基于solidworks球閥參數(shù)化設(shè)計(jì)
基于solidworks球閥參數(shù)化設(shè)計(jì),基于,solidworks,球閥,參數(shù),設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯
關(guān)于參數(shù)化設(shè)計(jì)的回顧和一些經(jīng)驗(yàn)
Houlei Monedero
Departamento de Expresio′n Gra′fica Arquitecto′nica, Uniíersitat Politecnica de Catalunya, Diagonal 649, 08028 Barcelona, Spain
摘要：
在過去的數(shù)年中，作為呈現(xiàn)和傳遞工程計(jì)算結(jié)果的計(jì)算機(jī)輔助工具，有著非常顯著的發(fā)展。但是直到今天，還沒有一種開發(fā)軟件能在協(xié)助設(shè)計(jì)產(chǎn)生一種簡(jiǎn)單、互動(dòng)的建筑形式方面取得與之相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步。更糟糕的是，那些將計(jì)算機(jī)視為一種直接有效的工具，并利用其所提供的強(qiáng)大功能來設(shè)計(jì)建筑形式的設(shè)計(jì)師們?nèi)匀皇莻€(gè)例外。建筑學(xué)的產(chǎn)生發(fā)展依然延續(xù)著傳統(tǒng)的方式，這之中計(jì)算機(jī)只不過是一個(gè)起草工具而已。盡管意見上會(huì)有很大分歧，但是我們可以很容易的確定引起這些現(xiàn)象的主要因素。在我看來，試圖推進(jìn)過快是一個(gè)錯(cuò)誤，舉例來說，有人主張使用基于專家系統(tǒng)和人工智能的集中設(shè)計(jì)方法，但是卻沒有一個(gè)合適的工具來生成和修改簡(jiǎn)單的立體模型。我們現(xiàn)在所擁有的建模工具并不理想。它們的主要限制是一旦模型建立，它們?nèi)狈m當(dāng)?shù)墓ぞ邅斫换ナ降男薷乃?。任何設(shè)計(jì)活動(dòng)都有一個(gè)基本方面，where the designer is constantly going forward and backwards, re-elaborating once and again some particular aspect of the即設(shè)計(jì)者在不斷前進(jìn)和后退中，一次又一次的重新制訂模型的某些特定方面 model, or its general layout, or even coming back to a previous solution that had been temporarily aband，或其總體布局，甚至又回到以前暫時(shí)放棄的那個(gè)解決方案上。本文presents a general summary of the actual situation and recent developments that may be incorporated to architectural提出了關(guān)于參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)際情況和可能被納入到未來建筑設(shè)計(jì)工具的最新發(fā)展總摘要，以及他們的一些對(duì)于建筑的中肯的批評(píng)意見。
關(guān)鍵詞：幾何造型；建筑和建筑模型；參數(shù)化設(shè)計(jì)。
1.1 Current 3D-mod目前的三維模型
在建筑行業(yè)，三維模型從商業(yè)視角上被劃分成如下幾類技術(shù)：多邊形有孔類建模，實(shí)體建模和類似曲線曲面的非均勻有理B樣條的參數(shù)化表面建模。大多數(shù)建筑模型的生成仍在使用第一種方法，再加上一些適當(dāng)?shù)脑试S使用如下命令的接口，例如“三維表面”，具有“寬度和厚度”或“旋轉(zhuǎn)波紋”“突出波紋”“標(biāo)準(zhǔn)波紋”效果的折線，等等。這是由于建筑模型具有主要由平坦的表面組成的特征。許多建筑師仍在使用所謂的2.5維軟件(寬線條或?qū)⒄劬€描述成的墻體壓延到特定高度)，它可以用來繪制飛機(jī)模型和簡(jiǎn)單的三維模型。實(shí)體模型也被廣泛采用，因?yàn)樗С只诓紶枖?shù)學(xué)體系的操作系統(tǒng)，可以被用來創(chuàng)建更復(fù)雜的模型。曲線曲面的非均勻有理B樣條及其類似曲線很少被用到(除了Frank Gehry)，這是因?yàn)橐话愕念A(yù)算不會(huì)支持具有刻文的或是自由形態(tài)的表面。在許多著名的電腦類書籍中我們都可以找到和學(xué)習(xí)三維幾何造型的歷史，就像Foley的general exposition of computer graphics or Morten-計(jì)算機(jī)圖形一般論述和Mortenson的關(guān)于幾何造型的更專業(yè)教科書。這證明了一個(gè)很短的概念。這個(gè)概念的目的不僅僅是在合適的文章中找出主旨，而且強(qiáng)調(diào)了已出版的文章和普遍使用的技術(shù)在時(shí)間上的差距。正如我們將看到的，這種距離與第一部出版的參數(shù)化設(shè)計(jì)書籍和我們不遠(yuǎn)的將來之間的差距大致相同，大約是二到四年。那就是說，更改當(dāng)前在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中使用的技術(shù)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟；雖然大多數(shù)使用電腦的建筑設(shè)計(jì)師們沒有意識(shí)到，但是這種變化的確在CAD/CAM中發(fā)生了。
