CCD軟件在構筑物參數化中的應用

張呂偉 徐曉宇

(上海市政工程設計研究總院,上海 200092)

1 前言

隨著工程設計和工作制圖中計算機輔助技術應用的更加廣泛和深入,設計師對圖形的整體修改產生了強烈的興趣和需求,自然希望把他所關心的某類圖形中共性的東西提取出來作為參數,同時找出形狀約束方程求解方法,以便能以較少的操作來完成新的設計方案。而參數化、變量化設計技術則是實現(xiàn)這一理想的技術基礎。

參數化設計是指用戶不必輸入圖紙上的圖形元素(如直線、圓弧、字符、標注等),而是輸入設計的參數,由 CAD系統(tǒng)自動輸出相應的工程圖紙的一種設計方式。目前參數化設計有三種技術,參數化技術、變量化技術、參變量技術。

參數化技術尚有許多不足之處。一切以尺寸(即所謂的“參數”)為出發(fā)點。一旦所設計的構筑物形狀過于復雜時,如何改變這些尺寸以達到所需要的形狀就很不直觀。如在設計中關鍵形體的拓撲關系發(fā)生改變,失去了某些約束的幾何特征也會造成系統(tǒng)數據混亂。目前以參數化技術為藍本,比參數化技術更為先進的技術——變量化技術,在CAD開發(fā)中得到廣泛應用。

變量化主要是通過若干變量來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,即通過變量實現(xiàn)一組圖形聯(lián)動。變量化技術的方式主要有三種:參數化公式、圖形綁定和參數公式化與可視化編輯相結合。

變量化技術既保持了參數化技術原有的優(yōu)點,同時又克服了它的許多不利之處。它的成功應用,為 CAD技術的發(fā)展提供了更大的空間和機遇。文中所介紹的 CCD軟件就是一種典型的變量化技術為核心的設計軟件。

2 CCD簡介

CCD的全名為 CATIA CADAM Drafting,在 20世紀 60年代由美國洛克希德飛機公司(現(xiàn)為洛克希德馬丁公司)開發(fā),并用于最先進的飛機設計。后來 Dassault Systemes公司收購 CCD軟件,并對軟件進行了進一步開發(fā)和完善,使 CCD軟件成為世界范圍內廣泛使用的設計應用軟件。

CCD的特色之一是:它是 2.5D系統(tǒng)的設計軟件,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:可以導入光柵化的圖紙。CCD采用“混合光柵”的技術,可以導入光柵圖紙的信息,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化成 CCD的格式或用CCD進行二次加工。

CCD的特色之三是:采用一種新的技術稱為“變量化的設計系統(tǒng) VDS(Variational Design System)”。VDS根據幾何學的原理,利用定義帶參數的約束條件,例如標注尺寸、垂直相交、相切、對稱、相等、平行等約束來繪制圖紙。CCD軟件中的參數化約束不僅可以針對相同視角的視圖中的元素,還可以在兩個不同視角的視圖中進行約束,當改變某個視角中的參數時,其它視角也會自動完成變化。尺寸參數的定義可以為某個值,或者為計算公式,甚至某一范圍內變化的數值,CCD都可以根據參數的變化而得到新的圖形,或形成動態(tài)的設計過程。VDS提供兩種約束的方式,一種是自動約束;它可以將圖形中的有關平行、垂直、相交等關系自動約束;第二種是手動創(chuàng)建約束,如果自動約束不能滿足設計者的意圖,設計人員也可以根據需要增加或刪除約束。VDS對 2.5維的立體幾何圖也同樣有效。

CCD的 VDS功能結合了標準尺寸控制、參數化公式計算、圖形約束條件等技術,是一種典型的變量化技術的應用。在設計過程中可以減輕設計人員的工作量,提高制圖效率,特別是對以直線、矩形、圓弧等元素構成的具有一定規(guī)律的構筑物的設計和修改,效果尤為顯著。

本文主要介紹 CCD的 VDS功能在構筑物設計中的功能應用。

3 CCD在構筑物設計中的應用探索

給排水構筑物,從廣義上說是一類“貯水的容器”,其中一部分是矩形板構造,例如:沉淀池、矩形蓄水池、矩形沉井、快濾池、無閥濾池等。另一部分是稱之回轉對稱結構,例如:圓形蓄水池、水塔頭部、水力和機械加速沉清池、蛋形消化池等。上述構筑物都是三維空間結構,在結構形式上,它比工民建框架類的結構復雜,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。

給排水構筑物種類離散性大,形式變化個性化,但對某一個具體構筑物,它們幾何形狀變化不大,尺寸變化很大,以前套用標準設計圖集,或者在標準設計圖集基礎上再進行修改,修改工作量大,而且容易出錯,有時一個標高變化,需要修改一大批圖紙。為了解決這些問題,采用參數化 CAD技術,設計效率和質量提高非常明顯。

