(jì)有三種技術(shù),參數(shù)化技術(shù)、變量化技術(shù)、參變量技術(shù)。

參數(shù)化技術(shù)尚有許多不足之處。一切以尺寸(即所謂的“參數(shù)”)為出發(fā)點(diǎn)。一旦所設(shè)計(jì)的構(gòu)筑物形狀過(guò)于復(fù)雜時(shí),如何改變這些尺寸以達(dá)到所需要的形狀就很不直觀。如在設(shè)計(jì)中關(guān)鍵形體的拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生改變,失去了某些約束的幾何特征也會(huì)造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)混亂。目前以參數(shù)化技術(shù)為藍(lán)本,比參數(shù)化技術(shù)更為先進(jìn)的技術(shù)——變量化技術(shù),在CAD開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。

變量化主要是通過(guò)若干變量來(lái)控制一組圖形的幾何形狀,使用不同的變量值則圖形的形狀也隨之變化,即通過(guò)變量實(shí)現(xiàn)一組圖形聯(lián)動(dòng)。變量化技術(shù)的方式主要有三種:參數(shù)化公式、圖形綁定和參數(shù)公式化與可視化編輯相結(jié)合。

變量化技術(shù)既保持了參數(shù)化技術(shù)原有的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又克服了它的許多不利之處。它的成功應(yīng)用,為 CAD技術(shù)的發(fā)展提供了更大的空間和機(jī)遇。文中所介紹的 CCD軟件就是一種典型的變量化技術(shù)為核心的設(shè)計(jì)軟件。

2 CCD簡(jiǎn)介

CCD的全名為 CATIA CADAM Drafting,在 20世紀(jì) 60年代由美國(guó)洛克希德飛機(jī)公司(現(xiàn)為洛克希德馬丁公司)開(kāi)發(fā),并用于最先進(jìn)的飛機(jī)設(shè)計(jì)。后來(lái) Dassault Systemes公司收購(gòu) CCD軟件,并對(duì)軟件進(jìn)行了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善,使 CCD軟件成為世界范圍內(nèi)廣泛使用的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件。

CCD的特色之一是:它是 2.5D系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件,而不僅是與一般 CAD軟件那樣只是二維的圖形,它可以利用 2維的不同視角的視圖來(lái)形成 2.5維的平面立體幾何圖,非常方便直觀。

CCD的特色之二是:可以導(dǎo)入光柵化的圖紙。CCD采用“混合光柵”的技術(shù),可以導(dǎo)入光柵圖紙的信息,并和矢量圖信息混合保存。光柵圖的信息也可以在 CCD中進(jìn)行編輯和矢量化。這樣可以大大方便其他格式的圖紙資料轉(zhuǎn)化成 CCD的格式或用CCD進(jìn)行二次加工。

CCD的特色之三是:采用一種新的技術(shù)稱為“變量化的設(shè)計(jì)系統(tǒng) VDS(Variational Design System)”。VDS根據(jù)幾何學(xué)的原理,利用定義帶參數(shù)的約束條件,例如標(biāo)注尺寸、垂直相交、相切、對(duì)稱、相等、平行等約束來(lái)繪制圖紙。CCD軟件中的參數(shù)化約束不僅可以針對(duì)相同視角的視圖中的元素,還可以在兩個(gè)不同視角的視圖中進(jìn)行約束,當(dāng)改變某個(gè)視角中的參數(shù)時(shí),其它視角也會(huì)自動(dòng)完成變化。尺寸參數(shù)的定義可以為某個(gè)值,或者為計(jì)算公式,甚至某一范圍內(nèi)變化的數(shù)值,CCD都可以根據(jù)參數(shù)的變化而得到新的圖形,或形成動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)過(guò)程。VDS提供兩種約束的方式,一種是自動(dòng)約束;它可以將圖形中的有關(guān)平行、垂直、相交等關(guān)系自動(dòng)約束;第二種是手動(dòng)創(chuàng)建約束,如果自動(dòng)約束不能滿足設(shè)計(jì)者的意圖,設(shè)計(jì)人員也可以根據(jù)需要增加或刪除約束。VDS對(duì) 2.5維的立體幾何圖也同樣有效。

