工程ＣＡＤ中模板技術(shù)的應(yīng)用探討

[摘要]工程設(shè)計(jì)中存在著大量約定俗成的模式。這些設(shè)計(jì)套路是工程設(shè)計(jì)人員多年工程實(shí)踐的積累與體現(xiàn)。其合理有效地應(yīng)用將大大提高設(shè)計(jì)效率。本文根據(jù)工程模板的概念，對(duì)模板的運(yùn)算與性質(zhì)進(jìn)行了分析和討論。并將該研究應(yīng)用于工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。收到了良好的效果。

[關(guān)鍵詞]模板 工程設(shè)計(jì) CAD

工程CAD是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它涉及石油、化工、建筑、紡織、橋梁、公路等眾多領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前，工程CAD技術(shù)有了很大的發(fā)展，許多商品軟件不斷推出，我國(guó)引進(jìn)的國(guó)外工作站版工程設(shè)計(jì)軟件主要有PDMS， Intergraph和CV等；微機(jī)版工程設(shè)計(jì)軟件則有AutoPLANT， Bechtel3DM和CADPIPE等。經(jīng)過二十多年來的發(fā)展，一方面，工程CAD系統(tǒng)不斷吸收計(jì)算機(jī)行業(yè)最新的研究成果，逐漸向著集成化、自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展；另一方面，硬件支撐平臺(tái)中微機(jī)與工作站的區(qū)別逐漸變得模糊，基于微機(jī)的系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，PDMS， Intergraph等軟件紛紛推出了基于Microsoft Windows NT的微機(jī)版本，這一發(fā)展趨勢(shì)必將進(jìn)一步促進(jìn)工廠設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用。但越來越普遍和復(fù)雜化的應(yīng)用要求，給一些傳統(tǒng)的方法和理論帶來了挑戰(zhàn)。

一、模板

在工程設(shè)計(jì)中還有許多問題是目前的設(shè)計(jì)方法不能很好解決的問題。針對(duì)這些問題和工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本文考察了在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的模板技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了工程模板的概念和基于工程模板的工程設(shè)計(jì)方法。

“模板”一詞起源于鑄造。“模”的本義為鑄造器物的模子。“模板”一詞的英文為：template， stencil。Template的英文解釋為：一塊被裁成特定形狀的薄板，用于引導(dǎo)對(duì)金屬、木材、粘土等的裁剪。Stencil的英文解釋為：一塊材料(如紙片、金屬)的內(nèi)部被裁出圖案或字符，通過這些空隙將顏料或墨水涂在紙上形成圖案和字符。可見模板就是一種規(guī)范，是定義某一類事物的標(biāo)準(zhǔn)，這一類事物就依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生、變化，具有一定的約束性。模板從一開始就被應(yīng)用到CAD技術(shù)大行其道的行業(yè)-鑄造、建筑中。在鑄造中，模板用于定義被鑄造器物的形狀，所鑄造的器物全由模板決定；在建筑中，模板構(gòu)造出所要澆筑混凝土的形狀。

二、工程模板

本文將應(yīng)用到工程CAD領(lǐng)域的模板稱為工程模板。為了將工程模板應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先要了解模板的定義和性質(zhì)，下面給出工程模板的定義。

1.工程模板的定義

工程模板是一四元組，Template = .其中，ID是工程模板名，是工程模板的唯一標(biāo)識(shí)，是工程模板所描述事物的類別；Objects是對(duì)象集合，是組成工程模板所描述事物的對(duì)象；Attributes是工程模板所描述事物本身所具有的屬性；Rules是規(guī)則集合，是對(duì)象構(gòu)成模板所刻劃事物必須遵循的規(guī)則和滿足的約束，描述了該工程模板和其它模板進(jìn)行信息交換、支持協(xié)同操作的標(biāo)準(zhǔn)。

2.工程模板的性質(zhì)

(1)類比性。模板是客觀世界中一類事物的標(biāo)準(zhǔn)，分類是模板定義的基礎(chǔ)，只有結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π枰幚淼目腕w加以歸納和總結(jié)，才能最大限度地抽象出它們的共性，才能簡(jiǎn)化模板規(guī)則和屬性的復(fù)雜度。此外，符合工程設(shè)計(jì)習(xí)慣的分類方式也便于設(shè)計(jì)者掌握并正確使用模板。

