李光全 童思遠 任明杰

【摘 要】文章主要介紹了Top-down設(shè)計（至頂向下的設(shè)計方法）在建筑鋁模板行業(yè)設(shè)計中的設(shè)計思想和具體應(yīng)用。以某一項目的樓梯為研究對象，運用Creo軟件對樓梯進行參數(shù)化、模塊化的設(shè)計。結(jié)果表明：此設(shè)計方法能夠有效地對鋁模進行改型設(shè)計，縮短鋁模的設(shè)計周期，并為其他項目設(shè)計提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】Creo;Top-down;參數(shù)化;模塊化;鋁模設(shè)計

【中圖分類號】TU755.2 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0053-03

0 引言

鋁模板作為新興模板行業(yè)的翹楚，在高層住宅的施工中越來越受到青睞。鋁合金模板作為一種可循環(huán)使用材料，它具有施工進度快、施工質(zhì)量高、性能穩(wěn)定、施工安全、周轉(zhuǎn)次數(shù)高、不產(chǎn)生建筑垃圾及人工和材料成本低等優(yōu)點。傳統(tǒng)的鋁模BIM設(shè)計使用的軟件工具一般是歐派克公司的Revit或者是達索公司的Solid Works等，使用這類軟件的設(shè)計是自下而上的，即在深化圖紙的基礎(chǔ)上通過各種標(biāo)板與非標(biāo)板及異型件的組合，實現(xiàn)配模、施工的目的。這種傳統(tǒng)的方式存在以下弊端。

（1）傳統(tǒng)的鋁模深化設(shè)計一般使用AUTO-CAD軟件，在配模時要求設(shè)計人員對工程現(xiàn)場的情況有一定的經(jīng)驗，依靠設(shè)計者的經(jīng)驗和三維想象能力進行設(shè)計，設(shè)計中出現(xiàn)的問題很難發(fā)現(xiàn)，出圖質(zhì)量難以保證。

（2）配模效率低下，只能通過人手工方式進行配模，即便使用自動配模的方式，也仍然需要人手工修改。

（3）傳統(tǒng)設(shè)計方法一般是小組配模，4～5人分工合作設(shè)計一個項目，在設(shè)計完成后，通常情況下為了保證設(shè)計的準(zhǔn)確率需要進行自檢、互檢、交接檢查，而CAD數(shù)據(jù)交互困難、不直觀;需要大量的時間、精力。

（4）面對設(shè)計變更，修改已經(jīng)裝配好的模板時需要逐個操作，低效且不符合設(shè)計的習(xí)慣。

（5）面對新項目，即便有類似的結(jié)構(gòu)，也需要重新配模，無法做到同步更新;在設(shè)計過程中，需要頻繁地修改模板設(shè)計尺寸，無法做到自上而下的自動變更。

（6）需要預(yù)拼裝工序的配合，在預(yù)拼裝過程中將傳統(tǒng)的二維設(shè)計不能解決的配孔問題或者壓槽安裝問題等解決后方可打包入庫。一般來說，預(yù)拼裝的周期為一周，這無疑又增加了整體項目完成的時間。使用三維設(shè)計，可以減少預(yù)拼裝時間，拼裝工序只需要將物料整理過后打包即可。

為了減少以上傳統(tǒng)配模方式的弊端，提高工作效率、減少設(shè)計錯誤，目前越來越多的鋁模板廠家選擇使用三維軟件進行設(shè)計。市場上針對鋁模板開發(fā)的三維軟件也越來越多，比如基于PKPM平臺開發(fā)的PKPM鋁模板和基于Revit平臺開發(fā)的“神機妙算”等軟件，在設(shè)計上實現(xiàn)了所見即所得。首先在軟件中建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，這些標(biāo)準(zhǔn)件品種規(guī)格繁多，性能用途各異，而且標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度極高[1];然后通過鋁模板深化圖紙生成三維建筑模型后，根據(jù)設(shè)計人員分工的不同將三維建筑模型上不同的節(jié)點分配給不同的設(shè)計人員。設(shè)計人員通過標(biāo)準(zhǔn)件庫直接在三維模型中配置標(biāo)準(zhǔn)件庫中的鋁模板。

標(biāo)準(zhǔn)件直接通過參數(shù)進行調(diào)節(jié)，避免了構(gòu)件尺寸誤標(biāo)出現(xiàn)的問題。在使用三維軟件的前提下，對于復(fù)雜節(jié)點，大大降低了設(shè)計難度，提升了設(shè)計速度。每一塊鋁模板都可以在建筑模型上體現(xiàn)，展示成型結(jié)構(gòu)效果;設(shè)計中出現(xiàn)的問題也可以直觀地在模型中表現(xiàn)出來，同時三維設(shè)計軟件帶有碰撞檢測和缺漏檢查的功能，減少了自檢、互檢、交接檢查的時間。在這種情況下，配模設(shè)計的效率、準(zhǔn)確率都得到了極大的提升。一般傳統(tǒng)的二維設(shè)計方法設(shè)計一棟2 000 m2的樓房需要一個小組4個人7 d的時間才能完成，后續(xù)還需要進行預(yù)拼裝，用來驗證設(shè)計錯誤是否發(fā)生;而在三維設(shè)計下，同樣的面積只需要2個人3.5 d的時間就可以完成，提升了工作效率，同時準(zhǔn)確率也得到了極大的提升。同時，三維設(shè)計軟件是專門針對鋁模板設(shè)計平臺開發(fā)的，在面積計算、加工圖導(dǎo)出等方面更加方便。