CCD的 VDS功能結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)尺寸控制、參數(shù)化公式計(jì)算、圖形約束條件等技術(shù),是一種典型的變量化技術(shù)的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以減輕設(shè)計(jì)人員的工作量,提高制圖效率,特別是對(duì)以直線、矩形、圓弧等元素構(gòu)成的具有一定規(guī)律的構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)和修改,效果尤為顯著。

本文主要介紹 CCD的 VDS功能在構(gòu)筑物設(shè)計(jì)中的功能應(yīng)用。

3 CCD在構(gòu)筑物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索

給排水構(gòu)筑物,從廣義上說(shuō)是一類“貯水的容器”,其中一部分是矩形板構(gòu)造,例如:沉淀池、矩形蓄水池、矩形沉井、快濾池、無(wú)閥濾池等。另一部分是稱之回轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu),例如:圓形蓄水池、水塔頭部、水力和機(jī)械加速沉清池、蛋形消化池等。上述構(gòu)筑物都是三維空間結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)形式上,它比工民建框架類的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但從幾何角度上分析,上述一大類“貯水的容器”都是由矩形板單元和節(jié)環(huán)殼單元所組合而成。

給排水構(gòu)筑物種類離散性大,形式變化個(gè)性化,但對(duì)某一個(gè)具體構(gòu)筑物,它們幾何形狀變化不大,尺寸變化很大,以前套用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集,或者在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集基礎(chǔ)上再進(jìn)行修改,修改工作量大,而且容易出錯(cuò),有時(shí)一個(gè)標(biāo)高變化,需要修改一大批圖紙。為了解決這些問(wèn)題,采用參數(shù)化 CAD技術(shù),設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量提高非常明顯。

長(zhǎng)期以來(lái)廣大給排水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)人員總結(jié)出了許多標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)電子圖紙,這些圖紙?jiān)?AUTOCAD中屬于靜態(tài)圖形(也稱為“死圖”),如何對(duì)已經(jīng)存在圖形進(jìn)行簡(jiǎn)單加工,實(shí)現(xiàn)“死圖”變“活圖”。CCD軟件可以實(shí)現(xiàn)這些功能。

CCD變量化設(shè)計(jì)功能屬于尺寸驅(qū)動(dòng)、圖形聯(lián)動(dòng)的參數(shù)化方法。CCD對(duì)形狀比較定型,可以用一組參數(shù)來(lái)約定尺寸關(guān)系的構(gòu)筑物,實(shí)現(xiàn)參數(shù)化比較簡(jiǎn)單,參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸有顯式對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動(dòng)。給排水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)的系列化就是屬于這一類型。

4 CCD應(yīng)用實(shí)例

本文以給排水構(gòu)筑物中常見(jiàn)的生化反應(yīng)池模型為設(shè)計(jì)例子,簡(jiǎn)要說(shuō)明 CCD軟件在其他格式文件導(dǎo)入、變量化設(shè)計(jì)、條件約束等功能的應(yīng)用。

首先將 AutoCAD格式的反應(yīng)池模型的 dwg文件圖導(dǎo)入到 CCD中,如圖1所示。

圖1 dwg文件導(dǎo)入到 CCD中

圖2 在 CCD中完成的三視圖

在 CCD中利用 2.5D的功能,完成另外兩個(gè)視角的剖面圖。如圖2所示。

CCD中的變量化設(shè)計(jì)采用尺寸驅(qū)動(dòng),首先利用VDS中的標(biāo)注功能對(duì)反應(yīng)池中的尺寸進(jìn)行標(biāo)注,如圖3所示。每一個(gè)標(biāo)注都會(huì)自動(dòng)形成一個(gè)對(duì)應(yīng)名稱的變量,變量的類型分為 input和 evaluation兩種,分別表示“手動(dòng)輸入”和“計(jì)算輸入”,input類型的變量可以通過(guò)直接輸入數(shù)值進(jìn)行修改,evaluation的變量可以通過(guò)其他 input的變量的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行表達(dá),最終的計(jì)算結(jié)果即為尺寸值,如圖4所示。

