李光全 童思遠(yuǎn) 任明杰

【摘 要】文章主要介紹了Top-down設(shè)計(jì)（至頂向下的設(shè)計(jì)方法）在建筑鋁模板行業(yè)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)思想和具體應(yīng)用。以某一項(xiàng)目的樓梯為研究對(duì)象，運(yùn)用Creo軟件對(duì)樓梯進(jìn)行參數(shù)化、模塊化的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：此設(shè)計(jì)方法能夠有效地對(duì)鋁模進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，縮短鋁模的設(shè)計(jì)周期，并為其他項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】Creo;Top-down;參數(shù)化;模塊化;鋁模設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】TU755.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）02-0053-03

0 引言

鋁模板作為新興模板行業(yè)的翹楚，在高層住宅的施工中越來越受到青睞。鋁合金模板作為一種可循環(huán)使用材料，它具有施工進(jìn)度快、施工質(zhì)量高、性能穩(wěn)定、施工安全、周轉(zhuǎn)次數(shù)高、不產(chǎn)生建筑垃圾及人工和材料成本低等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的鋁模BIM設(shè)計(jì)使用的軟件工具一般是歐派克公司的Revit或者是達(dá)索公司的Solid Works等，使用這類軟件的設(shè)計(jì)是自下而上的，即在深化圖紙的基礎(chǔ)上通過各種標(biāo)板與非標(biāo)板及異型件的組合，實(shí)現(xiàn)配模、施工的目的。這種傳統(tǒng)的方式存在以下弊端。

（1）傳統(tǒng)的鋁模深化設(shè)計(jì)一般使用AUTO-CAD軟件，在配模時(shí)要求設(shè)計(jì)人員對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的情況有一定的經(jīng)驗(yàn)，依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和三維想象能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題很難發(fā)現(xiàn)，出圖質(zhì)量難以保證。

（2）配模效率低下，只能通過人手工方式進(jìn)行配模，即便使用自動(dòng)配模的方式，也仍然需要人手工修改。

（3）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一般是小組配模，4～5人分工合作設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)完成后，通常情況下為了保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率需要進(jìn)行自檢、互檢、交接檢查，而CAD數(shù)據(jù)交互困難、不直觀;需要大量的時(shí)間、精力。

（4）面對(duì)設(shè)計(jì)變更，修改已經(jīng)裝配好的模板時(shí)需要逐個(gè)操作，低效且不符合設(shè)計(jì)的習(xí)慣。

（5）面對(duì)新項(xiàng)目，即便有類似的結(jié)構(gòu)，也需要重新配模，無法做到同步更新;在設(shè)計(jì)過程中，需要頻繁地修改模板設(shè)計(jì)尺寸，無法做到自上而下的自動(dòng)變更。

（6）需要預(yù)拼裝工序的配合，在預(yù)拼裝過程中將傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)不能解決的配孔問題或者壓槽安裝問題等解決后方可打包入庫。一般來說，預(yù)拼裝的周期為一周，這無疑又增加了整體項(xiàng)目完成的時(shí)間。使用三維設(shè)計(jì)，可以減少預(yù)拼裝時(shí)間，拼裝工序只需要將物料整理過后打包即可。

為了減少以上傳統(tǒng)配模方式的弊端，提高工作效率、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，目前越來越多的鋁模板廠家選擇使用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。市場(chǎng)上針對(duì)鋁模板開發(fā)的三維軟件也越來越多，比如基于PKPM平臺(tái)開發(fā)的PKPM鋁模板和基于Revit平臺(tái)開發(fā)的“神機(jī)妙算”等軟件，在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了所見即所得。首先在軟件中建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，這些標(biāo)準(zhǔn)件品種規(guī)格繁多，性能用途各異，而且標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度極高[1];然后通過鋁模板深化圖紙生成三維建筑模型后，根據(jù)設(shè)計(jì)人員分工的不同將三維建筑模型上不同的節(jié)點(diǎn)分配給不同的設(shè)計(jì)人員。設(shè)計(jì)人員通過標(biāo)準(zhǔn)件庫直接在三維模型中配置標(biāo)準(zhǔn)件庫中的鋁模板。

