數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的研究與應(yīng)用

1、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的研究與應(yīng)用北京中交跨世紀(jì)工程技術(shù)有限公司 袁國平本文摘要：數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是從計算機輔助繪圖(Computer Aided Drawing) 發(fā)展到計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design)的核心技術(shù)，是當(dāng)今CAD的發(fā)展方向，數(shù)字化技術(shù)在橋梁CAD中的應(yīng)用在我國屬于開創(chuàng)性的技術(shù)實踐，其“面向設(shè)計、面向橋梁、面向工程”的先進思想將改變橋梁設(shè)計的工作模式，大幅度提升橋梁設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。本文介紹了數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的核心內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)，并著重介紹了數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在橋梁大師2006中的應(yīng)用。一、 數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是橋梁軟件的發(fā)展方向CAD技術(shù)是提升橋梁設(shè)計水平和效率的關(guān)鍵

2、技術(shù)之一。我國在橋梁設(shè)計中采用CAD技術(shù)始于20世紀(jì)70年代中后期，首先是用CAD繪圖軟件替代了在圖板上的手工繪圖，實現(xiàn)了圖紙的電子化；而后，一些科研所、高校、設(shè)計院等開發(fā)了不同功能的橋梁自動出圖和結(jié)構(gòu)計算軟件，初步實現(xiàn)了橋梁主要構(gòu)件的參數(shù)出圖和計算。這些軟件工具的應(yīng)用，為我國橋梁設(shè)計水平和效率的提高起到了很大的推動作用。但由于這些軟件主要是面向橋梁構(gòu)件的出圖和計算，數(shù)據(jù)輸入量大，重復(fù)輸入很多，模塊之間難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，從而導(dǎo)致出錯率高、效率較低、適應(yīng)性差、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，難以對橋梁的整個設(shè)計提供優(yōu)化設(shè)計、方案比選、變更設(shè)計，因此，這些軟件大多只能作為橋梁設(shè)計的輔助出圖或計算工具，難以成為對橋梁

3、設(shè)計的全過程進行輔助設(shè)計和管理的軟件系統(tǒng)。回顧整個CAD技術(shù)和軟件的發(fā)展過程，CAD技術(shù)經(jīng)歷了二維繪圖、線框模型+表面模型、實體造型、三維參數(shù)化設(shè)計、變量化設(shè)計幾個階段，從二維繪圖到三維參數(shù)化設(shè)計主要解決了設(shè)計對象的幾何圖形生成問題，90年代出現(xiàn)的變量化設(shè)計技術(shù)，不僅解決了設(shè)計對象的圖形問題，還解決了設(shè)計對象的實際工程含義的處理問題。變量化設(shè)計技術(shù)是以設(shè)計對象的三維幾何信息為基礎(chǔ)，溶入了設(shè)計對象的實際工程意義的描述、裝配關(guān)系的描述、功能的描述、材料的描述等等，因此其設(shè)計模型具備了設(shè)計對象完整的數(shù)字化信息，其功能具備了面向設(shè)計對象的實際功能要求的數(shù)字化處理，因此，我們也將這一階段的CAD軟件稱之

4、為數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)。目前，變量化設(shè)計技術(shù)已成為國際上知名品牌CAD系統(tǒng)的核心技術(shù)，如CATIA、UG、Pro/E、SolidWork等產(chǎn)品已全部是基于該技術(shù)的CAD系統(tǒng)，變量化設(shè)計技術(shù)已成為CAD產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。相比制造業(yè)CAD軟件的發(fā)展，公路行業(yè)的CAD技術(shù)應(yīng)用和軟件產(chǎn)品的開發(fā)稍顯落后，我國目前的公路CAD軟件主要還停留在參數(shù)化出圖和提供專業(yè)輔助工具上。其主要原因是因為這些軟件采用的軟件技術(shù)還比較落后，側(cè)重于解決設(shè)計對象的圖形表示和生成，未能完整的描述工程設(shè)計對象的實際意義，因此也不能用工程對象的真實含義去解決工程對象的設(shè)計問題。結(jié)合目前CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢和我國公路CAD的發(fā)展現(xiàn)狀，本人認(rèn)為

5、，以實際工程設(shè)計對象建立工程對象的完整數(shù)字化模型，提供符合工程要求的數(shù)字化處理工具，是解決目前橋梁CAD存在問題的關(guān)鍵，數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是橋梁CAD軟件發(fā)展的必然趨勢。二、 數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的內(nèi)涵1數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的概念隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，計算機處理的已不僅僅是文字或圖形，更多的信息如聲音、圖象、動畫等多媒體信息已可以同時處理和管理，而對于一個工程設(shè)計對象，要完整描述它也遠遠不僅僅是它的幾何圖形，還需要描述它的裝配關(guān)系、材料特征、功能特征等等，這些信息在計算機中可統(tǒng)稱為數(shù)字信息，我們把用數(shù)字信息描述的工程對象稱之為對象的數(shù)字化模型。有了數(shù)字化模型，還必須提供對這些數(shù)字信息的處理方法。數(shù)字模型加上數(shù)字

