基于solidworks球閥參數(shù)化設(shè)計,基于,solidworks,球閥,參數(shù),設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 關(guān)于參數(shù)化設(shè)計的回顧和一些經(jīng)驗 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)和傳遞工程計算結(jié)果的計算機輔助工具，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)計產(chǎn)生一種簡單、互動的建筑形式方面取得與之相當(dāng)?shù)倪M步。更糟糕的是，那些將計算機視為一種直接有效的工具，并利用其所提供的強大功能來設(shè)計建筑形式的設(shè)計師們?nèi)匀皇莻€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，這之中計算機只不過是一個起草工具而已。盡管意見上會有很大分歧，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，試圖推進過快是一個錯誤，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)計方法，但是卻沒有一個合適的工具來生成和修改簡單的立體模型。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Ｈ魏卧O(shè)計活動都有一個基本方面，where the designer is constantly going forward and backwards, re-elaborating once and again some particular aspect of the即設(shè)計者在不斷前進和后退中，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放棄的那個解決方案上。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)計的實際情況和可能被納入到未來建筑設(shè)計工具的最新發(fā)展總摘要，以及他們的一些對于建筑的中肯的批評意見。 關(guān)鍵詞：幾何造型；建筑和建筑模型；參數(shù)化設(shè)計。 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模型和簡單的三維模型。實體模型也被廣泛采用，因為它支持基于布爾數(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)，這是因為一般的預(yù)算不會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-計算機圖形一般論述和Mortenson的關(guān)于幾何造型的更專業(yè)教科書。這證明了一個很短的概念。這個概念的目的不僅僅是在合適的文章中找出主旨，而且強調(diào)了已出版的文章和普遍使用的技術(shù)在時間上的差距。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)計書籍和我們不遠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)前在計算機輔助設(shè)計中使用的技術(shù)的時機已經(jīng)成熟；雖然大多數(shù)使用電腦的建筑設(shè)計師們沒有意識到，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六十年代，這其中同樣包括基礎(chǔ)的二維原語，以及新的實體，如樣條。Bezier和De Casteljau的工作可以追溯到這段時期。它可以擴展到三維線框和表面補丁。新的繪圖方法與Sutherland這個名字是分不開的，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)?，F(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七十年代取得了全面的發(fā)展。現(xiàn)今所使用的最先進技術(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通過利用一個額外的模塊(AutoSurf)融合了它，這種模塊可以兼容版本13。 實體建模是基于CSG的原始形式，它同樣誕生于二十世紀六十年代早期(在美國的MAGI實驗室），并發(fā)展得相當(dāng)緩慢 ，直到20世紀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)在二十世紀七十年代末期。有一個很重要的參考文獻也在1980年出版，它是由Requicha總結(jié)的，內(nèi)容關(guān)于當(dāng)時制造工藝的現(xiàn)狀和本文引述的五個主要系統(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)，如果從近似互動方式的觀點來設(shè)計的話，會受到很大的限制。主要原因是： ·缺乏資源來編輯表面。這在建筑場所中尤為明顯，你必須重新設(shè)計和調(diào)整以達到 驗收建筑的標(biāo)準。 ·在真正交互式設(shè)計環(huán)境下，缺乏資源來編輯卷冊。 ·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。在進入?yún)?shù)化設(shè)計前，我們會提供一些線索。 1.3.1.3 Object-oriented 3D-model: E-R面向?qū)ο蟮娜S模型：E-Reps 以一個實體建模系統(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ǎ换ゼ夹g(shù)會變得更加便利并且更易于管理。有了它，能夠修改對象的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)操作的運算法則，就隱藏在對象本身。這樣，發(fā)給對象的指令無需詳細說明修理系統(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)系不會改變。