本研究將介紹如何利用Creo軟件對鋁模進行三維化、立體化的表達;通過建立以某項目的樓梯反三步的骨架模型，對鋁模板進行模塊化、參數(shù)化的設(shè)計，從而達到滿意的設(shè)計效果。

1 模塊化分析

在一般的住宅項目中，樓梯通常為雙跑樓梯，這是應(yīng)用最為廣泛的一種形式，其在兩個樓板層之間，包括兩個平行而方向相反的梯段和一個中間休息平臺。通過分析可將雙跑樓梯分為休息平臺、反三步、梯梁與梯段交接處等模塊，本研究選擇反三步作為一個模塊單獨分析和進行參數(shù)化設(shè)計。

2 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是設(shè)計中的一個重要思想，參數(shù)化設(shè)計是以變量參數(shù)、約束關(guān)系和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)控制產(chǎn)品設(shè)計意圖的設(shè)計方法[2];它分為兩個部分：參數(shù)化的圖元和修改的參數(shù)化。在鋁模設(shè)計中，不同的構(gòu)件是以圖元或者特征的形式存儲在標(biāo)準(zhǔn)件庫中，這些構(gòu)件通過調(diào)整不同的參數(shù)區(qū)別構(gòu)件類型。修改的參數(shù)化可以通過修改參數(shù)使圖元或者特征的修改快速傳遞到其他相關(guān)文檔。

參數(shù)化設(shè)計是Creo重點強調(diào)的設(shè)計理念。參數(shù)是參數(shù)化設(shè)計的核心概念，在一個模型中，參數(shù)是通過尺寸的形式體現(xiàn)的。參數(shù)化設(shè)計的突出優(yōu)點在于可以通過變更參數(shù)的方法修改設(shè)計意圖。

在鋁模設(shè)計的初期，構(gòu)件的形狀和尺寸存在一定的模糊性，可能需要在整體設(shè)計完成后再逐步確認(rèn)尺寸;這就希望構(gòu)件的形狀、尺寸有著一定的柔性，方便修改。由此引出另一個重要的設(shè)計思想——Top-down設(shè)計，又稱自頂向下設(shè)計，是一種從總體設(shè)計到局部設(shè)計的過程和方法[3];它需要的設(shè)計水平較高，需要先確定設(shè)計的總思路，建立布局或者骨架模型，在骨架模型中確定各零件的各種參數(shù)，再通過發(fā)布幾何的方式，將各個零件參數(shù)傳遞到零件當(dāng)中，從而完成一個設(shè)計流程。

在此實例中，首先應(yīng)該分析能夠參數(shù)化的特征，然后根據(jù)特征建立參數(shù)，根據(jù)參數(shù)建立參數(shù)化草繪，參數(shù)化的草繪表示出構(gòu)件的幾何約束。幾何約束包括平行、垂直、相切、對稱和相關(guān)的尺寸。除了幾何約束，還有邏輯約束即不同尺寸之間的約束關(guān)系，通過定義尺寸變量及不同尺寸在數(shù)值和邏輯上的關(guān)系。

建立了參數(shù)化的草繪，再通過拉伸旋轉(zhuǎn)等特征最后產(chǎn)生參數(shù)化的模型。生成的模型能夠隨時根據(jù)不同項目的需求進行更改，在更改時只需要更改不同的參數(shù)即可同時生成適應(yīng)于不同項目的三維骨架模型。將特征快速地傳遞到組裝圖中，從而實現(xiàn)鋁模的自動設(shè)計和裝配。

2.1 參數(shù)的確立

通過分析確認(rèn)相關(guān)參數(shù)，并在布局中指定參數(shù)并將其聲明到反三步組件當(dāng)中（見表1）。

Layout（布局）需要設(shè)計者對整機或者模型有著清晰的認(rèn)識，能夠提前規(guī)劃好每一個零件間相互的尺寸關(guān)系與裝配關(guān)系;以前是在圖紙上表達裝配關(guān)系?，F(xiàn)在是由計算機體現(xiàn)，并且與繪制的整機模型相關(guān)。Layout（布局）其實就是參數(shù)的傳遞。與在單個零件里建立參數(shù)的效果是類似的，只是在單個零件里面的自定義的參數(shù)只能在本零件中使用，而Creo的布局里自定義的參數(shù)則可以在不同的零件/組件里使用，對設(shè)計者而言，布局就相當(dāng)明了且直觀。

Layout（布局）提供了一個簡單的草繪環(huán)境，方便讓設(shè)計師在做頂層設(shè)計時預(yù)設(shè)每個零件的裝配關(guān)系和約束條件;實現(xiàn)自動裝配的功能;不必再為新裝配的零件選擇約束條件和裝配關(guān)系而煩惱。