標(biāo)準(zhǔn)件直接通過參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免了構(gòu)件尺寸誤標(biāo)出現(xiàn)的問題。在使用三維軟件的前提下，對(duì)于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，大大降低了設(shè)計(jì)難度，提升了設(shè)計(jì)速度。每一塊鋁模板都可以在建筑模型上體現(xiàn)，展示成型結(jié)構(gòu)效果;設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題也可以直觀地在模型中表現(xiàn)出來，同時(shí)三維設(shè)計(jì)軟件帶有碰撞檢測(cè)和缺漏檢查的功能，減少了自檢、互檢、交接檢查的時(shí)間。在這種情況下，配模設(shè)計(jì)的效率、準(zhǔn)確率都得到了極大的提升。一般傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一棟2 000 m2的樓房需要一個(gè)小組4個(gè)人7 d的時(shí)間才能完成，后續(xù)還需要進(jìn)行預(yù)拼裝，用來驗(yàn)證設(shè)計(jì)錯(cuò)誤是否發(fā)生;而在三維設(shè)計(jì)下，同樣的面積只需要2個(gè)人3.5 d的時(shí)間就可以完成，提升了工作效率，同時(shí)準(zhǔn)確率也得到了極大的提升。同時(shí)，三維設(shè)計(jì)軟件是專門針對(duì)鋁模板設(shè)計(jì)平臺(tái)開發(fā)的，在面積計(jì)算、加工圖導(dǎo)出等方面更加方便。

本研究將介紹如何利用Creo軟件對(duì)鋁模進(jìn)行三維化、立體化的表達(dá);通過建立以某項(xiàng)目的樓梯反三步的骨架模型，對(duì)鋁模板進(jìn)行模塊化、參數(shù)化的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到滿意的設(shè)計(jì)效果。

1 模塊化分析

在一般的住宅項(xiàng)目中，樓梯通常為雙跑樓梯，這是應(yīng)用最為廣泛的一種形式，其在兩個(gè)樓板層之間，包括兩個(gè)平行而方向相反的梯段和一個(gè)中間休息平臺(tái)。通過分析可將雙跑樓梯分為休息平臺(tái)、反三步、梯梁與梯段交接處等模塊，本研究選擇反三步作為一個(gè)模塊單獨(dú)分析和進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要思想，參數(shù)化設(shè)計(jì)是以變量參數(shù)、約束關(guān)系和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖的設(shè)計(jì)方法[2];它分為兩個(gè)部分：參數(shù)化的圖元和修改的參數(shù)化。在鋁模設(shè)計(jì)中，不同的構(gòu)件是以圖元或者特征的形式存儲(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)件庫中，這些構(gòu)件通過調(diào)整不同的參數(shù)區(qū)別構(gòu)件類型。修改的參數(shù)化可以通過修改參數(shù)使圖元或者特征的修改快速傳遞到其他相關(guān)文檔。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是Creo重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的設(shè)計(jì)理念。參數(shù)是參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心概念，在一個(gè)模型中，參數(shù)是通過尺寸的形式體現(xiàn)的。參數(shù)化設(shè)計(jì)的突出優(yōu)點(diǎn)在于可以通過變更參數(shù)的方法修改設(shè)計(jì)意圖。

在鋁模設(shè)計(jì)的初期，構(gòu)件的形狀和尺寸存在一定的模糊性，可能需要在整體設(shè)計(jì)完成后再逐步確認(rèn)尺寸;這就希望構(gòu)件的形狀、尺寸有著一定的柔性，方便修改。由此引出另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)思想——Top-down設(shè)計(jì)，又稱自頂向下設(shè)計(jì)，是一種從總體設(shè)計(jì)到局部設(shè)計(jì)的過程和方法[3];它需要的設(shè)計(jì)水平較高，需要先確定設(shè)計(jì)的總思路，建立布局或者骨架模型，在骨架模型中確定各零件的各種參數(shù)，再通過發(fā)布幾何的方式，將各個(gè)零件參數(shù)傳遞到零件當(dāng)中，從而完成一個(gè)設(shè)計(jì)流程。