長期以來廣大給排水構筑物設計人員總結出了許多標準設計電子圖紙,這些圖紙在 AUTOCAD中屬于靜態(tài)圖形(也稱為“死圖”),如何對已經存在圖形進行簡單加工,實現(xiàn)“死圖”變“活圖”。CCD軟件可以實現(xiàn)這些功能。

CCD變量化設計功能屬于尺寸驅動、圖形聯(lián)動的參數化方法。CCD對形狀比較定型,可以用一組參數來約定尺寸關系的構筑物,實現(xiàn)參數化比較簡單,參數與設計對象的控制尺寸有顯式對應關系,設計結果的修改受尺寸驅動。給排水構筑物設計的系列化就是屬于這一類型。

4 CCD應用實例

本文以給排水構筑物中常見的生化反應池模型為設計例子,簡要說明 CCD軟件在其他格式文件導入、變量化設計、條件約束等功能的應用。

首先將 AutoCAD格式的反應池模型的 dwg文件圖導入到 CCD中,如圖1所示。

圖1 dwg文件導入到 CCD中

圖2 在 CCD中完成的三視圖

在 CCD中利用 2.5D的功能,完成另外兩個視角的剖面圖。如圖2所示。

CCD中的變量化設計采用尺寸驅動,首先利用VDS中的標注功能對反應池中的尺寸進行標注,如圖3所示。每一個標注都會自動形成一個對應名稱的變量,變量的類型分為 input和 evaluation兩種,分別表示“手動輸入”和“計算輸入”,input類型的變量可以通過直接輸入數值進行修改,evaluation的變量可以通過其他 input的變量的數學表達式進行表達,最終的計算結果即為尺寸值,如圖4所示。

僅有標注尺寸的參數化是不夠的,還要對圖形的相互關系進行綁定約束,才能使圖形在標注尺寸驅動下同時變化。圖形的約束分為兩種方式,一種是自動約束,如圖5所示,自動約束會自動對某一個視角的設計圖中的相交、平行、相切、垂直等元素進行綁定。當輸入尺寸值變化時,結果如圖6所示;第二種是手動創(chuàng)建的約束,如圖7所示,手動約束最大的優(yōu)勢在于可以對不同視角的圖形進行約束,當某一個視角的圖形隨參數變化時,其他視角的圖形也可以同時變化,而不需要對其他視角的圖形重復進行修改,手動約束是對自動約束的修改和補充。當增加手動約束后,變化后結果如圖8所示。

圖3 VDS的標注功能

圖4 尺寸參數的類型和數學表達式

圖5 自動約束的菜單

圖6 采用自動約束的參數化設計圖

圖7 手動創(chuàng)建約束的菜單

圖8 增加手動約束的參數化設計圖

利用尺寸的變量表達和約束的兩種方式的結合,可以達到尺寸驅動和圖形聯(lián)動的效果,從而實現(xiàn)生物反應池的參數化設計。

5 結束語

參數化設計的核心是把設計的限制條件,通過參數的數值、公式或者計算模型的方式進行表達,只要輸入或調整少量參數,就可以完成設計的過程。CCD軟件達到了參數化設計要求,也是實現(xiàn)給排水構筑物參數化一種有效方法。我院目前繼續(xù)探索 CCD軟件,使該軟件能夠符合我國土木工程設計要求。

“數字化”時代已經到來,參數化設計還是一個全新的概念,相關理論和技術尚不成熟,參數化的設計方法研究也很少見,上海市政總院對參數化設計研究已取得了一些成果。參數化設計將徹底改變傳統(tǒng)設計習慣和工作流程,設計中還需要進一步標準化,未來設計技術將借助于信息技術的發(fā)展,由過去基于圖紙的設計方式轉化為基于參數進行設計,參數化設計是必然趨勢。

參數化設計,已具備前程似錦的應用前景,它是工程設計領域的一場信息化革命。要使得參數化設計真正發(fā)揮作用,提高設計效率和市場競爭力,觀念的轉變是關鍵。

CAD技術基礎理論的每次重大進展,無一不帶動了 CAD整體技術的提高以及設計手段的更新。技術發(fā)展,永無止境。沒有一種技術是常青樹,CAD技術一直處于不斷的發(fā)展與探索之中。正是這種此消彼長的互動與交替,造就了今天 CAD技術的興旺與繁榮,促進了設計行業(yè)的高速發(fā)展。今天,越來越多的人認識到 CAD是一種巨大的生產力,不斷加入到設計行列之中。愿 CAD技術的發(fā)展伴隨著人們對它的認識及應用水平的提高,日新月異,更上一層樓。