杜慧敏

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，設(shè)計(jì)領(lǐng)域爆發(fā)了一次又一次技術(shù)革命，設(shè)計(jì)速度及精準(zhǔn)程度都在翻倍地提高。三維設(shè)計(jì)與虛擬現(xiàn)實(shí)的完美結(jié)合，將為相關(guān)的上下游領(lǐng)域開拓?zé)o限的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)工廠化 虛擬現(xiàn)實(shí) 三維設(shè)計(jì) 工程項(xiàng)目一體化

一、關(guān)于三維設(shè)計(jì)

1. 三維設(shè)計(jì)的意義與作用

三維CAD系統(tǒng)中的工程圖設(shè)計(jì)與一般二維設(shè)計(jì)系統(tǒng)不完全相同，三維CAD系統(tǒng)中的工程圖設(shè)計(jì)可以直接由三維模型投影而成，從而保證各個(gè)視圖的正確性，使用者只需要對(duì)視圖中個(gè)別線條進(jìn)行調(diào)整，并標(biāo)注工程符號(hào)，即可滿足工程圖紙的要求。

三維模型設(shè)計(jì)中包括了產(chǎn)品完整的幾何結(jié)構(gòu)，還可以從三維模型中產(chǎn)生其他各種視圖，除基本標(biāo)準(zhǔn)的三視圖外，還可生成軸測圖、向視圖、各種剖視圖、局部視圖等。由于三維CAD系統(tǒng)中三維/二維的全相關(guān)性，那么在不同的設(shè)計(jì)環(huán)境中，模型都是相互關(guān)聯(lián)的，可以在三維、二維或其他設(shè)計(jì)環(huán)境中直接修改模型的結(jié)構(gòu)和尺寸，其他的模型可以自動(dòng)更新。三維/二維的全相關(guān)可以保證設(shè)計(jì)的修改在三維與二維模型中保持一致。

2. 如何認(rèn)識(shí)和理解真正意義的CAD

利用計(jì)算機(jī)及有關(guān)應(yīng)用軟件， 完成傳統(tǒng)意義上的二維繪圖設(shè)計(jì)，人們稱其為甩圖板。由于現(xiàn)階段仍以二維工程圖作為主要技術(shù)文件，用以指導(dǎo)生產(chǎn)且在一定程度上可以提高設(shè)計(jì)效率，因此，通常稱其為CAD。在得到一定的普及之后，可以發(fā)覺，二維繪圖在許多情況下，不能完全表述其設(shè)計(jì)意圖，難于完全表現(xiàn)出思維中零部件的材料、形狀、尺寸、相關(guān)聯(lián)零件等三維實(shí)體。由于以前手段的限制，人們不得不通過若干個(gè)二維圖來描述一個(gè)必須不斷修正和完善，才三維設(shè)想，而它的不唯一和完整性，能表達(dá)清楚。

現(xiàn)在人們能夠在軟件的支持下，直接由思維中的三維模型開始設(shè)計(jì)，有了表達(dá)全部幾何參數(shù)和設(shè)計(jì)構(gòu)想的可能，使得整體設(shè)計(jì)過程能夠在三維模型中分析與研究，并能使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù) ，因而能夠更好地完善其設(shè)計(jì)思想，從而使設(shè)計(jì)方案理想化。

應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)整體設(shè)計(jì)或部件進(jìn)行有限元分析、運(yùn)動(dòng)分析、裝配的干涉檢查、機(jī)構(gòu)仿真、NC程序的自動(dòng)編制、準(zhǔn)確的二維工程圖生成以及外形質(zhì)感、顏色或動(dòng)畫外觀效果的渲染。完成對(duì)全部設(shè)計(jì)過程的真正有效輔助的，成為有明確的技術(shù)效果和顯著經(jīng)濟(jì)效益的CAD

3. 全參數(shù)化驅(qū)動(dòng)三維模型應(yīng)用的必要性與可能性

所謂設(shè)計(jì)模型的建立，亦即設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的填充過程。而建立數(shù)據(jù)庫的目的，是在以后的設(shè)計(jì)裝配中引用和修改。其中的某些數(shù)據(jù)，最終完成整個(gè)設(shè)計(jì)。因此不能進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)的三維模型，在設(shè)計(jì)中幾乎沒多少用途。