如果要修改零件，也只需要打開所繪制的Layout文件，將特定的參數(shù)進行修改，就能自動將更改的地方傳遞到零件或組件中，大大提高了零件變更流程的效率。

在Layout文件中，我們可以通過繪制簡單的外形表示構(gòu)件，也可以建立表格表達構(gòu)件。即便是建立外形，這些形狀也是為了能夠讓其他設(shè)計師明白設(shè)計意圖，并不是必需的，也就是說，是可以不繪制的，真正起到?jīng)Q定性作用的是表格中表達的參數(shù)。

2.2 參數(shù)化模型的建立

在傳統(tǒng)的大型設(shè)備的研發(fā)設(shè)計中，通常采用骨架模型的設(shè)計，這是一種典型的自頂而下的設(shè)計思想。所謂的骨架模型，是由一些沒有質(zhì)量屬性的基準(zhǔn)要素組成，比如基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)坐標(biāo)系、基準(zhǔn)曲線和曲面;骨架模型一般按照每個零部件在空間中的靜態(tài)位置或者是按照運動時的特定的相對位置而繪制，相當(dāng)于形成產(chǎn)品裝配的整體框架。設(shè)計好骨架模型之后，通過發(fā)布幾何—復(fù)制幾何的方式，將繪制好的曲面和相關(guān)基準(zhǔn)導(dǎo)入零件中，再在組件中將指定的零部件以默認(rèn)組裝的方式裝配。如果后期不同的設(shè)計師需要不同的參考時，可以將所需的參考加入發(fā)布幾何中，增加的參考就可直接傳遞到指定零件中。

建立的骨架模型可以在多個裝配組件中使用，這對團隊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計十分適合。骨架模型會捕捉并定義設(shè)計目的和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，可以使設(shè)計者將必要的設(shè)計信息從一個子系統(tǒng)或裝配傳遞至另一個子系統(tǒng)或裝配。對骨架所做的任何更改也會更改與其有關(guān)聯(lián)的元件。研究人員在已經(jīng)建立的反三步模型的骨架的基礎(chǔ)上進行配模，建立包括反三步的側(cè)板、踏步板、梁底板、折板及異形“C”槽的模型曲面（如圖1所示）。

將骨架模型中的各個曲面、基準(zhǔn)通過復(fù)制幾何復(fù)制到零件中，并根據(jù)實際需求在導(dǎo)入的鋁型材上打孔或者焊接加強筋等生成帶有質(zhì)量參數(shù)的實體（復(fù)制幾何即復(fù)制所需元件的曲面、面組或是其參考，然后通過缺省到默認(rèn)坐標(biāo)系的方式導(dǎo)入零件中）。這樣做的優(yōu)點是在設(shè)計修改的時候，骨架中的參數(shù)或者設(shè)計意圖的變更可以直接傳遞到零件實體當(dāng)中，帶動質(zhì)量屬性的變化，從而驅(qū)動其工程圖產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這樣就減少了在生產(chǎn)活動中因設(shè)計的變化導(dǎo)致工程圖沒及時更新，從而避免出現(xiàn)做錯零件尺寸的現(xiàn)象。

完成反三步的設(shè)計后，Creo即可依據(jù)鋁模設(shè)計的規(guī)劃進行變更。當(dāng)設(shè)計變更或者設(shè)計意圖變更涉及多個零件的尺寸或者位置狀態(tài)時可在骨架模型上進行相應(yīng)的修改，設(shè)計變更或者設(shè)計意圖的變更將直接反映在工程圖上。當(dāng)新的項目建立需要新的反三步模型時，可以通過修改布局中的參數(shù)的值直接修改反三步骨架模型。當(dāng)布局或者骨架模型變動后，反三步組件也會自動再生，同時將新的數(shù)據(jù)傳遞到實體模型和工程圖中，這時設(shè)計人員只需要更新實體及工程圖就可以完成新項目反三步模塊的設(shè)計。

3 結(jié)語

本研究以雙跑樓梯的反三步模塊為例，簡單闡述了Top-down設(shè)計的設(shè)計流程和設(shè)計方法，介紹了模塊化、參數(shù)化的設(shè)計思想在建筑鋁模行業(yè)中的簡單應(yīng)用。通過運用Creo軟件，在頂層布局中設(shè)置好各類參數(shù)，從而在設(shè)計初期闡明整體項目的設(shè)計目標(biāo)，在同一項目的不同設(shè)計周期中可以通過修改參數(shù)的方式，將數(shù)據(jù)直接傳遞到各個零件實體及工程圖中;在設(shè)計不同項目時可以直接借用Layout修改參數(shù)，以達到設(shè)計目的，從而實現(xiàn)從設(shè)計到生產(chǎn)的一致性。該方法提升了設(shè)計效率，縮短了設(shè)計周期，同時為模塊化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

參 考 文 獻

[1]王恒升，孫彥，廖友軍.基于pro/E的緊固件快速裝配[J].機車車輛工藝，2009（1）：27-29.

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[3]魏強，劉長青.基于Top-down設(shè)計方法的卷取機設(shè)計[J].冶金設(shè)備，2009（2）：16-18.