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

2、技術之一。我國在橋梁設計中采用CAD技術始于20世紀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，實現了圖紙的電子化；而后，一些科研所、高校、設計院等開發了不同功能的橋梁自動出圖和結構計算軟件，初步實現了橋梁主要構件的參數出圖和計算。這些軟件工具的應用，為我國橋梁設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件的出圖和計算，數據輸入量大，重復輸入很多，模塊之間難以實現數據傳遞，從而導致出錯率高、效率較低、適應性差、標準化程度低，難以對橋梁的整個設計提供優化設計、方案比選、變更設計，因此，這些軟件大多只能作為橋梁設計的輔助出圖或計算工具，難以成為對橋梁

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

4、為數字化設計系統。目前，變量化設計技術已成為國際上知名品牌CAD系統的核心技術，如CATIA、UG、Pro/E、SolidWork等產品已全部是基于該技術的CAD系統，變量化設計技術已成為CAD產品的行業標準。相比制造業CAD軟件的發展，公路行業的CAD技術應用和軟件產品的開發稍顯落后，我國目前的公路CAD軟件主要還停留在參數化出圖和提供專業輔助工具上。其主要原因是因為這些軟件采用的軟件技術還比較落后，側重于解決設計對象的圖形表示和生成，未能完整的描述工程設計對象的實際意義，因此也不能用工程對象的真實含義去解決工程對象的設計問題。結合目前CAD技術的發展趨勢和我國公路CAD的發展現狀，本人認為

5、，以實際工程設計對象建立工程對象的完整數字化模型，提供符合工程要求的數字化處理工具，是解決目前橋梁CAD存在問題的關鍵，數字化設計技術是橋梁CAD軟件發展的必然趨勢。二、 數字化設計技術的內涵1數字化設計技術的概念隨著軟件技術的發展，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系、材料特征、功能特征等等，這些信息在計算機中可統稱為數字信息，我們把用數字信息描述的工程對象稱之為對象的數字化模型。有了數字化模型，還必須提供對這些數字信息的處理方法。數字模型加上數字

6、化處理方法，就是數字化設計的基本概念。面向對象設計技術是20世紀80年代的一項重大軟件技術發展，這項技術應用到CAD領域就是特征設計技術(Feature Modeling)，所謂特征就是指工程設計對象的數字化信息，因此可以說，特征設計是數字化設計的核心內容。2工程對象的數字化特征對不同的應用領域，設計人員面向的設計對象是不同的，因此描述對象所需要的特征信息也是不同的。對于橋梁設計對象，一般應該描述以下工程特征：a) 幾何特征用于描述設計對象的幾何構造信息，一般用三維數據表示。b) 裝配特征描述各特征之間的幾何拓撲關系，組成整個特征模型的裝配關系。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，如混凝土標號、配筋信息等，以形成構件的物理特征，為材料匯總及結構計算提供原始資料。3工程對象的數字化操作 有了對工程對象的特征化描述，必須提供相應的特征設計工具，通過這些設計工具來實現對特征的定義、修改、刪除、查詢、管理等操作。常用的特征設計工具有：a) 特征的參數化設計參數化設計是數字化設計的基礎，通過參數化設計，利用數字模型的幾何特征、裝配特征、功能特征等，實現對整個特征幾何構造的修改，從而完成工程特征的方案設計、變更和圖紙出版等。b) 特征庫的維護和使用形成參數化、標準化的工程特征庫，為重復性的工程設計提供大量實踐積累下來的設計數據和圖

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

9、能實現整座橋、整個工程的優化設計、標準化設計。 針對實際工程的需要，針對以往橋梁CAD軟件存在的問題，根據軟件技術和CAD技術的發展，我們開發了采用全新思想-數字化設計技術的橋梁CAD系統橋梁大師2006。該系統建立了實際工程設計對象的完整特征，從而構成了整個橋梁的完整數字化模型，并提供了大量的“即改即現”式交互修改手段，溶入實際工程設計知識，使用戶可以方便快捷地完成橋梁的方案設計、變更設計等，并自動完成圖紙的出版、工程量的統計等工作。以下介紹的是該系統的核心構架、思想和關鍵技術。1基于數字化設計技術的橋梁系統構架系統采用以上構架，其核心是特征建模模塊和后臺數據庫。有了全橋的數字化特征模型及專

10、業數據和知識庫，橋梁設計全過程的相關工作就可輕松完成。2數字化橋梁關鍵技術a) 數字化設計技術采用先進的特征設計技術，以實際的工程對象（如蓋梁、墩臺、錐坡等）為設計單元，建立整座橋的數字化特征模型，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計，并且提供“即改即現”的交互手段和自動套用標準圖的批量化設計手段真正實現面向橋梁、面向工程的數字化設計。面向工程、面向整個橋梁的設計思路使的應用從圖紙的參數化走向了設計的數字化，“即改即現”的交互式設計及套用標準圖的設計方法為一座橋及整條線路上橋的批量化設計提供了快捷的設計手段。設計越多，積累越多，設計工作量就會大大減少，設計效率明顯提高。

11、b) 全關聯設計技術以數字化的橋梁模型為基礎，全橋的構造數據采用統一的數據模型，不需要重復的數據輸入，構造圖與橋梁模型的數據完全關聯，橋梁模型的變更會自動影響到相關的構造圖，大大方便了變更設計，同時橋梁模型完成之后，能自動完成特征點的坐標和高程的計算、設計參數的分類匯總、布梁設計和構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計質量。c) 智能化設計技術采用與手工設計相似的流程，通過定制或采用系統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計。系統可導入常用的路線軟件形成的路線資料，根據橋梁的基本信息，自動選擇合適的上部通用圖和下部通用圖，再根據指定

12、的工程配置參數，自動生成橋梁設計模型，從而實現了面向工程（面向全線）的自動化、批量化設計。橋梁模型建立后，系統還可自動提取模型的設計參數，對圖紙進行分類匯總，自動生成一般構造圖、鋼筋構造圖、橋位平面圖等；自動進行布梁設計，根據布梁模型自動影響橋梁模型和相關的圖紙；系統還可自動生成樁位坐標表、高程尺寸表、支座高程和位置表等，自動匯總全橋和全線橋梁的工程數量。自動化設計避免了數據的重復輸入，大大減少了出錯幾率，并且大幅度地提高了設計效率。本系統采用的自動化設計技術，不僅僅是圖形生成的自動化，而且是設計的自動化。自動化是智能化技術的具體表現，正是由于本系統采用了數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計意圖，加上本系統配備了豐富的專業數據和圖紙庫，內置完備的橋梁設計知識，使得系統可智能化、自動化地完成部分設計和圖紙出版。d) 標準化設計技術該系統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。橋梁設計中可自動套用相關的上部通用圖的設計資料，自動提取相關的上部圖紙、計算資料、材料數量等等，從而保證了橋梁上部的設計標準化。系統還提供了豐富的下部通用圖，用戶也可根據本單位的要求定制自己的下部通用圖，橋梁設計中系統自動套用合適的下部通用圖，從而也保證了橋梁下部的設計標準化。系統的出圖規范符合部頒標準，也可按用戶要求定制。圖紙的標準化、設計流程的標準化規范了整個設計工作，保證了設計質量，也更利于設計效率的提高。四、 結論數字化設計技術是當今CAD系統的技術核心，是從計算機輔助繪圖（Computer Aided Drawing）發展到計算機輔助設計（Computer Aided Design）的關鍵技術