參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，包含對(duì)于新設(shè)計(jì)的零件，引用的標(biāo)準(zhǔn)件和借用件以及其他外部組件，當(dāng)然也包含了對(duì)各個(gè)零部件之間的裝配關(guān)系、位置關(guān)系乃至運(yùn)動(dòng)關(guān)系等等。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)模型，就是各種機(jī)械零件的實(shí)際模型。所有的模型均可以分解成有限品種的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，又可以用有限的參數(shù)完全約束，即參數(shù)化。因而，現(xiàn)在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中， 全部可以用參數(shù)化的三維模型來表述。

三維CAD系統(tǒng)中，用參數(shù)化約束所設(shè)計(jì)零、部件的尺寸關(guān)系；進(jìn)而使得所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更易變更和修改，管理起來也較二維設(shè)計(jì)方便可行。 在裝配設(shè)計(jì)中除了在定義零部件之間的關(guān)系時(shí)需要采用參數(shù)化、變量化設(shè)計(jì)以外，為了更好地表述設(shè)計(jì)者的構(gòu)想意圖，也需要參數(shù)化和變量化技術(shù)來建立裝配體中各個(gè)零部件之間的特征形狀和尺寸之間的關(guān)系，使得當(dāng)其中某個(gè)零部件的形狀和尺寸發(fā)生變化時(shí)，其他相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)與尺寸也隨之改變。支持在裝配環(huán)境下設(shè)計(jì)新零件的系統(tǒng)，可以以已有零件的形狀作為參考，建立新零件與已有零件之間的形狀關(guān)聯(lián)。當(dāng)參考零件的形狀和尺寸發(fā)生變化時(shí)，新零件的結(jié)構(gòu)與尺寸也隨之跟著變動(dòng)。還可以利用參數(shù)化建立裝配體中不同零部件之間的尺寸關(guān)聯(lián)，定義驅(qū)動(dòng)尺寸和參考尺寸。對(duì)于與有陣列分布的特征進(jìn)行裝配的情況，如螺栓與陳列分布的孔進(jìn)行裝配，則應(yīng)能夠自動(dòng)完成其他螺栓與孔之間的裝配設(shè)計(jì)。

4. 三維模型在工程分析與NC編程中的應(yīng)用

三維CAD系統(tǒng)中，由于使用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，在設(shè)計(jì)的過程中均可對(duì)其中的一部分或全部設(shè)計(jì)，針對(duì)將要應(yīng)用的工作環(huán)境及技術(shù)要求，進(jìn)行應(yīng)力/應(yīng)變、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、熱力場等一系列的有限元分析計(jì)算，當(dāng)然必須建立在一系列的試驗(yàn)基礎(chǔ)之上。通過分析，反過來不斷修改、完善設(shè)計(jì)思想，使之達(dá)到統(tǒng)一的完滿。例如，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，即可節(jié)約大量的鋼材和型材。

二維的CAD系統(tǒng)中，由于無法建立可用于工程分析的實(shí)體模型，對(duì)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及熱力場分布等計(jì)算，只能依賴于書本中的有關(guān)計(jì)算公式，且計(jì)算量和勞動(dòng)強(qiáng)度均很大。如若設(shè)計(jì)修改，一切數(shù)據(jù)都需要重新計(jì)算。以致設(shè)計(jì)出“傻、大、黑、粗”的產(chǎn)品，既無技術(shù)效果可言，又無經(jīng)濟(jì)效益可談。

三維CAD系統(tǒng)中，可藉助于三維實(shí)體模型及完整的造型結(jié)構(gòu)，齊全的尺寸和幾何約束，充分的可以參數(shù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)，以便完成設(shè)計(jì)的修改和調(diào)整，零部件的裝配、力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析、模擬仿真、數(shù)控加工等CAD設(shè)計(jì)過程。針對(duì)零件未來制造和使用過程的概要表達(dá)，加工方法要求、熱處理要求、工件材質(zhì)、加工測量、加工定位基準(zhǔn)的選定及其他一些必須的工藝要求，利用系統(tǒng)的自動(dòng)編程和后處理功能，實(shí)現(xiàn)NC自動(dòng)化編程。再通過必要的模擬仿真，達(dá)到可以直接應(yīng)用和指導(dǎo)生產(chǎn)。而二維CAD系統(tǒng)將無法完成上述工作，且人工編程易于受各種不確定因素的干擾，所編NC程序， 工作效率也難以達(dá)到要求 。