不幸的是，這需要數(shù)據(jù)的內(nèi)部表示，這一點正是現(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)點通常是一些運營商，而且主要是基于布爾數(shù)學(xué)體系的運營商，然而在E-Rep中這些節(jié)點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膶嶒灐? 2. 參Parametri數(shù)化設(shè)計 參數(shù)化設(shè)計，從某種意義上說，是一個相當(dāng)受限的術(shù)語；它暗含了如何用參數(shù)來定義表格，其實，在實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術(shù)語，包括在其他標(biāo)題的文獻中可以找到的，如關(guān)系模型或變異性設(shè)計或基于約束的設(shè)計以及其他題目，這些在以下段落中會有不同程度的引用。還應(yīng)當(dāng)指出的是，從一個初級著眼點考慮，還沒有一個明確的界限能夠分清所謂的參數(shù)化設(shè)計和當(dāng)今被稱為計算機輔助設(shè)計或建模之間的差別。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體被創(chuàng)建出來，這個模板被填充進了他們的“固有參數(shù)”。舉例說明，一條線就是一個實體，一旦它的兩個參數(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，我們還可以通過對原始系統(tǒng)的整合，以及與之保持同步，來定義“blocks”（計算機輔助設(shè)計）,“Cells”(微型工作站)和 “components”（其他系統(tǒng)），使它們獲得不同的整體價值。還有，在當(dāng)今的CAD系統(tǒng)中，有工具允許我們對原始的實體做后期的修改。然而，對于復(fù)雜的基礎(chǔ)件，當(dāng)我們想獨立的對其部件進行修改而又想保持部件之間的聯(lián)系時，它是不起作用的。我們可以將金屬窗口定義成一種屏障，但如果我們在安裝時更改了它的比例，結(jié)構(gòu)的橫截面尺寸就會按照相同的比例在全部量級上發(fā)生變化，并且由于許許多多不同的開放尺寸，令我們再也不能使之保持一個標(biāo)準結(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過程，它僅在嵌入模型的時候，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現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計。并且很顯然，建筑學(xué)對它很感興趣，這主要是基于一個事實，即可以在族里實現(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現(xiàn)的話，它可以節(jié)省大量的時間和計算機內(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。描述一個族，闡述族設(shè)計的初步理念，我們只需要兩件事，一個是拓撲描述，詳細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？對于這個問題，參數(shù)化設(shè)計在早多年以前，就以一種令人期待的方式，適時的在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中的一個基礎(chǔ)問題,是如何弄清楚我們對待事物的一些直覺上的認識，從而令機器可以自動的對待和說明實物。一旦我們想要確切的闡述“常識”的合理概念時，這個問題就顯示了它的重要性。從建筑學(xué)的觀點看 ，這就像是認為地板“必須永遠”是水平的，或窗戶是“屬于”墻的，并且以這種方式來制定一個規(guī)則，而機器是不能違反這種明顯的規(guī)則的。這一點的實現(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)計的正確概念，所以人們在任何CAD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擴展的數(shù)據(jù)庫。一個約束就是一種關(guān)系，它限制了單個實體和實體組的動作。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具有n個變量的或獨立維度的復(fù)雜形式的拓撲描述。每個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值的一致性。如果一個模型欠約束，那樣就會很難確定其結(jié)構(gòu)，這是因為，還有一些額外的參變量必須要確定。如果一個模型過約束，其結(jié)構(gòu)同樣很難被確定，因為在某處會出現(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誤。一個合乎設(shè)計理念的程序，應(yīng)該有一個約束操控模塊，使其能夠提供默認參數(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，這會強加給用戶一些額外的任務(wù)，用戶除了要給模型選擇實體，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體之間的關(guān)系。 4. Evolution of parametric design technique參數(shù)化設(shè)計技術(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)對可能發(fā)生的變化保持阻止，來協(xié)作完成。這個提議，以我們現(xiàn)在的觀點來看，是在思想上毫無認識，完全沒預(yù)料到的提議。Gossard和Light [2]視此項工作為他們自己工作的基礎(chǔ)，他們認為它可以被引作初級參考文獻，以在更加成熟、理性的方面解釋參數(shù)化設(shè)計的意義。Gossard 和Light的工作在下面會提到，以作為一個基本原則來解釋什么叫做變異幾何學(xué)或變異性設(shè)計，這些工作是最重要的一步，因為它利用新的算術(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。 