1.11.1. E ? olution and limitations of CAD modeling CAD建模工具的發(fā)展和局限性
世界上第一種方法和技術(shù)被投入使用是在二十世紀(jì)六十年代，這其中同樣包括基礎(chǔ)的二維原語，以及新的實(shí)體，如樣條。Bezier和De Casteljau的工作可以追溯到這段時(shí)期。它可以擴(kuò)展到三維線框和表面補(bǔ)丁。新的繪圖方法與Sutherland這個(gè)名字是分不開的，在1963年他發(fā)表了關(guān)于此命題的論文。多邊形網(wǎng)格在二十世紀(jì)六十年代末被使用，不久之后就出現(xiàn)了可形象化這種技術(shù)的方法，正如現(xiàn)在被稱為平面陰影的技術(shù)(Bouknight，1970)或者，更好的叫做Gouraud著色技術(shù)(1971)再或是，更好的Phong著色技術(shù)(1975)。現(xiàn)如今大多數(shù)系統(tǒng)都已經(jīng)停用這種技術(shù)了(自那以后大約使用了22年！)。自由形態(tài)和刻紋表面在二十世紀(jì)七十年代取得了全面的發(fā)展?，F(xiàn)今所使用的最先進(jìn)技術(shù)可以將曲線曲面（非均勻有理B樣條）描述成文本，這種技術(shù)是由A.R.Forrest在1980年發(fā)明的。幾年前(在它問世的十五年后)，AutoCad通過利用一個(gè)額外的模塊(AutoSurf)融合了它，這種模塊可以兼容版本13。
實(shí)體建模是基于CSG的原始形式，它同樣誕生于二十世紀(jì)六十年代早期(在美國的MAGI實(shí)驗(yàn)室），并發(fā)展得相當(dāng)緩慢 ，直到20世紀(jì)70年代初一些完整的產(chǎn)品出現(xiàn)在歐洲和美國。世界上第一款商業(yè)軟件包，就像Evans和Sutherland在1980年使之商業(yè)化的Romulus軟件包，出現(xiàn)在二十世紀(jì)七十年代末期。有一個(gè)很重要的參考文獻(xiàn)也在1980年出版，它是由Requicha總結(jié)的，內(nèi)容關(guān)于當(dāng)時(shí)制造工藝的現(xiàn)狀和本文引述的五個(gè)主要系統(tǒng)。在當(dāng)前，大多數(shù)系統(tǒng)使用的都是兩種系統(tǒng)的集合，一種是B-Reps與CSG的融合，另一種是利用B-Reps作為外殼允許多重表述和數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)變。這解釋了為什么AutoCad會(huì)自從版本13以來在淘汰掉AME系統(tǒng)后使用ACIS(Alan ,Charles and Ian 系統(tǒng))的原因，前者僅是一個(gè)CSG系統(tǒng)而且不能執(zhí)行應(yīng)有的操作。
1.2 Editability of current 3D representations當(dāng)前可編輯的三維描述系統(tǒng)
所有這些系統(tǒng)，如果從近似互動(dòng)方式的觀點(diǎn)來設(shè)計(jì)的話，會(huì)受到很大的限制。主要原因是：
·缺乏資源來編輯表面。這在建筑場(chǎng)所中尤為明顯，你必須重新設(shè)計(jì)和調(diào)整以達(dá)到
驗(yàn)收建筑的標(biāo)準(zhǔn)。
·在真正交互式設(shè)計(jì)環(huán)境下，缺乏資源來編輯卷冊(cè)。
·在修改過程中，缺乏資源來保持卷中各部分之間的聯(lián)系。
·缺乏實(shí)體與表面之間的整合。
在CAD/CAM共同體中，我們現(xiàn)在所用來創(chuàng)建三維建筑模型的方法，在很久以前就被淘汰了。所以不同類型的研究已經(jīng)開展，目的就是為了改善當(dāng)前的情況。在進(jìn)入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)前，我們會(huì)提供一些線索。
1.3.1.3 Object-oriented 3D-model: E-R面向?qū)ο蟮娜S模型：E-Reps
以一個(gè)實(shí)體建模系統(tǒng)為例，就像當(dāng)今建筑界所使用的那種，如果某人想做一些修改，例如在墻體上開一個(gè)孔，那么他必須要編輯CSG樹，找到原始地址，然后整理系統(tǒng)順序以重建信息樹。有了面向?qū)ο蟮姆椒?，交互技術(shù)會(huì)變得更加便利并且更易于管理。有了它，能夠修改對(duì)象的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)操作的運(yùn)算法則，就隱藏在對(duì)象本身。這樣，發(fā)給對(duì)象的指令無需詳細(xì)說明修理系統(tǒng)應(yīng)該完成什么工作，而只需指明需要做什么工作(例如，更改墻體上孔洞的位置)。繼承的機(jī)制可以將所分的類別與超分類和子分類聯(lián)系到一起，從而保證了先前說明的關(guān)系不會(huì)改變。不幸的是，這需要數(shù)據(jù)的內(nèi)部表示，這一點(diǎn)正是現(xiàn)如今的CAD系統(tǒng)所欠缺的。大致來說，所謂圖表模型就是一種表示法，即利用一系列的參考資料來建立模型的實(shí)體聯(lián)系。Hoffman[8]曾經(jīng)介紹了E-Rep(可編輯的表示法)術(shù)語來表述這種結(jié)構(gòu)。