在此實(shí)例中，首先應(yīng)該分析能夠參數(shù)化的特征，然后根據(jù)特征建立參數(shù)，根據(jù)參數(shù)建立參數(shù)化草繪，參數(shù)化的草繪表示出構(gòu)件的幾何約束。幾何約束包括平行、垂直、相切、對(duì)稱和相關(guān)的尺寸。除了幾何約束，還有邏輯約束即不同尺寸之間的約束關(guān)系，通過定義尺寸變量及不同尺寸在數(shù)值和邏輯上的關(guān)系。

建立了參數(shù)化的草繪，再通過拉伸旋轉(zhuǎn)等特征最后產(chǎn)生參數(shù)化的模型。生成的模型能夠隨時(shí)根據(jù)不同項(xiàng)目的需求進(jìn)行更改，在更改時(shí)只需要更改不同的參數(shù)即可同時(shí)生成適應(yīng)于不同項(xiàng)目的三維骨架模型。將特征快速地傳遞到組裝圖中，從而實(shí)現(xiàn)鋁模的自動(dòng)設(shè)計(jì)和裝配。

2.1 參數(shù)的確立

通過分析確認(rèn)相關(guān)參數(shù)，并在布局中指定參數(shù)并將其聲明到反三步組件當(dāng)中（見表1）。

Layout（布局）需要設(shè)計(jì)者對(duì)整機(jī)或者模型有著清晰的認(rèn)識(shí)，能夠提前規(guī)劃好每一個(gè)零件間相互的尺寸關(guān)系與裝配關(guān)系;以前是在圖紙上表達(dá)裝配關(guān)系。現(xiàn)在是由計(jì)算機(jī)體現(xiàn)，并且與繪制的整機(jī)模型相關(guān)。Layout（布局）其實(shí)就是參數(shù)的傳遞。與在單個(gè)零件里建立參數(shù)的效果是類似的，只是在單個(gè)零件里面的自定義的參數(shù)只能在本零件中使用，而Creo的布局里自定義的參數(shù)則可以在不同的零件/組件里使用，對(duì)設(shè)計(jì)者而言，布局就相當(dāng)明了且直觀。

Layout（布局）提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的草繪環(huán)境，方便讓設(shè)計(jì)師在做頂層設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)設(shè)每個(gè)零件的裝配關(guān)系和約束條件;實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配的功能;不必再為新裝配的零件選擇約束條件和裝配關(guān)系而煩惱。

如果要修改零件，也只需要打開所繪制的Layout文件，將特定的參數(shù)進(jìn)行修改，就能自動(dòng)將更改的地方傳遞到零件或組件中，大大提高了零件變更流程的效率。

在Layout文件中，我們可以通過繪制簡(jiǎn)單的外形表示構(gòu)件，也可以建立表格表達(dá)構(gòu)件。即便是建立外形，這些形狀也是為了能夠讓其他設(shè)計(jì)師明白設(shè)計(jì)意圖，并不是必需的，也就是說，是可以不繪制的，真正起到?jīng)Q定性作用的是表格中表達(dá)的參數(shù)。

2.2 參數(shù)化模型的建立

在傳統(tǒng)的大型設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)中，通常采用骨架模型的設(shè)計(jì)，這是一種典型的自頂而下的設(shè)計(jì)思想。所謂的骨架模型，是由一些沒有質(zhì)量屬性的基準(zhǔn)要素組成，比如基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)坐標(biāo)系、基準(zhǔn)曲線和曲面;骨架模型一般按照每個(gè)零部件在空間中的靜態(tài)位置或者是按照運(yùn)動(dòng)時(shí)的特定的相對(duì)位置而繪制，相當(dāng)于形成產(chǎn)品裝配的整體框架。設(shè)計(jì)好骨架模型之后，通過發(fā)布幾何—復(fù)制幾何的方式，將繪制好的曲面和相關(guān)基準(zhǔn)導(dǎo)入零件中，再在組件中將指定的零部件以默認(rèn)組裝的方式裝配。如果后期不同的設(shè)計(jì)師需要不同的參考時(shí)，可以將所需的參考加入發(fā)布幾何中，增加的參考就可直接傳遞到指定零件中。