6、化處理方法，就是數(shù)字化設(shè)計的基本概念。面向?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)是20世紀(jì)80年代的一項重大軟件技術(shù)發(fā)展，這項技術(shù)應(yīng)用到CAD領(lǐng)域就是特征設(shè)計技術(shù)(Feature Modeling)，所謂特征就是指工程設(shè)計對象的數(shù)字化信息，因此可以說，特征設(shè)計是數(shù)字化設(shè)計的核心內(nèi)容。2工程對象的數(shù)字化特征對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計人員面向的設(shè)計對象是不同的，因此描述對象所需要的特征信息也是不同的。對于橋梁設(shè)計對象，一般應(yīng)該描述以下工程特征：a) 幾何特征用于描述設(shè)計對象的幾何構(gòu)造信息，一般用三維數(shù)據(jù)表示。b) 裝配特征描述各特征之間的幾何拓?fù)潢P(guān)系，組成整個特征模型的裝配關(guān)系。c) 功能特征描述各特征在工程中的實際作用，以形

7、成特征的功能約束。d) 材料特征描述特征的材料屬性，如混凝土標(biāo)號、配筋信息等，以形成構(gòu)件的物理特征，為材料匯總及結(jié)構(gòu)計算提供原始資料。3工程對象的數(shù)字化操作 有了對工程對象的特征化描述，必須提供相應(yīng)的特征設(shè)計工具，通過這些設(shè)計工具來實現(xiàn)對特征的定義、修改、刪除、查詢、管理等操作。常用的特征設(shè)計工具有：a) 特征的參數(shù)化設(shè)計參數(shù)化設(shè)計是數(shù)字化設(shè)計的基礎(chǔ)，通過參數(shù)化設(shè)計，利用數(shù)字模型的幾何特征、裝配特征、功能特征等，實現(xiàn)對整個特征幾何構(gòu)造的修改，從而完成工程特征的方案設(shè)計、變更和圖紙出版等。b) 特征庫的維護和使用形成參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化的工程特征庫，為重復(fù)性的工程設(shè)計提供大量實踐積累下來的設(shè)計數(shù)據(jù)和圖

8、紙資料，可極大地提供設(shè)計效率，保證設(shè)計質(zhì)量。c) 基于專業(yè)知識的智能化、自動化設(shè)計將專業(yè)知識溶入到工程對象中，用專業(yè)設(shè)計方法來約束工程對象的設(shè)計修改，既能使很多的設(shè)計自動化、智能化，又能確保設(shè)計符合實際工程的要求。三、數(shù)字化技術(shù)在橋梁中的應(yīng)用橋梁設(shè)計工作在整個公路建設(shè)中占有重要的位置，其工作量大，難度較高，如何保證設(shè)計的質(zhì)量，如何提高設(shè)計的效率，是各設(shè)計單位迫切希望解決的問題。以往的橋梁CAD提供了構(gòu)件的計算工具和出圖工具，減輕了設(shè)計人員部分出圖計算的工作，但這些軟件一般只考慮了構(gòu)件的成圖或計算，不考慮構(gòu)件之間的裝配特征，不記錄構(gòu)件的功能特征、材料特征等，因此不可能實現(xiàn)構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)設(shè)計，不可

9、能實現(xiàn)整座橋、整個工程的優(yōu)化設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。 針對實際工程的需要，針對以往橋梁CAD軟件存在的問題，根據(jù)軟件技術(shù)和CAD技術(shù)的發(fā)展，我們開發(fā)了采用全新思想-數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的橋梁CAD系統(tǒng)橋梁大師2006。該系統(tǒng)建立了實際工程設(shè)計對象的完整特征，從而構(gòu)成了整個橋梁的完整數(shù)字化模型，并提供了大量的“即改即現(xiàn)”式交互修改手段，溶入實際工程設(shè)計知識，使用戶可以方便快捷地完成橋梁的方案設(shè)計、變更設(shè)計等，并自動完成圖紙的出版、工程量的統(tǒng)計等工作。以下介紹的是該系統(tǒng)的核心構(gòu)架、思想和關(guān)鍵技術(shù)。1基于數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的橋梁系統(tǒng)構(gòu)架系統(tǒng)采用以上構(gòu)架，其核心是特征建模模塊和后臺數(shù)據(jù)庫。有了全橋的數(shù)字化特征模型及專

