CCD软件在构筑物参数化中的应用

张吕伟 徐晓宇

(上海市政工程设计研究总院,上海 200092)

1 前言

随着工程设计和工作制图中计算机辅助技术应用的更加广泛和深入,设计师对图形的整体修改产生了强烈的兴趣和需求,自然希望把他所关心的某类图形中共性的东西提取出来作为参数,同时找出形状约束方程求解方法,以便能以较少的操作来完成新的设计方案。而参数化、变量化设计技术则是实现这一理想的技术基础。

参数化设计是指用户不必输入图纸上的图形元素(如直线、圆弧、字符、标注等),而是输入设计的参数,由 CAD系统自动输出相应的工程图纸的一种设计方式。目前参数化设计有三种技术,参数化技术、变量化技术、参变量技术。

参数化技术尚有许多不足之处。一切以尺寸(即所谓的“参数”)为出发点。一旦所设计的构筑物形状过于复杂时,如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观。如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变,失去了某些约束的几何特征也会造成系统数据混乱。目前以参数化技术为蓝本,比参数化技术更为先进的技术——变量化技术,在CAD开发中得到广泛应用。

变量化主要是通过若干变量来控制一组图形的几何形状,使用不同的变量值则图形的形状也随之变化,即通过变量实现一组图形联动。变量化技术的方式主要有三种:参数化公式、图形绑定和参数公式化与可视化编辑相结合。

变量化技术既保持了参数化技术原有的优点,同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用,为 CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。文中所介绍的 CCD软件就是一种典型的变量化技术为核心的设计软件。

2 CCD简介

CCD的全名为 CATIA CADAM Drafting,在 20世纪 60年代由美国洛克希德飞机公司(现为洛克希德马丁公司)开发,并用于最先进的飞机设计。后来 Dassault Systemes公司收购 CCD软件,并对软件进行了进一步开发和完善,使 CCD软件成为世界范围内广泛使用的设计应用软件。

CCD的特色之一是:它是 2.5D系统的设计软件,而不仅是与一般 CAD软件那样只是二维的图形,它可以利用 2维的不同视角的视图来形成 2.5维的平面立体几何图,非常方便直观。

CCD的特色之二是:可以导入光栅化的图纸。CCD采用“混合光栅”的技术,可以导入光栅图纸的信息,并和矢量图信息混合保存。光栅图的信息也可以在 CCD中进行编辑和矢量化。这样可以大大方便其他格式的图纸资料转化成 CCD的格式或用CCD进行二次加工。

CCD的特色之三是:采用一种新的技术称为“变量化的设计系统 VDS(Variational Design System)”。VDS根据几何学的原理,利用定义带参数的约束条件,例如标注尺寸、垂直相交、相切、对称、相等、平行等约束来绘制图纸。CCD软件中的参数化约束不仅可以针对相同视角的视图中的元素,还可以在两个不同视角的视图中进行约束,当改变某个视角中的参数时,其它视角也会自动完成变化。尺寸参数的定义可以为某个值,或者为计算公式,甚至某一范围内变化的数值,CCD都可以根据参数的变化而得到新的图形,或形成动态的设计过程。VDS提供两种约束的方式,一种是自动约束;它可以将图形中的有关平行、垂直、相交等关系自动约束;第二种是手动创建约束,如果自动约束不能满足设计者的意图,设计人员也可以根据需要增加或删除约束。VDS对 2.5维的立体几何图也同样有效。

CCD的 VDS功能结合了标准尺寸控制、参数化公式计算、图形约束条件等技术,是一种典型的变量化技术的应用。在设计过程中可以减轻设计人员的工作量,提高制图效率,特别是对以直线、矩形、圆弧等元素构成的具有一定规律的构筑物的设计和修改,效果尤为显著。

本文主要介绍 CCD的 VDS功能在构筑物设计中的功能应用。

3 CCD在构筑物设计中的应用探索

给排水构筑物,从广义上说是一类“贮水的容器”,其中一部分是矩形板构造,例如:沉淀池、矩形蓄水池、矩形沉井、快滤池、无阀滤池等。另一部分是称之回转对称结构,例如:圆形蓄水池、水塔头部、水力和机械加速沉清池、蛋形消化池等。上述构筑物都是三维空间结构,在结构形式上,它比工民建框架类的结构复杂,但从几何角度上分析,上述一大类“贮水的容器”都是由矩形板单元和节环壳单元所组合而成。