由于不同種類專業(yè)的設(shè)計(jì)習(xí)慣、規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)方法都不一樣，使三維CAD的推廣應(yīng)用在一定程度上遇到一些困難。這就要求在選擇三維CAD軟件時(shí)必須充分論證， 選擇適合自己專業(yè)類別的軟件應(yīng)用，以達(dá)到事半功倍的效果。

三維CAD系統(tǒng)是技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效輔助工具，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最終出路，這是無法回避的。如果再集成有有限元分析軟件，將更加顯著地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效果。對(duì)于大幅度替代或減少試制各個(gè)設(shè)計(jì)部門的協(xié)調(diào)、配合、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理和使用，具有更大的實(shí)際意義。早日使用三維設(shè)計(jì)，就會(huì)及早取得經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益，因?yàn)樗荂AD應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢。

二、關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是近年興起的一種計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，是一種先進(jìn)的人機(jī)交互技術(shù)，它可以將意念中的事物以逼真的虛擬環(huán)境表現(xiàn)出來，讓使用者在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于“真實(shí)環(huán)境”的感覺，使用戶有強(qiáng)烈的參與感。它不同于三維動(dòng)畫，因?yàn)槿S動(dòng)畫只能展示預(yù)先設(shè)定的觀察路徑無法改變，只能播放觀看，無互動(dòng)功能，而虛擬現(xiàn)實(shí)則讓人身臨其境地隨意走動(dòng)在虛擬空間，不受時(shí)間限制地自主漫游，感受到運(yùn)動(dòng)帶來的場景變化。

這種技術(shù)目前大量地應(yīng)用于電子游戲及廣告業(yè)，給商家?guī)砹丝捎^的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也應(yīng)用于城市規(guī)劃及房地產(chǎn)項(xiàng)目的策劃及演示領(lǐng)域，應(yīng)用于建筑施工圖設(shè)計(jì)的到目前還沒有。

其實(shí)這種技術(shù)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮其應(yīng)有的作用的建筑施工圖設(shè)計(jì)也需要這種技術(shù)?，F(xiàn)在建筑師們最常用的軟件不過完全是平面設(shè)計(jì)，而效果圖的三維建模也僅僅是提高表現(xiàn)力而已若要表現(xiàn)室內(nèi)則需化室內(nèi)效果圖，而且這些資料僅僅用于方案展示及本專業(yè)的立面設(shè)計(jì)及室內(nèi)裝修設(shè)計(jì)。對(duì)本專業(yè)的技術(shù)設(shè)計(jì)及其他相關(guān)專業(yè)沒有任何意義。而如果將虛擬現(xiàn)實(shí)作為建筑設(shè)計(jì)的前期工作，其意義將是非凡的。

三、關(guān)于三維設(shè)計(jì)與虛擬現(xiàn)實(shí)的復(fù)合體

首先由建筑是在虛擬的空間內(nèi)作出其虛擬的建筑，這個(gè)建筑不是通過平立剖面表現(xiàn)出來的建筑，而是用模擬建筑材料搭建真實(shí)的建筑仿真實(shí)體。其場景特性可反應(yīng)擬建場地的自然狀態(tài)，其建筑材料帶有所選用建材特性可通過既定的屬性反映出來。

這個(gè)模型搭建完成以后，就可以把它作為建筑專業(yè)的一次資料形成了一個(gè)共享空間，或者干脆稱其為設(shè)計(jì)工廠；其他專業(yè)就可以開展工作。就好像一個(gè)工地。各個(gè)工種在不同的層面可以干各自工作。例如：結(jié)構(gòu)專業(yè)可以在這個(gè)空間布置結(jié)構(gòu)件。如梁板柱墻等構(gòu)件并可通過特定的接口，與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析程序?qū)?，把此模型作為?jì)算的原始輸入，開展計(jì)算分析，省去了輸入數(shù)據(jù)這一過程；計(jì)算的分析成果不再是通過數(shù)據(jù)文件進(jìn)行抽象的提示，而是通過仿真的實(shí)體圖象具體地表現(xiàn)出來，比如某根混凝土梁裂縫超出規(guī)范限制，那末計(jì)算機(jī)通過特定的設(shè)置，就讓虛擬空間的這根梁出現(xiàn)裂縫，某根鋼柱長細(xì)比過大，將顯示鋼柱為屈曲狀態(tài)，并提示結(jié)構(gòu)工程師修改梁柱的斷面重新分析計(jì)算，直至構(gòu)件設(shè)置合理為止，最后把結(jié)果存入共享虛擬建筑的相應(yīng)層面。