(2)可解釋性。模板必須能夠被系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地加以處理，這主要體現(xiàn)在約束規(guī)則處理上。模板的分析過程既可以是純解釋性的，也可以固化在模板處理程序之中。純解釋方式具有更大的靈活性，而固化方式則具有更高的運(yùn)行效率，實(shí)際應(yīng)用中通常應(yīng)根據(jù)問題域的性質(zhì)進(jìn)行某種形式的折中。

(3)可實(shí)例化。模板本身是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，必須經(jīng)過實(shí)例化后才能產(chǎn)生出最終的設(shè)計(jì)對(duì)象，對(duì)象的個(gè)體。實(shí)例化的過程就是利用規(guī)則和具體的屬性值作用在模板所包含的對(duì)象上，生成它們的具體描述。

(4)可控制性。模板在實(shí)例化時(shí)，需要獲得規(guī)則和屬性使用的可變參數(shù)值。這些參數(shù)可能是由設(shè)計(jì)者交互輸入的，也可能通過外部過程計(jì)算生成。用戶可以通過控制輸入?yún)?shù)和外部過程來控制模板的實(shí)例化結(jié)果。

(5)可編輯性。模板庫(kù)中的模板數(shù)目不是固定不變的，是可以添加和刪除的。一些模板的屬性和規(guī)則是可被外部定義的、可修改的，否則無法充分體現(xiàn)模板的靈活性。為此，系統(tǒng)一般應(yīng)提供模板的管理機(jī)制。

三、工程CAD和工程模板的結(jié)合

將工程設(shè)計(jì)模板應(yīng)用到工程CAD中，可以很好的解決如下問題：

提高工作效率。模板刻劃事物的共性，將個(gè)體的差異集中到屬性和規(guī)則上來，用戶只需要關(guān)心屬性值和規(guī)則值的變化，就可以處理千差萬別的個(gè)體的設(shè)計(jì)。

解決工程設(shè)計(jì)對(duì)象完備性的要求。利用合理的分類方案建立合理的模板層次，通過繼承性，模板可以覆蓋一種工程設(shè)計(jì)對(duì)象的所有類型；并通過選擇合理的實(shí)現(xiàn)層次，使我們可以提煉出設(shè)計(jì)對(duì)象全面的、合理的和有效的規(guī)則集。

可以解決工程設(shè)計(jì)中復(fù)雜的設(shè)計(jì)對(duì)象。模板通過將復(fù)雜的設(shè)計(jì)對(duì)象分解，建立合理的基本模板和組合模板，通過設(shè)計(jì)組合模板來實(shí)現(xiàn)組合模板的設(shè)計(jì)：或者降低模板的實(shí)現(xiàn)層次，即降低模板的實(shí)現(xiàn)難度和抽象程度，在低層次上提煉設(shè)計(jì)規(guī)則和屬性來完成復(fù)雜對(duì)象的設(shè)計(jì)。

解決工程設(shè)計(jì)對(duì)象擴(kuò)展性的要求。工程模板具有方便的擴(kuò)展功能，能活的對(duì)待新增加的設(shè)計(jì)對(duì)象和設(shè)計(jì)規(guī)則，能靈活的對(duì)待設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工程約束和設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的變更。通過規(guī)則提煉來利用設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和智能，從而很好的體現(xiàn)工程設(shè)計(jì)專家的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)邏輯。提高了系 統(tǒng)的智能化程度

利用工程模板，可以充分考慮復(fù)雜的計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的幾何信息和工程信息的深刻影響。模板描述了使用該模板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所遵循的所有約束和規(guī)則，考慮了所有條件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響和異常情況，因此，利用工程模板進(jìn)行工程設(shè)計(jì)具有高度的自動(dòng)性。

可以響應(yīng)用戶的個(gè)性化要求。一個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象有多個(gè)模板供用戶選擇，同時(shí)系統(tǒng)提供模板管理工具供用戶編輯模板的一些控制條件，并且用戶也可以通過軟件設(shè)計(jì)人員的部分介入來添加新的模板。支持相同和不同專業(yè)模板間的信息交換，從而支持不同專業(yè) CAD系統(tǒng)的集成化。