在二十世紀八十年代末期前后，當(dāng)幾何建模、自由曲面和實體造型這些主流技術(shù)已經(jīng)被容納吸收時，人們逐漸意識到，建模技術(shù)應(yīng)該朝著在模型草擬后增強交互能力和修改能力方面發(fā)展。在當(dāng)時已經(jīng)有一大部分已出版的重要文獻和書籍，也有一些研究員撰寫的直接涉及本領(lǐng)域的參考文獻，這些文獻都旨在恢復(fù)當(dāng)時的生產(chǎn)力水平?，F(xiàn)在我們知道了這個領(lǐng)域共有兩個組織，一個正變得越來越迂腐，而另一個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)計或是借助于設(shè)計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)。第二組的主要缺點是我們必須要等上若干年，直到一個穩(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)計或程序建模 使用一個非常原始的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)的最簡單方法，就是去記錄一個用來創(chuàng)建模型元素的命令和數(shù)據(jù)值的腳本。如果這個腳本被編輯，并且數(shù)據(jù)值被改變，我們將會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來寫一個宏，一個主程序或是一小段程序，來執(zhí)行合適的動作以建造元素的模型(這三個術(shù)語的不同點可以看作是數(shù)量上的不同，例如一個宏里的一些線段或是簡單程序的一些頁)。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)，并在程序激活時向用戶請求它們的值。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單等式。 變量設(shè)計相當(dāng)于圖表設(shè)計中的一個基本形式：原始實例。它同樣也存在于模型和元素的生成中，借助于一個程序，它可以依次調(diào)用建模所需的指令。為了預(yù)防錯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吹降姆椒ㄖg最主要的區(qū)別就是，前者所使用的命令已經(jīng)在CAD實體造型中使用了。程序會讀取用戶輸入的數(shù)值，并執(zhí)行一系列的指令以完成造型，這個程序就是由實體造型提供的。這個方法的主要限制是：變量的數(shù)量和范圍被限制，這是因為沒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，而且如果用它來實現(xiàn)模型的不需要更改的簡單元素的實體化時，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 一個繪畫型交互式參數(shù)化實體造型系統(tǒng)允許用戶創(chuàng)建一個指令模塊，它能用作向系統(tǒng)輸入?yún)⒆兞康母材芡ㄟ^對模型成分的封閉性描述，用來向用戶請求適合于模型的約束規(guī)范。這保證了無論何時指定任何新的變量都不會產(chǎn)生錯誤。就像我們之前所說的，我們必須要使用一個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被稱作“基于歷史的設(shè)計”或是合適一點的“參數(shù)化設(shè)計”(與變異型設(shè)計相反)或者是“建設(shè)性的參數(shù)化設(shè)計”。 當(dāng)今，許多商業(yè)上利用的參數(shù)化實體造型系統(tǒng)，都是利用一個數(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，因為其在構(gòu)建一個特殊模型進程中會占用資源。運作中的參變量可以被幾何實體化或是公式化。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。再驗算的模型會在保持聯(lián)系時對更改其幾何特征有影響，這種聯(lián)系就是不同實體之間有目的聯(lián)系。這種方法同樣也被稱作建設(shè)性的參數(shù)化設(shè)計，因為次序被合并，并且命令直接向用戶請求，次要實體的規(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)性的元素對于組成模型的剩余實體來說采取的是同樣的約束。商業(yè)系統(tǒng)的一個缺點是，它試圖將建設(shè)性的位面和軸系呈獻給用戶，而實際上它們確是系統(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，那么一個結(jié)構(gòu)圖就完成了。歷史記錄是通過一個定向圖表完成的，那里的節(jié)點可以呈現(xiàn)實體和圓弧的操作。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。加入一個幾何約束會更加復(fù)雜并且需要校驗可能的過度約束，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強制系統(tǒng)重新計算平均約50%的幾何信息。無論如何，一旦圖表自動重建了，那些參量就會重新賦值模型也將重新驗算。 4.3 Variational geometry and ? ariational de變化的幾何學(xué)和變異性設(shè)計 與前面提到的方法不同，參數(shù)化設(shè)計基于變化的幾何學(xué)，會根據(jù)實際情況重新驗算設(shè)計，并遵從獨立的序列以達到實際情況的要求。這種方法依賴于對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。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。這個系統(tǒng)與前者相反有一個優(yōu)勢，即他不依賴于模型已經(jīng)創(chuàng)建的方式，并且在輸入時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。被三維坐標(biāo)定義的一個空間物體，具有n個頂點就會有3n個自由度。在這些頂點中的任何一個被更改后，為了要計算這個新幾何體，我們必須要解決3n公式(具有3n個自由度)的問題。