10、業(yè)數(shù)據(jù)和知識庫，橋梁設(shè)計全過程的相關(guān)工作就可輕松完成。2數(shù)字化橋梁關(guān)鍵技術(shù)a) 數(shù)字化設(shè)計技術(shù)采用先進的特征設(shè)計技術(shù)，以實際的工程對象（如蓋梁、墩臺、錐坡等）為設(shè)計單元，建立整座橋的數(shù)字化特征模型，通過特征對象樹和特征屬性表可方便地完成整座橋梁的詳細方案設(shè)計，并且提供“即改即現(xiàn)”的交互手段和自動套用標(biāo)準(zhǔn)圖的批量化設(shè)計手段真正實現(xiàn)面向橋梁、面向工程的數(shù)字化設(shè)計。面向工程、面向整個橋梁的設(shè)計思路使的應(yīng)用從圖紙的參數(shù)化走向了設(shè)計的數(shù)字化，“即改即現(xiàn)”的交互式設(shè)計及套用標(biāo)準(zhǔn)圖的設(shè)計方法為一座橋及整條線路上橋的批量化設(shè)計提供了快捷的設(shè)計手段。設(shè)計越多，積累越多，設(shè)計工作量就會大大減少，設(shè)計效率明顯提高。

11、b) 全關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)以數(shù)字化的橋梁模型為基礎(chǔ)，全橋的構(gòu)造數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，不需要重復(fù)的數(shù)據(jù)輸入，構(gòu)造圖與橋梁模型的數(shù)據(jù)完全關(guān)聯(lián)，橋梁模型的變更會自動影響到相關(guān)的構(gòu)造圖，大大方便了變更設(shè)計，同時橋梁模型完成之后，能自動完成特征點的坐標(biāo)和高程的計算、設(shè)計參數(shù)的分類匯總、布梁設(shè)計和構(gòu)造的自動更新以及全橋的工程量匯總，避免了手工計算和更改，從而保證了更好的設(shè)計質(zhì)量。c) 智能化設(shè)計技術(shù)采用與手工設(shè)計相似的流程，通過定制或采用系統(tǒng)自帶上部通用圖和下部通用圖的方式，自動完成全線橋梁的方案設(shè)計。系統(tǒng)可導(dǎo)入常用的路線軟件形成的路線資料，根據(jù)橋梁的基本信息，自動選擇合適的上部通用圖和下部通用圖，再根據(jù)指定

12、的工程配置參數(shù)，自動生成橋梁設(shè)計模型，從而實現(xiàn)了面向工程（面向全線）的自動化、批量化設(shè)計。橋梁模型建立后，系統(tǒng)還可自動提取模型的設(shè)計參數(shù)，對圖紙進行分類匯總，自動生成一般構(gòu)造圖、鋼筋構(gòu)造圖、橋位平面圖等；自動進行布梁設(shè)計，根據(jù)布梁模型自動影響橋梁模型和相關(guān)的圖紙；系統(tǒng)還可自動生成樁位坐標(biāo)表、高程尺寸表、支座高程和位置表等，自動匯總?cè)珮蚝腿€橋梁的工程數(shù)量。自動化設(shè)計避免了數(shù)據(jù)的重復(fù)輸入，大大減少了出錯幾率，并且大幅度地提高了設(shè)計效率。本系統(tǒng)采用的自動化設(shè)計技術(shù)，不僅僅是圖形生成的自動化，而且是設(shè)計的自動化。自動化是智能化技術(shù)的具體表現(xiàn)，正是由于本系統(tǒng)采用了數(shù)字化的橋梁特征模型，讓計算機更多地知

13、道了工程師的實際設(shè)計意圖，加上本系統(tǒng)配備了豐富的專業(yè)數(shù)據(jù)和圖紙庫，內(nèi)置完備的橋梁設(shè)計知識，使得系統(tǒng)可智能化、自動化地完成部分設(shè)計和圖紙出版。d) 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計技術(shù)該系統(tǒng)完全嵌入了交通部新頒上部通用圖，并提供完善的上部通用圖管理系統(tǒng)。橋梁設(shè)計中可自動套用相關(guān)的上部通用圖的設(shè)計資料，自動提取相關(guān)的上部圖紙、計算資料、材料數(shù)量等等，從而保證了橋梁上部的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。系統(tǒng)還提供了豐富的下部通用圖，用戶也可根據(jù)本單位的要求定制自己的下部通用圖，橋梁設(shè)計中系統(tǒng)自動套用合適的下部通用圖，從而也保證了橋梁下部的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。系統(tǒng)的出圖規(guī)范符合部頒標(biāo)準(zhǔn)，也可按用戶要求定制。圖紙的標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計流程的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范了整個設(shè)計工作，保證了設(shè)計質(zhì)量，也更利于設(shè)計效率的提高。四、 結(jié)論數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是當(dāng)今CAD系統(tǒng)的技術(shù)核心，是從計算機輔助繪圖（Computer Aided Drawing）發(fā)展到計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design）的關(guān)鍵技術(shù)