這意味著，在未來它會(huì)引起人們的極大興趣。這種結(jié)構(gòu)與CSG圖表相類似，但是有一些重要區(qū)別。在CSG中圖表頁的節(jié)點(diǎn)通常是最低端的原始系統(tǒng)，也就是一半的空間，反之，在E-Reps系統(tǒng)中，通常都是B-Reps。同樣的，在CSG系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)通常是一些運(yùn)營商，而且主要是基于布爾數(shù)學(xué)體系的運(yùn)營商，然而在E-Rep中這些節(jié)點(diǎn)可以囊括范圍廣泛的類型，包括素描，彩票類型，功能附件，混紡或尺寸。從另一方面來說，CSG圖表系統(tǒng)具有良好的定義和有保障的高效性。這不是E-Reps所具有的，所以看起來我們?nèi)匀恍枰鲆恍┍匾膶?shí)驗(yàn)。
2. 參Parametri數(shù)化設(shè)計(jì)
參數(shù)化設(shè)計(jì)，從某種意義上說，是一個(gè)相當(dāng)受限的術(shù)語；它暗含了如何用參數(shù)來定義表格，其實(shí)，在實(shí)際使用中利用的卻是關(guān)系。我將從廣泛的意義上來使用這個(gè)術(shù)語，包括在其他標(biāo)題的文獻(xiàn)中可以找到的，如關(guān)系模型或變異性設(shè)計(jì)或基于約束的設(shè)計(jì)以及其他題目，這些在以下段落中會(huì)有不同程度的引用。還應(yīng)當(dāng)指出的是，從一個(gè)初級(jí)著眼點(diǎn)考慮，還沒有一個(gè)明確的界限能夠分清所謂的參數(shù)化設(shè)計(jì)和當(dāng)今被稱為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或建模之間的差別。在這種情況下，圖表在基礎(chǔ)模板下，通過整合嵌入在模型中的各種實(shí)體被創(chuàng)建出來，這個(gè)模板被填充進(jìn)了他們的“固有參數(shù)”。舉例說明，一條線就是一個(gè)實(shí)體，一旦它的兩個(gè)參數(shù)(長度和方向)被指定了，那么這條線就變成了模型的一部分。一條折線就是由一系列的直線首尾相連而得到的，它的位置參數(shù)同樣要在創(chuàng)建時(shí)確定。棱柱形網(wǎng)狀卷是通過設(shè)置其位置、長度、寬度和高度這四個(gè)參數(shù)，來嵌入到模型內(nèi)部的。除了這些，我們還可以通過對(duì)原始系統(tǒng)的整合，以及與之保持同步，來定義“blocks”（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）,“Cells”(微型工作站)和 “components”（其他系統(tǒng)），使它們獲得不同的整體價(jià)值。還有，在當(dāng)今的CAD系統(tǒng)中，有工具允許我們對(duì)原始的實(shí)體做后期的修改。然而，對(duì)于復(fù)雜的基礎(chǔ)件，當(dāng)我們想獨(dú)立的對(duì)其部件進(jìn)行修改而又想保持部件之間的聯(lián)系時(shí)，它是不起作用的。我們可以將金屬窗口定義成一種屏障，但如果我們?cè)诎惭b時(shí)更改了它的比例，結(jié)構(gòu)的橫截面尺寸就會(huì)按照相同的比例在全部量級(jí)上發(fā)生變化，并且由于許許多多不同的開放尺寸，令我們?cè)僖膊荒苁怪３忠粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。但是，我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^一些諸如AutoLisp式的程序語言定義一個(gè)過程，它僅在嵌入模型的時(shí)候，起到明確關(guān)系和定義合適尺度的作用。它已經(jīng)在文字和基本感官上實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)。并且很顯然，建筑學(xué)對(duì)它很感興趣，這主要是基于一個(gè)事實(shí)，即可以在族里實(shí)現(xiàn)分類的那些重要構(gòu)建元素，有著自發(fā)的被參數(shù)化的傾向。而且，如果這可以以一種合理的方式實(shí)現(xiàn)的話，它可以節(jié)省大量的時(shí)間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存，也將有助于這些元素的管理。由于在參數(shù)化設(shè)計(jì)中族的概念很重要，我們可以正式的定義它為：一系列只在其部件的維度上有差別的元素。描述一個(gè)族，闡述族設(shè)計(jì)的初步理念，我們只需要兩件事，一個(gè)是拓?fù)涿枋?，詳?xì)闡明組成它的各部分的信息以及它們彼此之間所保持的聯(lián)系；一個(gè)是空間上的安排，明確優(yōu)先權(quán)和空間上的限制。這樣，我們可以定義一個(gè)抽象的元素集合并且將它們嵌入到我們的模型中去。這是一個(gè)好的開始，但是一旦它被嵌入到模型中后我們又想修改它該怎么辦呢？對(duì)于這個(gè)問題，參數(shù)化設(shè)計(jì)在早多年以前，就以一種令人期待的方式，適時(shí)的在CAD/CAM中展開了關(guān)于它以及一些基礎(chǔ)約束理念的研究。
3. Constrain約束
