基于Creo的铝模模块化参数化设计

李光全 童思远 任明杰

【摘 要】文章主要介绍了Top-down设计（至顶向下的设计方法）在建筑铝模板行业设计中的设计思想和具体应用。以某一项目的楼梯为研究對象，运用Creo软件对楼梯进行参数化、模块化的设计。结果表明：此设计方法能够有效地对铝模进行改型设计，缩短铝模的设计周期，并为其他项目设计提供技术支持。

【关键词】Creo;Top-down;参数化;模块化;铝模设计

【中图分类号】TU755.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）02-0053-03

0 引言

铝模板作为新兴模板行业的翘楚，在高层住宅的施工中越来越受到青睐。铝合金模板作为一种可循环使用材料，它具有施工进度快、施工质量高、性能稳定、施工安全、周转次数高、不产生建筑垃圾及人工和材料成本低等优点。传统的铝模BIM设计使用的软件工具一般是欧派克公司的Revit或者是达索公司的Solid Works等，使用这类软件的设计是自下而上的，即在深化图纸的基础上通过各种标板与非标板及异型件的组合，实现配模、施工的目的。这种传统的方式存在以下弊端。

（1）传统的铝模深化设计一般使用AUTO-CAD软件，在配模时要求设计人员对工程现场的情况有一定的经验，依靠设计者的经验和三维想象能力进行设计，设计中出现的问题很难发现，出图质量难以保证。

（2）配模效率低下，只能通过人手工方式进行配模，即便使用自动配模的方式，也仍然需要人手工修改。

（3）传统设计方法一般是小组配模，4～5人分工合作设计一个项目，在设计完成后，通常情况下为了保证设计的准确率需要进行自检、互检、交接检查，而CAD数据交互困难、不直观;需要大量的时间、精力。

（4）面对设计变更，修改已经装配好的模板时需要逐个操作，低效且不符合设计的习惯。

（5）面对新项目，即便有类似的结构，也需要重新配模，无法做到同步更新;在设计过程中，需要频繁地修改模板设计尺寸，无法做到自上而下的自动变更。

（6）需要预拼装工序的配合，在预拼装过程中将传统的二维设计不能解决的配孔问题或者压槽安装问题等解决后方可打包入库。一般来说，预拼装的周期为一周，这无疑又增加了整体项目完成的时间。使用三维设计，可以减少预拼装时间，拼装工序只需要将物料整理过后打包即可。

为了减少以上传统配模方式的弊端，提高工作效率、减少设计错误，目前越来越多的铝模板厂家选择使用三维软件进行设计。市场上针对铝模板开发的三维软件也越来越多，比如基于PKPM平台开发的PKPM铝模板和基于Revit平台开发的“神机妙算”等软件，在设计上实现了所见即所得。首先在软件中建立标准件库，这些标准件品种规格繁多，性能用途各异，而且标准化、系列化、通用化程度极高[1];然后通过铝模板深化图纸生成三维建筑模型后，根据设计人员分工的不同将三维建筑模型上不同的节点分配给不同的设计人员。设计人员通过标准件库直接在三维模型中配置标准件库中的铝模板。

标准件直接通过参数进行调节，避免了构件尺寸误标出现的问题。在使用三维软件的前提下，对于复杂节点，大大降低了设计难度，提升了设计速度。每一块铝模板都可以在建筑模型上体现，展示成型结构效果;设计中出现的问题也可以直观地在模型中表现出来，同时三维设计软件带有碰撞检测和缺漏检查的功能，减少了自检、互检、交接检查的时间。在这种情况下，配模设计的效率、准确率都得到了极大的提升。一般传统的二维设计方法设计一栋2 000 m2的楼房需要一个小组4个人7 d的时间才能完成，后续还需要进行预拼装，用来验证设计错误是否发生;而在三维设计下，同样的面积只需要2个人3.5 d的时间就可以完成，提升了工作效率，同时准确率也得到了极大的提升。同时，三维设计软件是专门针对铝模板设计平台开发的，在面积计算、加工图导出等方面更加方便。

本研究将介绍如何利用Creo软件对铝模进行三维化、立体化的表达;通过建立以某项目的楼梯反三步的骨架模型，对铝模板进行模块化、参数化的设计，从而达到满意的设计效果。

1 模块化分析

在一般的住宅项目中，楼梯通常为双跑楼梯，这是应用最为广泛的一种形式，其在两个楼板层之间，包括两个平行而方向相反的梯段和一个中间休息平台。通过分析可将双跑楼梯分为休息平台、反三步、梯梁与梯段交接处等模块，本研究选择反三步作为一个模块单独分析和进行参数化设计。

2 参数化设计

参数化设计是设计中的一个重要思想，参数化设计是以变量参数、约束关系和数据关联控制产品设计意图的设计方法[2];它分为两个部分：参数化的图元和修改的参数化。在铝模设计中，不同的构件是以图元或者特征的形式存储在标准件库中，这些构件通过调整不同的参数区别构件类型。修改的参数化可以通过修改参数使图元或者特征的修改快速传递到其他相关文档。

参数化设计是Creo重点强调的设计理念。参数是参数化设计的核心概念，在一个模型中，参数是通过尺寸的形式体现的。参数化设计的突出优点在于可以通过变更参数的方法修改设计意图。

在铝模设计的初期，构件的形状和尺寸存在一定的模糊性，可能需要在整体设计完成后再逐步确认尺寸;这就希望构件的形状、尺寸有着一定的柔性，方便修改。由此引出另一个重要的设计思想——Top-down设计，又称自顶向下设计，是一种从总体设计到局部设计的过程和方法[3];它需要的设计水平较高，需要先确定设计的总思路，建立布局或者骨架模型，在骨架模型中确定各零件的各种参数，再通过发布几何的方式，将各个零件参数传递到零件当中，从而完成一个设计流程。