我們可以很容易的得到許多這樣的公式，例如，給出三點的平面公式和任何強制四點共面的公式。相似的，簡單的二次曲面，例如圓錐面和球面就可以這種方式來呈現(xiàn)。因為距離參量也包括在內(nèi)，所以約束公式將是二次的，并且因為這個原因，一般會是非線性的。數(shù)字方法已經(jīng)被用來解決這個問題，并且由Gossard 和Light所提出的方法會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，并且利用了一個可雙向傳播的電磁波系統(tǒng)。盡管如此，它的花費還是很昂貴的。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，例如，需要詳細說明約束的精確數(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體，以及彼此之間聯(lián)系的事實來描述的東西。一個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)則通過一個推理引擎來應(yīng)用，并產(chǎn)生一個滿足初始約束和產(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： 從公式左邊的三個表達式中可以導(dǎo)出，點P在線L1,L2的交叉點上。 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誤。確定建立一個特殊形態(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 什么是CAD\CAM的特征？直接的答案就是，可以通過機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，這個差別主要在設(shè)計程序的第一步上。從一個更普遍的觀點上看，我們可以說一個特征就是一個實體，它歸屬于語義的命令比幾何的命令更高級。在文獻中，也同樣會找到關(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(“計算機中設(shè)計和制造的連接”)，它闡述了試圖自動建立CAD和NC系統(tǒng)之間的聯(lián)系的理念。這份作品來自于一個曾在知名CAD系統(tǒng)里工作過的研究團隊，這些系統(tǒng)包括BUILD,ROMULUS 和ACIS。到二十世紀八十年代中期，這個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。在二十世紀八十年代末期，第一個由商業(yè)原型支撐的特征和參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)就可以使用了。 特征值在參數(shù)化系統(tǒng)中屬于一個系列，并且作為特征庫中控制模型的實例被嵌入到模型中。這些特征可以按類檢索或按對象檢索。第一種檢索，屬性會給出表示法，例如給出一個控制變量、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立特征，正像在CAD中發(fā)生的一樣，一個齒輪緣必須要與內(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)計和建筑模型 以上的回顧是來自于關(guān)于參數(shù)化設(shè)計和CAD的可利用文獻。這篇文獻所選用的這種應(yīng)用程序，將會對機械工程和計算機輔助設(shè)計產(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。但是我們對有關(guān)建筑的培訓(xùn)和實際練習(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)用在將會被重復(fù)很多次的物體對象上，并不應(yīng)用在能適應(yīng)任何場合的事物上。這和建筑業(yè)的實際要求恰恰相反。先將這些不同點記在心里，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) 對于那些應(yīng)用CAD并且有一些設(shè)計知識的設(shè)計師來說，各種各樣的設(shè)計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現(xiàn)。這些記錄程序在被使用者調(diào)用后會要求一些參數(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洞，然后放入事先定義好的門或者窗戶，或者估計房屋的體積，然后建造一個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。我們認為這種按慣例的方式是眾所周知的，所以我們不會在本篇文章中展示這些結(jié)論。這些結(jié)論的一部分會在我們的大學(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(計算機圖形設(shè)計藝術(shù)，為建筑師和設(shè)計者有條理的介紹了計算機圖形設(shè)計的結(jié)構(gòu)，1987)，這本書通過例證的方法對這個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) 對于三維元素的交互式參數(shù)化設(shè)計可以通過一個帶有編輯框的對話框來實現(xiàn)，編輯框允許使用者修改參數(shù)目前的數(shù)值，同時此對話框包括了一個圖形窗口來預(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，但我們試圖使用 Visual C++和像Arx這樣的編程工具來通過更加一般的方式來實現(xiàn)它。在這個領(lǐng)域工作的任何人都被邀請來交流一下經(jīng)驗。無論如何我們認為，無論通過個人項目還是商業(yè)設(shè)施這種情形都是很容易預(yù)期的。很快就會有工具來允許我們通過交互式的參數(shù)化方法進行元件的設(shè)計，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)計的最大的挑戰(zhàn)是建筑模型是一個整體。關(guān)于這個話題目前有兩個立場。