CAD中的一個(gè)基礎(chǔ)問題,是如何弄清楚我們對(duì)待事物的一些直覺上的認(rèn)識(shí)，從而令機(jī)器可以自動(dòng)的對(duì)待和說明實(shí)物。一旦我們想要確切的闡述“常識(shí)”的合理概念時(shí)，這個(gè)問題就顯示了它的重要性。從建筑學(xué)的觀點(diǎn)看 ，這就像是認(rèn)為地板“必須永遠(yuǎn)”是水平的，或窗戶是“屬于”墻的，并且以這種方式來制定一個(gè)規(guī)則，而機(jī)器是不能違反這種明顯的規(guī)則的。這一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)需要借助約束的手段。早在1963年，約束手段通過借助Sutherland的開創(chuàng)性工作得以在CAD中首次出現(xiàn)。由于它的產(chǎn)生事關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)的正確概念，所以人們?cè)谌魏蜟AD系統(tǒng)中，以基本的方式提出了約束的概念。例如一條折線，可以被理解成依靠端點(diǎn)約束聯(lián)系在一起的曲線的集合。但是，在一般情況下，約束的概念意味著模型需要一個(gè)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫。一個(gè)約束就是一種關(guān)系，它限制了單個(gè)實(shí)體和實(shí)體組的動(dòng)作。關(guān)于約束的例子有很多，例如：一組直線被約束成平行、直角或是共線，一條直線被約束成與圓弧相切，約束兩個(gè)汽缸的同軸度，一維約束小于某一幅度，或等同于某種特定規(guī)模的倍數(shù)。在約束的概念中，暗含著對(duì)過約束自由度（DOF）的概念，和欠約束的模型，以及忍耐度的概念。概念化模型可以作一個(gè)具有n個(gè)變量的或獨(dú)立維度的復(fù)雜形式的拓?fù)涿枋?。每個(gè)約束減少了一種選擇性。從另一方面說，約束的數(shù)量越多，就越難保持分配給剩余自由度的不同價(jià)值的一致性。如果一個(gè)模型欠約束，那樣就會(huì)很難確定其結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)?，還有一些額外的參變量必須要確定。如果一個(gè)模型過約束，其結(jié)構(gòu)同樣很難被確定，因?yàn)樵谀程帟?huì)出現(xiàn)矛盾沖突。約束造型要求所有約束的定義都應(yīng)在模型被賦值之前確定，或者，換句話說，模型的自由度應(yīng)為零。一個(gè)系統(tǒng)解決欠約束和過約束的能力是其效率的最佳證明。一些程序告知用戶，模型不可以定義，只允許用戶查找其錯(cuò)誤。一個(gè)合乎設(shè)計(jì)理念的程序，應(yīng)該有一個(gè)約束操控模塊，使其能夠提供默認(rèn)參數(shù)以防止欠約束模型的出現(xiàn)，并能將著這些參數(shù)與其他一些可能已經(jīng)明確定義的對(duì)立參數(shù)告知給用戶。約束同樣可以分成兩種，一類叫做幾何約束，一類叫做物理或工程約束。幾何約束包括：平行、垂直、相切和維度。然而模型的建立同樣也可借助于公式，例如。約束也可以被定義成一種有條件限制的關(guān)系，就像：如果，那么D1=10 cm，否則。操作系統(tǒng)彼此之間最大的差別就在于約束被輸入和控制的方式。一般來說，這會(huì)強(qiáng)加給用戶一些額外的任務(wù)，用戶除了要給模型選擇實(shí)體，標(biāo)記位置設(shè)定維數(shù)以外，必須要明確定義其與其他模型實(shí)體之間的關(guān)系。
4. Evolution of parametric design technique參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展
除了上文提到的Ivan Sutherland的開創(chuàng)性工作，Hillyard 和Braid [1]大約在1978年也提出了一套系統(tǒng)，它允許幾何約束的規(guī)范由部分聯(lián)合坐標(biāo)系以這樣一種方式，即在特定的公差范圍內(nèi)對(duì)可能發(fā)生的變化保持阻止，來協(xié)作完成。這個(gè)提議，以我們現(xiàn)在的觀點(diǎn)來看，是在思想上毫無認(rèn)識(shí)，完全沒預(yù)料到的提議。Gossard和Light [2]視此項(xiàng)工作為他們自己工作的基礎(chǔ)，他們認(rèn)為它可以被引作初級(jí)參考文獻(xiàn)，以在更加成熟、理性的方面解釋參數(shù)化設(shè)計(jì)的意義。Gossard 和Light的工作在下面會(huì)提到，以作為一個(gè)基本原則來解釋什么叫做變異幾何學(xué)或變異性設(shè)計(jì)，這些工作是最重要的一步，因?yàn)樗眯碌乃阈g(shù)和幾何工具提供了幾何表示法，從而打開了建模普遍化的道路。
在二十世紀(jì)八十年代末期前后，當(dāng)幾何建模、自由曲面和實(shí)體造型這些主流技術(shù)已經(jīng)被容納吸收時(shí)，人們逐漸意識(shí)到，建模技術(shù)應(yīng)該朝著在模型草擬后增強(qiáng)交互能力和修改能力方面發(fā)展。在當(dāng)時(shí)已經(jīng)有一大部分已出版的重要文獻(xiàn)和書籍，也有一些研究員撰寫的直接涉及本領(lǐng)域的參考文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)都旨在恢復(fù)當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)力水平。現(xiàn)在我們知道了這個(gè)領(lǐng)域共有兩個(gè)組織，一個(gè)正變得越來越迂腐，而另一個(gè)正在吸引越來越多的研究者的目光：