在此实例中，首先应该分析能够参数化的特征，然后根据特征建立参数，根据参数建立参数化草绘，参数化的草绘表示出构件的几何约束。几何约束包括平行、垂直、相切、对称和相关的尺寸。除了几何约束，还有逻辑约束即不同尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及不同尺寸在数值和逻辑上的关系。

建立了参数化的草绘，再通过拉伸旋转等特征最后产生参数化的模型。生成的模型能够随时根据不同项目的需求进行更改，在更改时只需要更改不同的参数即可同时生成适应于不同项目的三维骨架模型。将特征快速地传递到组装图中，从而实现铝模的自动设计和装配。

2.1 参数的确立

通过分析确认相关参数，并在布局中指定参数并将其声明到反三步组件当中（见表1）。

Layout（布局）需要设计者对整机或者模型有着清晰的认识，能够提前规划好每一个零件间相互的尺寸关系与装配关系;以前是在图纸上表达装配关系。现在是由计算机体现，并且与绘制的整机模型相关。Layout（布局）其实就是参数的传递。与在单个零件里建立参数的效果是类似的，只是在单个零件里面的自定义的参数只能在本零件中使用，而Creo的布局里自定义的参数则可以在不同的零件/组件里使用，对设计者而言，布局就相当明了且直观。

Layout（布局）提供了一个简单的草绘环境，方便让设计师在做顶层设计时预设每个零件的装配关系和约束条件;实现自动装配的功能;不必再为新装配的零件选择约束条件和装配关系而烦恼。

如果要修改零件，也只需要打开所绘制的Layout文件，将特定的参数进行修改，就能自动将更改的地方传递到零件或组件中，大大提高了零件变更流程的效率。

在Layout文件中，我们可以通过绘制简单的外形表示构件，也可以建立表格表达构件。即便是建立外形，这些形状也是为了能够让其他设计师明白设计意图，并不是必需的，也就是说，是可以不绘制的，真正起到决定性作用的是表格中表达的参数。

2.2 参数化模型的建立

在传统的大型设备的研发设计中，通常采用骨架模型的设计，这是一种典型的自顶而下的设计思想。所谓的骨架模型，是由一些没有质量属性的基准要素组成，比如基准点、基准轴、基准坐标系、基準曲线和曲面;骨架模型一般按照每个零部件在空间中的静态位置或者是按照运动时的特定的相对位置而绘制，相当于形成产品装配的整体框架。设计好骨架模型之后，通过发布几何—复制几何的方式，将绘制好的曲面和相关基准导入零件中，再在组件中将指定的零部件以默认组装的方式装配。如果后期不同的设计师需要不同的参考时，可以将所需的参考加入发布几何中，增加的参考就可直接传递到指定零件中。

建立的骨架模型可以在多个装配组件中使用，这对团队标准化设计十分适合。骨架模型会捕捉并定义设计目的和产品结构，可以使设计者将必要的设计信息从一个子系统或装配传递至另一个子系统或装配。对骨架所做的任何更改也会更改与其有关联的元件。研究人员在已经建立的反三步模型的骨架的基础上进行配模，建立包括反三步的侧板、踏步板、梁底板、折板及异形“C”槽的模型曲面（如图1所示）。

将骨架模型中的各个曲面、基准通过复制几何复制到零件中，并根据实际需求在导入的铝型材上打孔或者焊接加强筋等生成带有质量参数的实体（复制几何即复制所需元件的曲面、面组或是其参考，然后通过缺省到默认坐标系的方式导入零件中）。这样做的优点是在设计修改的时候，骨架中的参数或者设计意图的变更可以直接传递到零件实体当中，带动质量属性的变化，从而驱动其工程图产生相应的变化，这样就减少了在生产活动中因设计的变化导致工程图没及时更新，从而避免出现做错零件尺寸的现象。

完成反三步的设计后，Creo即可依据铝模设计的规划进行变更。当设计变更或者设计意图变更涉及多个零件的尺寸或者位置状态时可在骨架模型上进行相应的修改，设计变更或者设计意图的变更将直接反映在工程图上。当新的项目建立需要新的反三步模型时，可以通过修改布局中的参数的值直接修改反三步骨架模型。当布局或者骨架模型变动后，反三步组件也会自动再生，同时将新的数据传递到实体模型和工程图中，这时设计人员只需要更新实体及工程图就可以完成新项目反三步模块的设计。

3 结语

本研究以双跑楼梯的反三步模块为例，简单阐述了Top-down设计的设计流程和设计方法，介绍了模块化、参数化的设计思想在建筑铝模行业中的简单应用。通过运用Creo软件，在顶层布局中设置好各类参数，从而在设计初期阐明整体项目的设计目标，在同一项目的不同设计周期中可以通过修改参数的方式，将数据直接传递到各个零件实体及工程图中;在设计不同项目时可以直接借用Layout修改参数，以达到设计目的，从而实现从设计到生产的一致性。该方法提升了设计效率，缩短了设计周期，同时为模块化设计奠定了基础。

参 考 文 献

[1]王恒升，孙彦，廖友军.基于pro/E的紧固件快速装配[J].机车车辆工艺，2009（1）：27-29.

[2]李少海.基于CREO平台的齿轮轴参数化实现及二次开发[J].煤矿机械，2015，36（10）：273-274.

[3]魏强，刘长青.基于Top-down设计方法的卷取机设计[J].冶金设备，2009（2）：16-18.