数字化设计技术的研究与应用

数字化设计技术的研究与应用

北京中交跨世纪工程技术有限公司袁国平

本文摘要：

数字化设计技术是从计算机辅助绘图(Computer Aided Drawing) 发展到计算机辅助设计(Computer Aided Design)的核心技术，是当今CAD的发展方向，数字化技术在桥梁CAD 中的应用在我国属于开创性`的技术实践，其“面向设计、面向桥梁、面向工程”的先进思想将改变桥梁设计的工作模式，大幅度提升桥梁设计效率和设计质量。本文介绍了数字化设计技术的核心内涵和关键技术，并着重介绍了数字化设计技术在桥梁大师2006中的应用。

一、数字化设计技术是桥梁ＣＡＤ软件的发展方向

CAD技术是提升桥梁设计水平和效率的关键技术之一。我国在桥梁设计中采用CAD技术始于20世纪70年代中后期，首先是用CAD绘图软件替代了在图板上的手工绘图，实现了图纸的电子化；而后，一些科研所、高校、设计院等开发了不同功能的桥梁自动出图和结构计算软件，初步实现了桥梁主要构件的参数出图和计算。这些软件工具的应用，为我国桥梁设计水平和效率的提高起到了很大的推动作用。但由于这些软件主要是面向桥梁构件的出图和计算，数据输入量大，重复输入很多，模块之间难以实现数据传递，从而导致出错率高、效率较低、适应性差、标准化程度低，难以对桥梁的整个设计提供优化设计、方案比选、变更设计，因此，这些软件大多只能作为桥梁设计的辅助出图或计算工具，难以成为对桥梁设计的全过程进行辅助设计和管理的软件系统。

回顾整个CAD技术和软件的发展过程，CAD技术经历了二维绘图、线框模型+表面模型、实体造型、三维参数化设计、变量化设计几个阶段，从二维绘图到三维参数化设计主要解决了设计对象的几何图形生成问题，90年代出现的变量化设计技术，不仅解决了设计对象的图形问题，还解决了设计对象的实际工程含义的处理问题。变量化设计技术是以设计对象的三维几何信息为基础，溶入了设计对象的实际工程意义的描述、装配关系的描述、功能的描述、材料的描述等等，因此其设计模型具备了设计对象完整的数字化信息，其功能具备了面向设计对象的实际功能要求的数字化处理，因此，我们也将这一阶段的

CAD软件称之为数字化设计系统。目前，变量化设计技术已成为国际上知名品牌CAD系统的核心技术，如CATIA、UG、Pro/E、SolidWork等产品已全部是基于该技术的CAD系统，变量化设计技术已成为CAD产品的行业标准。

相比制造业CAD软件的发展，公路行业的CAD技术应用和软件产品的开发稍显落后，我国目前的公路CAD软件主要还停留在参数化出图和提供专业辅助工具上。其主要原因是因为这些软件采用的软件技术还比较落后，侧重于解决设计对象的图形表示和生成，未能完整的描述工程设计对象的实际意义，因此也不能用工程对象的真实含义去解决工程对象的设计问题。

结合目前CAD技术的发展趋势和我国公路CAD的发展现状，本人认为，以实际工程设计对象建立工程对象的完整数字化模型，提供符合工程要求的数字化处理工具，是解决目前桥梁CAD存在问题的关键，数字化设计技术是桥梁CAD软件发展的必然趋势。

二、数字化设计技术的内涵

1．数字化设计技术的概念

随着软件技术的发展，计算机处理的已不仅仅是文字或图形，更多的信息如声音、图象、动画等多媒体信息已可以同时处理和管理，而对于一个工程设计对象，要完整描述它也远远不仅仅是它的几何图形，还需要描述它的装配关系、材料特征、功能特征等等，这些信息在计算机中可统称为数字信息，我们把用数字信息描述的工程对象称之为对象的数字化模型。有了数字化模型，还必须提供对这些数字信息的处理方法。数字模型加上数字化处理方法，就是数字化设计的基本概念。

面向对象设计技术是20世纪80年代的一项重大软件技术发展，这项技术应用到CAD领域就是特征设计技术(Feature Modeling)，所谓特征就是指工程设计对象的数字化信息，因此可以说，特征设计是数字化设计的核心内容。

2．工程对象的数字化特征

对不同的应用领域，设计人员面向的设计对象是不同的，因此描述对象所需要的特征信息也是不同的。对于桥梁设计对象，一般应该描述以下工程特征：

a)几何特征

用于描述设计对象的几何构造信息，一般用三维数据表示。

b)装配特征

描述各特征之间的几何拓扑关系，组成整个特征模型的装配关系。

c)功能特征

描述各特征在工程中的实际作用，以形成特征的功能约束。

d)材料特征

描述特征的材料属性，如混凝土标号、配筋信息等，以形成构件的物

理特征，为材料汇总及结构计算提供原始资料。

3．工程对象的数字化操作

有了对工程对象的特征化描述，必须提供相应的特征设计工具，通过这些设计工具来实现对特征的定义、修改、删除、查询、管理等操作。常用的特征设计工具有：

a)特征的参数化设计

参数化设计是数字化设计的基础，通过参数化设计，利用数字模型的几何特征、装配特征、功能特征等，实现对整个特征几何构造的修改，

从而完成工程特征的方案设计、变更和图纸出版等。

b)特征库的维护和使用

形成参数化、标准化的工程特征库，为重复性的工程设计提供大量实践积累下来的设计数据和图纸资料，可极大地提供设计效率，保证设计

质量。

c)基于专业知识的智能化、自动化设计

将专业知识溶入到工程对象中，用专业设计方法来约束工程对象的设计修改，既能使很多的设计自动化、智能化，又能确保设计符合实际工

程的要求。

三、数字化技术在桥梁ＣＡＤ中的应用

桥梁设计工作在整个公路建设中占有重要的位置，其工作量大，难度较高，如何保证设计的质量，如何提高设计的效率，是各设计单位迫切希望解决的问题。以往的桥梁CAD提供了构件的计算工具和出图工具，减轻了设计人员部分出图计算的工作，但这些软件一般只考虑了构件的成图或计算，不考虑构件之间的装配特征，不记录构件的功能特征、材料特征等，因此不可能实现构件之间的关联设计，不可能实现整座桥、整个工程的优化设计、标准化设计。