1. 正如Roller [7]所說的那樣，我們可以將它稱為變量設(shè)計(jì)或是借助于設(shè)計(jì)程序的選擇性模型靜力生成。這些系統(tǒng)可以依賴于當(dāng)今的模型內(nèi)部表示法。
2. 借助于更細(xì)心制作的系統(tǒng)，圖表生成和交互式方法在模型生成之后，允許修改其維度和約束。這些系統(tǒng)意味著模型內(nèi)部表示法的更改和延伸。
第一組的最大欠缺就是不能做第二組所能做的事，那就是，以交互式的方式更改模型的一些特征值。另一方面，如果用戶掌握一些基本的設(shè)計(jì)技術(shù)，那么第二組的工作方式就可以適應(yīng)當(dāng)今的CAD系統(tǒng)。第二組的主要缺點(diǎn)是我們必須要等上若干年，直到一個(gè)穩(wěn)定的參數(shù)化建模系統(tǒng)在當(dāng)今研究員所使用的程序中被綜合起來，這種綜合是基于下述研究項(xiàng)目中所列舉的不同選擇。
4.1.4.1 宏Variants programming by macros or procedura宏宏變量設(shè)計(jì)或程序建模
使用一個(gè)非常原始的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最簡(jiǎn)單方法，就是去記錄一個(gè)用來創(chuàng)建模型元素的命令和數(shù)據(jù)值的腳本。如果這個(gè)腳本被編輯，并且數(shù)據(jù)值被改變，我們將會(huì)得到一系列同類型不同尺寸的變量。我們可以通過程序語言來精煉這種方法，例如利AutoLisp來寫一個(gè)宏，一個(gè)主程序或是一小段程序，來執(zhí)行合適的動(dòng)作以建造元素的模型(這三個(gè)術(shù)語的不同點(diǎn)可以看作是數(shù)量上的不同，例如一個(gè)宏里的一些線段或是簡(jiǎn)單程序的一些頁)。用這種方式，模型就可以合并一些與用戶之間的交感作用，那即是說，它能以變量的方式記錄元素的主參數(shù)，并在程序激活時(shí)向用戶請(qǐng)求它們的值。它同樣也能合并一些條件公式以及一些可能增加此方法趣味性的簡(jiǎn)單等式。
變量設(shè)計(jì)相當(dāng)于圖表設(shè)計(jì)中的一個(gè)基本形式：原始實(shí)例。它同樣也存在于模型和元素的生成中，借助于一個(gè)程序，它可以依次調(diào)用建模所需的指令。為了預(yù)防錯(cuò)誤和保證表示法的正確性，用于輸入的數(shù)值必須要在之前定義的范圍之內(nèi)。這種方法和我們?nèi)缦聲?huì)看到的方法之間最主要的區(qū)別就是，前者所使用的命令已經(jīng)在CAD實(shí)體造型中使用了。程序會(huì)讀取用戶輸入的數(shù)值，并執(zhí)行一系列的指令以完成造型，這個(gè)程序就是由實(shí)體造型提供的。這個(gè)方法的主要限制是：變量的數(shù)量和范圍被限制，這是因?yàn)闆]有合適的方法來控制變量，從而導(dǎo)致無效的結(jié)果。此外，結(jié)果是不能被編輯的；改變模型的唯一方式就是重復(fù)這個(gè)過程。然而，這種建模方式在工業(yè)中被廣泛采用，而且如果用它來實(shí)現(xiàn)模型的不需要更改的簡(jiǎn)單元素的實(shí)體化時(shí)，是很高效的。這種方法在建筑行業(yè)被廣泛采用。
4.2 History-based constraint mode基于歷史的約束建模
一個(gè)繪畫型交互式參數(shù)化實(shí)體造型系統(tǒng)允許用戶創(chuàng)建一個(gè)指令模塊，它能用作向系統(tǒng)輸入?yún)⒆兞康母材芡ㄟ^對(duì)模型成分的封閉性描述，用來向用戶請(qǐng)求適合于模型的約束規(guī)范。這保證了無論何時(shí)指定任何新的變量都不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。就像我們之前所說的，我們必須要使用一個(gè)延伸的可供選擇的內(nèi)部表示法。我們有許多不同的方法能用來在參數(shù)改變后生成新的模型?，F(xiàn)在最廣泛使用的可能就是有時(shí)被稱作“基于歷史的設(shè)計(jì)”或是合適一點(diǎn)的“參數(shù)化設(shè)計(jì)”(與變異型設(shè)計(jì)相反)或者是“建設(shè)性的參數(shù)化設(shè)計(jì)”。
當(dāng)今，許多商業(yè)上利用的參數(shù)化實(shí)體造型系統(tǒng)，都是利用一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來跟蹤依次的順序來創(chuàng)建模型。任何操作，連同用來完成此操作的數(shù)據(jù)都被記錄下來，因?yàn)槠湓跇?gòu)建一個(gè)特殊模型進(jìn)程中會(huì)占用資源。運(yùn)作中的參變量可以被幾何實(shí)體化或是公式化。通過修改在特殊操作中所使用的數(shù)據(jù)，我們可以修改模型。再驗(yàn)算的模型會(huì)在保持聯(lián)系時(shí)對(duì)更改其幾何特征有影響，這種聯(lián)系就是不同實(shí)體之間有目的聯(lián)系。這種方法同樣也被稱作建設(shè)性的參數(shù)化設(shè)計(jì)，因?yàn)榇涡虮缓喜ⅲ⑶颐钪苯酉蛴脩粽?qǐng)求，次要實(shí)體的規(guī)范，例如劃線或刨平軸或是用來定義弧的圓等等。這些建設(shè)性的元素對(duì)于組成模型的剩余實(shí)體來說采取的是同樣的約束。