四、工程CAD中工程模板的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

將工程模板應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中，首先要了解工程模板適合于描述什么樣的工程對(duì)象。從原則上講，工程模板可以描述所有的工程設(shè)計(jì)對(duì)象，但并不是所有的工程設(shè)計(jì)對(duì)象都適合于用工程模板來描述，這需要具體問題具體分析。從上面的研究看到，工程模板適合于處理具有以下特征的設(shè)計(jì)對(duì)象：設(shè)計(jì)對(duì)象本身比較復(fù)雜，類型繁多：沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計(jì)過程充滿經(jīng)驗(yàn)性和不確定性；涉及復(fù)雜的設(shè)計(jì)規(guī)則(包括大量的計(jì)算)，并且規(guī)則難于提煉；應(yīng)用要求不斷變化；并且要求設(shè)計(jì)對(duì)象之間可以互相交換信息。

1.工程模板應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中的步驟

(1)首先需要仔細(xì)分析設(shè)計(jì)對(duì)象的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)需要將設(shè)計(jì)對(duì)象分解成更簡(jiǎn)單的對(duì)象，通過設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的對(duì)象來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜對(duì)象的設(shè)計(jì)。這一過程叫問題域的簡(jiǎn)化，對(duì)工程模板來說，體現(xiàn)在建立組合模板和基本模板，實(shí)現(xiàn)模板的嵌套性。

(2)根據(jù)工程分類建立模板層次。這有兩種分類方式，一種是符合工程設(shè)計(jì)人員習(xí)慣的分類標(biāo)準(zhǔn)，用于用戶在模板管理機(jī)制中對(duì)模板的操作和組織。但這種分類根多的考慮了工程設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣，而不利用對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的共性的抽象，所以第二種分類方式產(chǎn)生了，它是供軟件開發(fā)人員使用的，它的分類標(biāo)準(zhǔn)完全包含前一類分類標(biāo)準(zhǔn)，而且更具描述力。

(3)建立模板的實(shí)現(xiàn)層次，一般來說，實(shí)現(xiàn)層次越高，系統(tǒng)的描述力和概括性越強(qiáng)，但隨之而來的可能是實(shí)現(xiàn)的難度的增大，而且有的層次在現(xiàn)有技術(shù)上是無法實(shí)現(xiàn)的，這時(shí)必須降低實(shí)現(xiàn)層次。實(shí)現(xiàn)層次的選擇需要綜合考慮實(shí)現(xiàn)的難度、系統(tǒng)的描述力、用戶要求的響應(yīng)等多方面因素。

(4)規(guī)則提煉。在實(shí)現(xiàn)層次上對(duì)行業(yè)知識(shí)、設(shè)計(jì)人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)、歸納和提煉，形成規(guī)律性的知識(shí)，構(gòu)成模板中可以被計(jì)算機(jī)解釋的模板規(guī)則。任何設(shè)計(jì)過程都是規(guī)律性與創(chuàng)造性的統(tǒng)一體。工程設(shè)計(jì)是在各種規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)約束之下進(jìn)行的，長(zhǎng)期的工程實(shí)踐也積累下來了大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如何從這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)中抽象出具有共性的特征，并將它們轉(zhuǎn)化成模板的規(guī)則和屬性描述，是構(gòu)造與應(yīng)用工程模板的關(guān)鍵。

(5)判斷模板自身的屬性。根據(jù)自身的需要，決定設(shè)計(jì)對(duì)象自身所體現(xiàn)出的屬性，它可以用來描述自己，也可以用于其他設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行信息交換。

2.基于工程模板的工廠鋼結(jié)構(gòu)建模技術(shù)

在工程CAD中，建模是所有工程都需要的。本文以鋼結(jié)構(gòu)建模來研究基于工程模板的建模技術(shù)。下面所列舉的所有模板均已經(jīng)由PDSOFT鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模型模塊實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的作用和桿件的布置模式不同，鋼結(jié)構(gòu)被分成多種結(jié)構(gòu)類型，如鋼構(gòu)架、樓梯、欄桿、支架、析架、設(shè)備支座等等。一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的模型就是由這些結(jié)構(gòu)類型組合而成的。如圖1所示，該模型中有鋼構(gòu)架、樓梯、欄桿、支架和樓板。本文主要對(duì)鋼構(gòu)架、支架的結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行探討。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)模型