僅有標(biāo)注尺寸的參數(shù)化是不夠的,還要對(duì)圖形的相互關(guān)系進(jìn)行綁定約束,才能使圖形在標(biāo)注尺寸驅(qū)動(dòng)下同時(shí)變化。圖形的約束分為兩種方式,一種是自動(dòng)約束,如圖5所示,自動(dòng)約束會(huì)自動(dòng)對(duì)某一個(gè)視角的設(shè)計(jì)圖中的相交、平行、相切、垂直等元素進(jìn)行綁定。當(dāng)輸入尺寸值變化時(shí),結(jié)果如圖6所示;第二種是手動(dòng)創(chuàng)建的約束,如圖7所示,手動(dòng)約束最大的優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)不同視角的圖形進(jìn)行約束,當(dāng)某一個(gè)視角的圖形隨參數(shù)變化時(shí),其他視角的圖形也可以同時(shí)變化,而不需要對(duì)其他視角的圖形重復(fù)進(jìn)行修改,手動(dòng)約束是對(duì)自動(dòng)約束的修改和補(bǔ)充。當(dāng)增加手動(dòng)約束后,變化后結(jié)果如圖8所示。

圖3 VDS的標(biāo)注功能

圖4 尺寸參數(shù)的類型和數(shù)學(xué)表達(dá)式

圖5 自動(dòng)約束的菜單

圖6 采用自動(dòng)約束的參數(shù)化設(shè)計(jì)圖

圖7 手動(dòng)創(chuàng)建約束的菜單

圖8 增加手動(dòng)約束的參數(shù)化設(shè)計(jì)圖

利用尺寸的變量表達(dá)和約束的兩種方式的結(jié)合,可以達(dá)到尺寸驅(qū)動(dòng)和圖形聯(lián)動(dòng)的效果,從而實(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)池的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心是把設(shè)計(jì)的限制條件,通過(guò)參數(shù)的數(shù)值、公式或者計(jì)算模型的方式進(jìn)行表達(dá),只要輸入或調(diào)整少量參數(shù),就可以完成設(shè)計(jì)的過(guò)程。CCD軟件達(dá)到了參數(shù)化設(shè)計(jì)要求,也是實(shí)現(xiàn)給排水構(gòu)筑物參數(shù)化一種有效方法。我院目前繼續(xù)探索 CCD軟件,使該軟件能夠符合我國(guó)土木工程設(shè)計(jì)要求。

“數(shù)字化”時(shí)代已經(jīng)到來(lái),參數(shù)化設(shè)計(jì)還是一個(gè)全新的概念,相關(guān)理論和技術(shù)尚不成熟,參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法研究也很少見(jiàn),上海市政總院對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)研究已取得了一些成果。參數(shù)化設(shè)計(jì)將徹底改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣和工作流程,設(shè)計(jì)中還需要進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化,未來(lái)設(shè)計(jì)技術(shù)將借助于信息技術(shù)的發(fā)展,由過(guò)去基于圖紙的設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)化為基于參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),參數(shù)化設(shè)計(jì)是必然趨勢(shì)。

參數(shù)化設(shè)計(jì),已具備前程似錦的應(yīng)用前景,它是工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場(chǎng)信息化革命。要使得參數(shù)化設(shè)計(jì)真正發(fā)揮作用,提高設(shè)計(jì)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,觀念的轉(zhuǎn)變是關(guān)鍵。

CAD技術(shù)基礎(chǔ)理論的每次重大進(jìn)展,無(wú)一不帶動(dòng)了 CAD整體技術(shù)的提高以及設(shè)計(jì)手段的更新。技術(shù)發(fā)展,永無(wú)止境。沒(méi)有一種技術(shù)是常青樹(shù),CAD技術(shù)一直處于不斷的發(fā)展與探索之中。正是這種此消彼長(zhǎng)的互動(dòng)與交替,造就了今天 CAD技術(shù)的興旺與繁榮,促進(jìn)了設(shè)計(jì)行業(yè)的高速發(fā)展。今天,越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到 CAD是一種巨大的生產(chǎn)力,不斷加入到設(shè)計(jì)行列之中。愿 CAD技術(shù)的發(fā)展伴隨著人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用水平的提高,日新月異,更上一層樓。