商業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是，它試圖將建設(shè)性的位面和軸系呈獻(xiàn)給用戶，而實(shí)際上它們確是系統(tǒng)所真正需要的。一旦模型完成而且自由度變?yōu)榱?，并且模型既不欠約束也不過約束，那么一個(gè)結(jié)構(gòu)圖就完成了。歷史記錄是通過一個(gè)定向圖表完成的，那里的節(jié)點(diǎn)可以呈現(xiàn)實(shí)體和圓弧的操作。圖表的指向遵從于電磁波的約束。其結(jié)果就是一個(gè)圖表循環(huán)圖。要想改變尺寸就等同于改變相關(guān)約束的值。加入一個(gè)幾何約束會(huì)更加復(fù)雜并且需要校驗(yàn)可能的過度約束，找出空間值并重建圖表。大體上，所涉及到的實(shí)體和操作，必須按照既定的規(guī)則和指向來構(gòu)建。同樣，程序上的單一改變會(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)重新計(jì)算平均約50%的幾何信息。無論如何，一旦圖表自動(dòng)重建了，那些參量就會(huì)重新賦值模型也將重新驗(yàn)算。
4.3 Variational geometry and ? ariational de變化的幾何學(xué)和變異性設(shè)計(jì)
與前面提到的方法不同，參數(shù)化設(shè)計(jì)基于變化的幾何學(xué)，會(huì)根據(jù)實(shí)際情況重新驗(yàn)算設(shè)計(jì)，并遵從獨(dú)立的序列以達(dá)到實(shí)際情況的要求。這種方法依賴于對(duì)參變量的描述并借助于等式和可解決這樣問題的系統(tǒng)的有效性來實(shí)現(xiàn)。關(guān)于此問題的基礎(chǔ)參考書目是由Gossard 和 Light[2,3]出版的文獻(xiàn)。所需要的方法就同以前一樣，即系統(tǒng)既不欠約束也不過約束。這個(gè)系統(tǒng)與前者相反有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即他不依賴于模型已經(jīng)創(chuàng)建的方式，并且在輸入時(shí)能夠接受任何情況和任意模型。維度被視作一種約束，它可以影響到模型中的一系列特殊的點(diǎn)。被三維坐標(biāo)定義的一個(gè)空間物體，具有n個(gè)頂點(diǎn)就會(huì)有3n個(gè)自由度。在這些頂點(diǎn)中的任何一個(gè)被更改后，為了要計(jì)算這個(gè)新幾何體，我們必須要解決3n公式(具有3n個(gè)自由度)的問題。我們可以很容易的得到許多這樣的公式，例如，給出三點(diǎn)的平面公式和任何強(qiáng)制四點(diǎn)共面的公式。相似的，簡(jiǎn)單的二次曲面，例如圓錐面和球面就可以這種方式來呈現(xiàn)。因?yàn)榫嚯x參量也包括在內(nèi)，所以約束公式將是二次的，并且因?yàn)檫@個(gè)原因，一般會(huì)是非線性的。數(shù)字方法已經(jīng)被用來解決這個(gè)問題，并且由Gossard 和Light所提出的方法會(huì)減少建模所需公式的數(shù)量，他們是借助于雅可比矩陣來找出參變量的，并且利用了一個(gè)可雙向傳播的電磁波系統(tǒng)。盡管如此，它的花費(fèi)還是很昂貴的。它能否被用作建筑建模，在目前來看是值得懷疑的。
4.4.4.4 Rule-based ? ariants: geometric reason基于規(guī)則的變量：借助于專家系統(tǒng)的幾何推理
上述方法有許多重要的難點(diǎn)，例如，需要詳細(xì)說明約束的精確數(shù)量，亦或是用數(shù)學(xué)的方法解決許多公式問題。為了避免這些以及其他一些問題，我們需要提供一些選擇。在他們之中，有一些來自于人工智能并且可以引用專家系統(tǒng)。Bru¨derlin [4], Sunde 和 Kallevik [5], Aldefeld [6] 或Veroust et al. [9]是這個(gè)領(lǐng)域中最杰出的研究員。
這些可供選擇的技術(shù)將模型視作，可以利用一系列幾何實(shí)體，以及彼此之間聯(lián)系的事實(shí)來描述的東西。一個(gè)表格可以通過一系列邏輯謂語，利用諸如Prolog和Lisp之類的語言來描述。一系列的規(guī)則被指定來聯(lián)系這些約束。這些規(guī)則通過一個(gè)推理引擎來應(yīng)用，并產(chǎn)生一個(gè)滿足初始約束和產(chǎn)品規(guī)則的特定模型。這些謂詞可以制定系統(tǒng)的維度，例如兩直線之間的距離或幾何關(guān)系或線性關(guān)系，其推理法則可如下表示：
從公式左邊的三個(gè)表達(dá)式中可以導(dǎo)出，點(diǎn)P在線L1,L2的交叉點(diǎn)上。
這種方法仍在探索中。直接敘述這些謂詞是單調(diào)乏味的，非主觀的而且傾向于錯(cuò)誤。確定建立一個(gè)特殊形態(tài)所需要的約束數(shù)量也是很難的( “唯一的問題”)。有許多系統(tǒng)可以通過額外的謂詞和幾何控制模型的手段解決這些問題，這些手段是用戶通過一系列原始固有的可自動(dòng)更新的邏輯謂語提出的。仍然的，這種方法也很昂貴，也有待于提高。
4.5.4.5 基于Parametric feature-based design特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)