一些人認為為了實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計而去解決一些麻煩是不值得的，而另一些人認為任何建筑都可以像一輛車、一架飛機，或者一個工業(yè)部件那樣使用相似的方法作為一個整體進行參數(shù)化設(shè)計。我們處在兩種觀點的中間位置。認為建筑可以像飛機那樣進行處理，建筑不可以進行重復(fù)來滿足資金要求和使我們的環(huán)境更加有趣的觀點是值得懷疑的，因為這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一幢樓進行參數(shù)化設(shè)計的研究。最近由K. Martini寫的一篇文章展示了一個有趣的基于面向?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)展在建筑師能運用它之前都會花費很長的時間。同時，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行討論。一個建筑模型包括很多不同的部分。在開始的時候，我們可以考慮兩個主要方面： (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。每個扶手都屬于一個樓梯。每個內(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樓層。與之相似的是，每一個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)來一起進行建立。例如，一個窗口模型被建造成可以在私人或公共圖書館查到的模型，并且與一個開口相聯(lián)系，而這個開口在數(shù)圖結(jié)構(gòu)中被當(dāng)做一個節(jié)點并且與墻節(jié)點相聯(lián)系，那么任何條款的任何修改都將會傳遞到其它部件，我們不必考慮部件間的相互適應(yīng)問題。以上的方法對于小團體的模型較容易實現(xiàn)。而當(dāng)我們考慮擁有各種樓層和墻的建筑物時，事情會變得復(fù)雜起來。像上述那樣Martini提出，而我們進行過評論的建議在目前看來是不現(xiàn)實的?？雌饋韽母訉嶋H和現(xiàn)實的角度來看，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花費很長時間來實現(xiàn)。 一個更可行的辦法可能是考慮當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)的等級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）。樓層可以由一個根（局部坐標(biāo)系的起點）來確定。樓的Z坐標(biāo)可以在一個單獨的表中保存。對樓層高度的任何修改都會通過這個表自動的傳遞到和樓層相關(guān)的部分。墻壁有Z坐標(biāo)和一個取決于樓層高度和離地高度的高度值。對整個結(jié)構(gòu)的任何改變都可以通過這個表傳遞到作為包含元素和子元素的全局對象的所有樓層。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間。但以上的層次組織將組織傳遞向相反的方向進行。這意味著在建筑物固定部分的結(jié)構(gòu)修改起來會更加方便。通過一些像(b)段描述的友好的界面，對這些部件的修改方式將會得到改善。 參考文獻： [1] R. Hillyard, I. Braid, Analysis of dimensions and tolerances in computer-aided mechanical design, Computer Aided Design 10 _3. _1978. 161–166. [2] R. Light, D. Gossard, Variational Geometry in CAD, Com- puter Graphics, 15 _3. _1981., 1712–177. [3] R. Light, D. Gossard, Modification of geometric models through variational geometry, Computer Aided Design 14 _1982. 4. [4] B. Bru¨derlin, Using Prolog for constructing geometric objects defined by constraints, Proceedings of European Conference on Computer Algebra, 1985. [5] G. Sunde, V. Kallevik, A dimension driven CAD system utilizing AI techniques in CAD. Report no. 860216-1, Senter for Industriforskning, 1987. [6] B. Aldefeld, Variation of geometries based on a geometric- reasoning method, Computer Aided Design 20 _3. _1988. 117–126. [7] D. Roller, A system for interactive variation design, in: J. Wozny _Ed.., Geometric Modeling for Product Engineering, Elsevier, 1989, pp. 207–219. [8] C.M. Hoffmann, R. Juan, E-Rep. An editable high level representation for geometric design and analysis, in: Technical Report CSD-TR-92-055-CAPO Report CER-92-24, Department of Computer Science, Purdue University, 1992. [9] A. Veroust, F. Schonek, D. Roller, Rule oriented method for parametrized computer-aided designs, Computer Aided Design 24 _10. _1992. 531–540.Variational geometry and ? ariatio 附件2：外文資料翻譯原文【附】 10