给排水构筑物种类离散性大,形式变化个性化,但对某一个具体构筑物,它们几何形状变化不大,尺寸变化很大,以前套用标准设计图集,或者在标准设计图集基础上再进行修改,修改工作量大,而且容易出错,有时一个标高变化,需要修改一大批图纸。为了解决这些问题,采用参数化 CAD技术,设计效率和质量提高非常明显。

长期以来广大给排水构筑物设计人员总结出了许多标准设计电子图纸,这些图纸在 AUTOCAD中属于静态图形(也称为“死图”),如何对已经存在图形进行简单加工,实现“死图”变“活图”。CCD软件可以实现这些功能。

CCD变量化设计功能属于尺寸驱动、图形联动的参数化方法。CCD对形状比较定型,可以用一组参数来约定尺寸关系的构筑物,实现参数化比较简单,参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系,设计结果的修改受尺寸驱动。给排水构筑物设计的系列化就是属于这一类型。

4 CCD应用实例

本文以给排水构筑物中常见的生化反应池模型为设计例子,简要说明 CCD软件在其他格式文件导入、变量化设计、条件约束等功能的应用。

首先将 AutoCAD格式的反应池模型的 dwg文件图导入到 CCD中,如图1所示。

图1 dwg文件导入到 CCD中

图2 在 CCD中完成的三视图

在 CCD中利用 2.5D的功能,完成另外两个视角的剖面图。如图2所示。

CCD中的变量化设计采用尺寸驱动,首先利用VDS中的标注功能对反应池中的尺寸进行标注,如图3所示。每一个标注都会自动形成一个对应名称的变量,变量的类型分为 input和 evaluation两种,分别表示“手动输入”和“计算输入”,input类型的变量可以通过直接输入数值进行修改,evaluation的变量可以通过其他 input的变量的数学表达式进行表达,最终的计算结果即为尺寸值,如图4所示。

仅有标注尺寸的参数化是不够的,还要对图形的相互关系进行绑定约束,才能使图形在标注尺寸驱动下同时变化。图形的约束分为两种方式,一种是自动约束,如图5所示,自动约束会自动对某一个视角的设计图中的相交、平行、相切、垂直等元素进行绑定。当输入尺寸值变化时,结果如图6所示;第二种是手动创建的约束,如图7所示,手动约束最大的优势在于可以对不同视角的图形进行约束,当某一个视角的图形随参数变化时,其他视角的图形也可以同时变化,而不需要对其他视角的图形重复进行修改,手动约束是对自动约束的修改和补充。当增加手动约束后,变化后结果如图8所示。

图3 VDS的标注功能

图4 尺寸参数的类型和数学表达式

图5 自动约束的菜单

图6 采用自动约束的参数化设计图

图7 手动创建约束的菜单

图8 增加手动约束的参数化设计图

利用尺寸的变量表达和约束的两种方式的结合,可以达到尺寸驱动和图形联动的效果,从而实现生物反应池的参数化设计。

5 结束语

参数化设计的核心是把设计的限制条件,通过参数的数值、公式或者计算模型的方式进行表达,只要输入或调整少量参数,就可以完成设计的过程。CCD软件达到了参数化设计要求,也是实现给排水构筑物参数化一种有效方法。我院目前继续探索 CCD软件,使该软件能够符合我国土木工程设计要求。

“数字化”时代已经到来,参数化设计还是一个全新的概念,相关理论和技术尚不成熟,参数化的设计方法研究也很少见,上海市政总院对参数化设计研究已取得了一些成果。参数化设计将彻底改变传统设计习惯和工作流程,设计中还需要进一步标准化,未来设计技术将借助于信息技术的发展,由过去基于图纸的设计方式转化为基于参数进行设计,参数化设计是必然趋势。

参数化设计,已具备前程似锦的应用前景,它是工程设计领域的一场信息化革命。要使得参数化设计真正发挥作用,提高设计效率和市场竞争力,观念的转变是关键。

CAD技术基础理论的每次重大进展,无一不带动了 CAD整体技术的提高以及设计手段的更新。技术发展,永无止境。没有一种技术是常青树,CAD技术一直处于不断的发展与探索之中。正是这种此消彼长的互动与交替,造就了今天 CAD技术的兴旺与繁荣,促进了设计行业的高速发展。今天,越来越多的人认识到 CAD是一种巨大的生产力,不断加入到设计行列之中。愿 CAD技术的发展伴随着人们对它的认识及应用水平的提高,日新月异,更上一层楼。