什么是CAD\CAM的特征？直接的答案就是，可以通過機(jī)器操控的一串特殊序列，從棱鏡碎片中萃取的素材。特征包括“槽”，“洞”，“盲孔”或“袋口”，“斜面”，“帶條”，“突起”等與之相似的東西。但這僅僅是從CAM的視角來看，并不完全符合CAD的視角，這個(gè)差別主要在設(shè)計(jì)程序的第一步上。從一個(gè)更普遍的觀點(diǎn)上看，我們可以說一個(gè)特征就是一個(gè)實(shí)體，它歸屬于語義的命令比幾何的命令更高級(jí)。在文獻(xiàn)中，也同樣會(huì)找到關(guān)于特征的定義“在精確文本中具有明確功能的圖表”。
第一個(gè)關(guān)于它的作品可能是劍橋大學(xué)的A.R. Grayer于1976年所撰寫的博士論文(“計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)和制造的連接”)，它闡述了試圖自動(dòng)建立CAD和NC系統(tǒng)之間的聯(lián)系的理念。這份作品來自于一個(gè)曾在知名CAD系統(tǒng)里工作過的研究團(tuán)隊(duì)，這些系統(tǒng)包括BUILD,ROMULUS 和ACIS。到二十世紀(jì)八十年代中期，這個(gè)話題得到了極大的發(fā)展，直到它發(fā)展成為CAD\CAM系統(tǒng)中最活躍的研究領(lǐng)域之一。在二十世紀(jì)八十年代末期，第一個(gè)由商業(yè)原型支撐的特征和參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)就可以使用了。
特征值在參數(shù)化系統(tǒng)中屬于一個(gè)系列，并且作為特征庫中控制模型的實(shí)例被嵌入到模型中。這些特征可以按類檢索或按對(duì)象檢索。第一種檢索，屬性會(huì)給出表示法，例如給出一個(gè)控制變量、公差以及與其他特征相關(guān)的幾何參數(shù)(長度，寬度，半徑)。第二種檢索，表示法是基于運(yùn)行主要特征屬性的程序。由于特征被表面定義，并且在設(shè)計(jì)工程中被嵌入到模型內(nèi)，特征的位置也必須依靠參變量來定位。同樣，一些特征具有自然地對(duì)立特征，正像在CAD中發(fā)生的一樣，一個(gè)齒輪緣必須要與內(nèi)齒輪相咬合；或像像建筑行業(yè)中發(fā)生的，金屬窗框必須要適合墻上的洞一樣。這意味著系統(tǒng)必須能夠支持和管理模型中各種關(guān)系的整合。
5.5. Architectural design and building mode建筑設(shè)計(jì)和建筑模型
以上的回顧是來自于關(guān)于參數(shù)化設(shè)計(jì)和CAD的可利用文獻(xiàn)。這篇文獻(xiàn)所選用的這種應(yīng)用程序，將會(huì)對(duì)機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)產(chǎn)品產(chǎn)生更多的作用，盡管這之中有一些篇幅是直接關(guān)系到建筑工業(yè)的。但是我們對(duì)有關(guān)建筑的培訓(xùn)和實(shí)際練習(xí)很感興趣，并且在這些領(lǐng)域之間有著很大的不同。主要的一點(diǎn)不同是CAD，正像很多工程師所使用的那樣，它主要應(yīng)用在將會(huì)被重復(fù)很多次的物體對(duì)象上，并不應(yīng)用在能適應(yīng)任何場(chǎng)合的事物上。這和建筑業(yè)的實(shí)際要求恰恰相反。先將這些不同點(diǎn)記在心里，現(xiàn)在讓我們來看看我們先前的考慮是怎樣與我們的專業(yè)興趣聯(lián)系在一起的。
(a) 對(duì)于那些應(yīng)用CAD并且有一些設(shè)計(jì)知識(shí)的設(shè)計(jì)師來說，各種各樣的設(shè)計(jì)在他們之間是很好的話題。在二維和三維環(huán)境中，模型的一小部分可以通過一些記錄程序來實(shí)現(xiàn)。這些記錄程序在被使用者調(diào)用后會(huì)要求一些參數(shù)的數(shù)值，然后從模型中激活充足的命令，并產(chǎn)生一個(gè)通用元素的變種，最后將其插入到主模型。在過去的幾年里，通過使用Autolisp我們已經(jīng)創(chuàng)造了很多像這樣的原理。這些原理就像程序那樣在墻上開一個(gè)洞，然后放入事先定義好的門或者窗戶，或者估計(jì)房屋的體積，然后建造一個(gè)從一層樓特定位置到另一層樓其他位置的樓梯，或者像程序那樣不自覺的建造一些建筑物上的常規(guī)部分，等等，到其它更加深入的原理，例如這些原理可以用一種固定或自由的方式建造幾何構(gòu)思。我們認(rèn)為這種按慣例的方式是眾所周知的，所以我們不會(huì)在本篇文章中展示這些結(jié)論。這些結(jié)論的一部分會(huì)在我們的大學(xué)里發(fā)表，并被一些感興趣的人來學(xué)習(xí)。這里有一本W(wǎng)illiam Mitchell所寫的書(計(jì)算機(jī)圖形設(shè)計(jì)藝術(shù)，為建筑師和設(shè)計(jì)者有條理的介紹了計(jì)算機(jī)圖形設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，1987)，這本書通過例證的方法對(duì)這個(gè)主題提供了很好的介紹，這本書是用Pascal編寫的，但可以很容易的翻譯成其它編程語言。
(b) 對(duì)于三維元素的交互式參數(shù)化設(shè)計(jì)可以通過一個(gè)帶有編輯框的對(duì)話框來實(shí)現(xiàn)，編輯框允許使用者修改參數(shù)目前的數(shù)值，同時(shí)此對(duì)話框包括了一個(gè)圖形窗口來預(yù)覽結(jié)果。一些商業(yè)程序如ArchiCad和3dStudio Max可以提供這樣的類似的措施，但我們?cè)噲D使用 Visual C++和像Arx這樣的編程工具來通過更加一般的方式來實(shí)現(xiàn)它。在這個(gè)領(lǐng)域工作的任何人都被邀請(qǐng)來交流一下經(jīng)驗(yàn)。無論如何我們認(rèn)為，無論通過個(gè)人項(xiàng)目還是商業(yè)設(shè)施這種情形都是很容易預(yù)期的。很快就會(huì)有工具來允許我們通過交互式的參數(shù)化方法進(jìn)行元件的設(shè)計(jì)，并將這些這些元件插入到建筑模型中。