在各專業(yè)在各自層面上工作時(shí)是互不干擾。但卻是相互可視的。這樣各種管線的布置是否交叉碰撞在此虛擬空間內(nèi)都一目了然。整個(gè)設(shè)計(jì)過程類似于未來建筑施工的一次預(yù)演，即提高了效率，又提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

這樣對(duì)審查單位來說.所面對(duì)的設(shè)計(jì)成品不再是一本本的藍(lán)圖，而是設(shè)計(jì)人員建造的虛擬的現(xiàn)實(shí)建筑的只讀文件，某個(gè)工程的所有信息都包含在磁盤上，磁盤上的文件不經(jīng)授權(quán)是不能修改的。不同的專業(yè)審查人員可以進(jìn)入這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)中審核其所關(guān)心的問題。例如一個(gè)結(jié)構(gòu)審圖人員可以在此空間內(nèi)用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊一根混凝土柱，屏幕出現(xiàn)下拉菜單，顯示這根柱的屬性諸如截面大小、混凝土標(biāo)號(hào)、配筋數(shù)量等信息，如需要尚可顯示相關(guān)的計(jì)算書內(nèi)容，因此審圖過程就像以次工程驗(yàn)收，

交付給施工單位的將是一張附帶有設(shè)計(jì)人資質(zhì)及各種行政許可證明的磁盤，土建施工方可以從中提取土建材料數(shù)量，鋼筋加工方可以提取鋼筋加工訂貨單，鋼結(jié)構(gòu)加工方可以直接提取轉(zhuǎn)化鋼結(jié)構(gòu)制作詳圖，設(shè)備訂貨方可以用專用的軟件從中提取設(shè)備清單；經(jīng)濟(jì)專業(yè)可以提取各工種工程清單，報(bào)出工程造價(jià)。

工程施工方可以籍此模型制定安裝施工方案，且可以在虛擬空間內(nèi)進(jìn)行吊裝方案的模擬演示。

建設(shè)方、監(jiān)理可以模擬現(xiàn)實(shí)施工場景，控制施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。

以上都是一些不成熟的設(shè)想，它對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求是很高的，但對(duì)于計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異發(fā)展的今天，這個(gè)障礙是完全可以克服的，現(xiàn)以新產(chǎn)品名為X1超級(jí)計(jì)算機(jī)，其計(jì)算速度超過了每秒52萬億次數(shù)，即達(dá)到了每秒60兆次浮點(diǎn)計(jì)算（teraflops）的水平。

現(xiàn)在缺少的只是一個(gè)組織者，用各種模塊搭建這樣一個(gè)建筑設(shè)計(jì)的超級(jí)平臺(tái)，或者雖然這是一項(xiàng)浩大的工程，但卻是極有意義的：一旦這樣平臺(tái)搭建成功，將改變現(xiàn)有的建筑設(shè)計(jì)模式，極大地提高設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確程度；對(duì)設(shè)計(jì)的延伸部分，對(duì)施工行業(yè)等都將將產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的的影響。

五、結(jié)論及建議

從完全的人工設(shè)計(jì)到CAD設(shè)計(jì)；從平面設(shè)計(jì)到三維設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)給工程設(shè)計(jì)帶來的效率及效益正日漸充分地發(fā)揮出來；總的趨勢來看工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)描述將趨向于簡單、準(zhǔn)確、具象；從分析過程來看將趨向于高效、全面及深入；從成果上看將趨向于簡便、明了、易于處理及可延伸性提高，其結(jié)果必然是三維設(shè)計(jì)與虛擬現(xiàn)實(shí)的有機(jī)結(jié)合體-虛擬的項(xiàng)目實(shí)體。

這將是工程設(shè)計(jì)一個(gè)全新的領(lǐng)域，需求是迫切的，條件是成熟的。該成果雖然不是唾手可得，但也絕不是高不可攀。建議有實(shí)力的軟件開發(fā)人展開充分合作，發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同搭建這一平臺(tái)，工程項(xiàng)目一體化的夢想并不遙遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]2004-12-20 中國用戶論文集 張偉