(1)鋼構(gòu)架

鋼構(gòu)架是鋼結(jié)構(gòu)最基本的形式，它是一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)中的主體和不可或缺的結(jié)構(gòu)，其它結(jié)構(gòu)將依附于它。實(shí)際上，其它的結(jié)構(gòu)類型都是鋼構(gòu)架的變體。鋼構(gòu)架是用戶通過輔助工具，一根桿件一根桿件搭建起來的，而其它結(jié)構(gòu)是用戶通過選擇一定的樣式和定義一些參數(shù)來完成建模的。如支架用戶需要選擇支架的樣式、型鋼等，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成用戶所需要的結(jié)構(gòu)，而不需要用戶一根桿件一根桿件的去選，去操作。

<鋼構(gòu)架模型模板>：：=<鋼構(gòu)架模型><鋼構(gòu)架_對(duì)象部分><鋼構(gòu)架_屬性部分><鋼構(gòu)架_規(guī)則部分>

<鋼構(gòu)架_對(duì)象部分)：：=<桿件>

<鋼構(gòu)架_屬性部分>：：=

<鋼構(gòu)架_規(guī)則部分>：：=

<桿件模板>：：<桿件><桿件_對(duì)象部分><桿件_屬性部分><桿件_規(guī)則部分>

<桿件_對(duì)象部分>：：=<型鋼>

<桿件_屬性部分>：：=<桿件類型><世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)><加工特征>

<桿件_規(guī)則部分>：：=<.··…>

桿件的規(guī)則主要包括位置規(guī)則和交換規(guī)則，碰撞的處理是在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中進(jìn)行的，同時(shí)生成了桿件的加工特征。桿件沒有形狀和操作規(guī)則。桿件的計(jì)算規(guī)則，是整個(gè)模型一起進(jìn)行的內(nèi)力分析，通過專門的SAP軟件進(jìn)行，所以在模板中不單獨(dú)列出。桿件的位置規(guī)則，即桿件在世界坐標(biāo)系中的起點(diǎn)和終點(diǎn)是由用戶輸入的。桿件的交換規(guī)則描述了桿件布置中必須滿足的工程約束和型鋼端面匹配問題。例如對(duì)于一般鋼構(gòu)架，十字形組合型鋼是不能做柱的；當(dāng)槽鋼作為梁時(shí)，它的凹面是不能朝上的：當(dāng)角鋼作為柱時(shí)，梁不能是工字型鋼等等諸如此類的工程約束。

(2)支架

支架在鋼構(gòu)架中一般布置在結(jié)構(gòu)的外圍，用于鋪樓板或架管道等。支架主要有兩種形式：三角支架和懸臂支架。

<支架模型模板>：：=<支架模型><支架_對(duì)象部分><支架_屬性部分><支架_規(guī)則部分>

<支架_對(duì)象部分>：：=<支架柱><支架梁><支架撐>

<支架_屬性部分>：：=<支架類型>

<支架_規(guī)則部分>：：=<.··…>

<支架類型>：：=<三角支架>|<懸臂支架>

支架模板中的對(duì)象都屬于桿件范疇，只是名稱不同而已。支架的位置規(guī)則分成兩部分，一部分是由支架類型隱含決定的；另一部分是指在支架梁上布置的邊梁的位置要求。支架的形狀規(guī)則主要是指支架梁、支架撐和邊梁可以采用的型鋼類型。支架的其它規(guī)則與鋼構(gòu)架相同。

五、結(jié)論

本文在分析了工程CAD技術(shù)、軟件，工程模板的定義和性質(zhì)的基礎(chǔ)之上，提出了基于工程模板的工程CAD方法。并將工程模板應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)問題的特點(diǎn)提出建立模板層次、分解問題，最后在實(shí)現(xiàn)層次上提煉出工程對(duì)象的設(shè)計(jì)規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)和需要響應(yīng)的用戶要求。總之，基于工程模板的工程設(shè)計(jì)方法的發(fā)展同樣需要更多的人、在更廣泛的領(lǐng)域中去進(jìn)行更深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴肖鋒.基于擴(kuò)展圖與多態(tài)模型的工程CAD建模技術(shù)研究.中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所博士學(xué)位論文，2000.

[2]李啟炎.工程CAD.機(jī)械工業(yè)出版社[M].1995，12.

(作者單位：重慶電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院)