(c) 交互式參數(shù)化設(shè)計(jì)的最大的挑戰(zhàn)是建筑模型是一個(gè)整體。關(guān)于這個(gè)話題目前有兩個(gè)立場(chǎng)。一些人認(rèn)為為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)而去解決一些麻煩是不值得的，而另一些人認(rèn)為任何建筑都可以像一輛車、一架飛機(jī)，或者一個(gè)工業(yè)部件那樣使用相似的方法作為一個(gè)整體進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。我們處在兩種觀點(diǎn)的中間位置。認(rèn)為建筑可以像飛機(jī)那樣進(jìn)行處理，建筑不可以進(jìn)行重復(fù)來滿足資金要求和使我們的環(huán)境更加有趣的觀點(diǎn)是值得懷疑的，因?yàn)檫@和建筑的特定的本性是相反的。雖然必須說，從這些行業(yè)的管理圖形、數(shù)據(jù)庫和參數(shù)模型的方法中我們要學(xué)很多東西。有一些用具體方法來對(duì)一幢樓進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究。最近由K. Martini寫的一篇文章展示了一個(gè)有趣的基于面向?qū)ο蟮念悓哟谓Y(jié)構(gòu)的，正在發(fā)展的程序。程序通過特殊的圖元大廈和定位可以建立建筑的模型，以這樣的方式采用所謂的內(nèi)在幾何關(guān)系來修改模型，一旦這個(gè)程序被創(chuàng)建就可以應(yīng)用到模型的任何部分。
然而很明顯的是，任何像這種事物的發(fā)展在建筑師能運(yùn)用它之前都會(huì)花費(fèi)很長的時(shí)間。同時(shí)，我們正在做以下的工作，而我們很樂于將這些工作展示出來供任何有興趣的人來進(jìn)行討論。一個(gè)建筑模型包括很多不同的部分。在開始的時(shí)候，我們可以考慮兩個(gè)主要方面：
(a) 樓層，有開口，有內(nèi)部樓梯，有樓梯扶手。
(b) 墻壁，有開口，有窗戶或門。
這顯然是分層的關(guān)系。每個(gè)扶手都屬于一個(gè)樓梯。每個(gè)內(nèi)部樓梯都屬于在一層樓的開口，每一層樓的開口都屬于一個(gè)樓層。與之相似的是，每一個(gè)門或窗戶都屬于在墻上的開口。因此 這些模型的建立應(yīng)采用面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)來一起進(jìn)行建立。例如，一個(gè)窗口模型被建造成可以在私人或公共圖書館查到的模型，并且與一個(gè)開口相聯(lián)系，而這個(gè)開口在數(shù)圖結(jié)構(gòu)中被當(dāng)做一個(gè)節(jié)點(diǎn)并且與墻節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，那么任何條款的任何修改都將會(huì)傳遞到其它部件，我們不必考慮部件間的相互適應(yīng)問題。以上的方法對(duì)于小團(tuán)體的模型較容易實(shí)現(xiàn)。而當(dāng)我們考慮擁有各種樓層和墻的建筑物時(shí)，事情會(huì)變得復(fù)雜起來。像上述那樣Martini提出，而我們進(jìn)行過評(píng)論的建議在目前看來是不現(xiàn)實(shí)的?？雌饋韽母訉?shí)際和現(xiàn)實(shí)的角度來看，我們領(lǐng)先于現(xiàn)在的需求，并且，無論如何，以上建議的方法將會(huì)花費(fèi)很長時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。
一個(gè)更可行的辦法可能是考慮當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)的等級(jí)劃分以及地板是水平的，而墻壁通常是垂直的（在未來的幾年內(nèi)我們將不考慮格里的建筑）。樓層可以由一個(gè)根（局部坐標(biāo)系的起點(diǎn)）來確定。樓的Z坐標(biāo)可以在一個(gè)單獨(dú)的表中保存。對(duì)樓層高度的任何修改都會(huì)通過這個(gè)表自動(dòng)的傳遞到和樓層相關(guān)的部分。墻壁有Z坐標(biāo)和一個(gè)取決于樓層高度和離地高度的高度值。對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的任何改變都可以通過這個(gè)表傳遞到作為包含元素和子元素的全局對(duì)象的所有樓層。通過這張表來傳遞到全局的改變不能避免，并且傳遞需要一些時(shí)間。但以上的層次組織將組織傳遞向相反的方向進(jìn)行。這意味著在建筑物固定部分的結(jié)構(gòu)修改起來會(huì)更加方便。通過一些像(b)段描述的友好的界面，對(duì)這些部件的修改方式將會(huì)得到改善。
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附件2：外文資料翻譯原文【附】
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