针对实际工程的需要，针对以往桥梁CAD软件存在的问题，根据软件技术和CAD技术的发展，我们开发了采用全新思想---数字化设计技术的桥梁CAD 系统—桥梁大师2006。该系统建立了实际工程设计对象的完整特征，从而构成了整个桥梁的完整数字化模型，并提供了大量的“即改即现”式交互修改手段，溶入实际工程设计知识，使用户可以方便快捷地完成桥梁的方案设计、变更设计等，并自动完成图纸的出版、工程量的统计等工作。以下介绍的是该系统的核心构架、思想和关键技术。

1．基于数字化设计技术的桥梁ＣＡＤ系统构架

系统结构方案图

系统采用以上构架，其核心是特征建模模块和后台数据库。有了全桥的数字化特征模型及专业数据和知识库，桥梁设计全过程的相关工作就可轻松完成。

2．数字化桥梁ＣＡＤ关键技术

a) 数字化设计技术

采用先进的特征设计技术，以实际的工程对象（如盖梁、墩台、锥坡等）为设计单元，建立整座桥的数字化特征模型，通过特征对象树和特征属性表可方

便地完成整座桥梁的详细方案设计，并且提供“即改即现”的交互手段和自动套用标准图的批量化设计手段真正实现面向桥梁、面向工程的数字化设计。

面向工程、面向整个桥梁的设计思路使ＣＡＤ的应用从图纸的参数化走向了设计的数字化，“即改即现”的交互式设计及套用标准图的设计方法为一座桥及整条线路上桥的批量化设计提供了快捷的设计手段。设计越多，积累越多，设计工作量就会大大减少，设计效率明显提高。

数字化设计

b) 全关联设计技术

以数字化的桥梁模型为基础，全桥的构造数据采用统一的数据模型，不需要重复的数据输入，构造图与桥梁模型的数据完全关联，桥梁模型的变更会自动影响到相关的构造图，大大方便了变更设计，同时桥梁模型完成之后，能自动完成特征点的坐标和高程的计算、设计参数的分类汇总、布梁设计和构造的自动更新以及全桥的工程量汇总，避免了手工计算和更改，从而保证了更好的设计质量。

关联影响模型

c) 智能化设计技术

采用与手工设计相似的流程，通过定制或采用系统自带上部通用图和下部通用图的方式，自动完成全线桥梁的方案设计。系统可导入常用的路线软件形成的路线资料，根据桥梁的基本信息，自动选择合适的上部通用图和下部通用图，再根据指定的工程配置参数，自动生成桥梁设计模型，从而实现了面向工程（面向全线）的自动化、批量化设计。桥梁模型建立后，系统还可自动提取模型的设计参数，对图纸进行分类汇总，自动生成一般构造图、钢筋构造图、桥位平面图等；自动进行布梁设计，根据布梁模型自动影响桥梁模型和相关的图纸；系统还可自动生成桩位坐标表、高程尺寸表、支座高程和位置表等，自动汇总全桥和全线桥梁的工程数量。自动化设计避免了数据的重复输入，大大减少了出错几率，并且大幅度地提高了设计效率。本系统采用的自动化设计技术，不仅仅是图形生成的自动化，而且是设计的自动化。自动化是智能化技术的具体表现，正是由于本系统采用了数字化的桥梁特征模型，让计算机更多地知道了工程师的实际设计意图，加上本系统配备了丰富的专业数据和图纸库，内置完备的桥梁设计知识，使得系统可智能化、自动化地完成部分设计和图纸出版。

d) 标准化设计技术

该系统完全嵌入了交通部新颁上部通用图，并提供完善的上部通用图管理系统。桥梁设计中可自动套用相关的上部通用图的设计资料，自动提取相关的上部图纸、计算资料、材料数量等等，从而保证了桥梁上部的设计标准化。系统还提供了丰富的下部通用图，用户也可根据本单位的要求定制自己的下部通用图，桥梁设计中系统自动套用合适的下部通用图，从而也保证了桥梁下部的设计标准化。系统的出图规范符合部颁标准，也可按用户要求定制。图纸的标准化、设计流程的标准化规范了整个设计工作，保证了设计质量，也更利于设计效率的提高。

四、结论

数字化设计技术是当今CAD系统的技术核心，是从计算机辅助绘图（Computer Aided Drawing）发展到计算机辅助设计（Computer Aided Design）的关键技术。我们将这一技术应用到公路桥梁计算机辅助设计中，是一次创新性的技术实践，也是符合目前我国实际工程需要的。桥梁大师2006在江西省交通设计院、湖南省交通规划勘察设计院、广西省交通规划院等甲级设计院得到了普遍应用，已完成了数十个工程项目，应用证明：数字化桥梁设计思想符合工程的实际需求，采用这一技术真正实现了桥梁设计的关联化设计、智能化设计和标准化设计，从而大大提高了桥梁设计的效率，方便推行桥梁设计的标准化，提升了设计质量。