建立的骨架模型可以在多個(gè)裝配組件中使用，這對(duì)團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)十分適合。骨架模型會(huì)捕捉并定義設(shè)計(jì)目的和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，可以使設(shè)計(jì)者將必要的設(shè)計(jì)信息從一個(gè)子系統(tǒng)或裝配傳遞至另一個(gè)子系統(tǒng)或裝配。對(duì)骨架所做的任何更改也會(huì)更改與其有關(guān)聯(lián)的元件。研究人員在已經(jīng)建立的反三步模型的骨架的基礎(chǔ)上進(jìn)行配模，建立包括反三步的側(cè)板、踏步板、梁底板、折板及異形“C”槽的模型曲面（如圖1所示）。

將骨架模型中的各個(gè)曲面、基準(zhǔn)通過復(fù)制幾何復(fù)制到零件中，并根據(jù)實(shí)際需求在導(dǎo)入的鋁型材上打孔或者焊接加強(qiáng)筋等生成帶有質(zhì)量參數(shù)的實(shí)體（復(fù)制幾何即復(fù)制所需元件的曲面、面組或是其參考，然后通過缺省到默認(rèn)坐標(biāo)系的方式導(dǎo)入零件中）。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)修改的時(shí)候，骨架中的參數(shù)或者設(shè)計(jì)意圖的變更可以直接傳遞到零件實(shí)體當(dāng)中，帶動(dòng)質(zhì)量屬性的變化，從而驅(qū)動(dòng)其工程圖產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這樣就減少了在生產(chǎn)活動(dòng)中因設(shè)計(jì)的變化導(dǎo)致工程圖沒及時(shí)更新，從而避免出現(xiàn)做錯(cuò)零件尺寸的現(xiàn)象。

完成反三步的設(shè)計(jì)后，Creo即可依據(jù)鋁模設(shè)計(jì)的規(guī)劃進(jìn)行變更。當(dāng)設(shè)計(jì)變更或者設(shè)計(jì)意圖變更涉及多個(gè)零件的尺寸或者位置狀態(tài)時(shí)可在骨架模型上進(jìn)行相應(yīng)的修改，設(shè)計(jì)變更或者設(shè)計(jì)意圖的變更將直接反映在工程圖上。當(dāng)新的項(xiàng)目建立需要新的反三步模型時(shí)，可以通過修改布局中的參數(shù)的值直接修改反三步骨架模型。當(dāng)布局或者骨架模型變動(dòng)后，反三步組件也會(huì)自動(dòng)再生，同時(shí)將新的數(shù)據(jù)傳遞到實(shí)體模型和工程圖中，這時(shí)設(shè)計(jì)人員只需要更新實(shí)體及工程圖就可以完成新項(xiàng)目反三步模塊的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

本研究以雙跑樓梯的反三步模塊為例，簡(jiǎn)單闡述了Top-down設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法，介紹了模塊化、參數(shù)化的設(shè)計(jì)思想在建筑鋁模行業(yè)中的簡(jiǎn)單應(yīng)用。通過運(yùn)用Creo軟件，在頂層布局中設(shè)置好各類參數(shù)，從而在設(shè)計(jì)初期闡明整體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在同一項(xiàng)目的不同設(shè)計(jì)周期中可以通過修改參數(shù)的方式，將數(shù)據(jù)直接傳遞到各個(gè)零件實(shí)體及工程圖中;在設(shè)計(jì)不同項(xiàng)目時(shí)可以直接借用Layout修改參數(shù)，以達(dá)到設(shè)計(jì)目的，從而實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的一致性。該方法提升了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)為模塊化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2]李少海.基于CREO平臺(tái)的齒輪軸參數(shù)化實(shí)現(xiàn)及二次開發(fā)[J].煤礦機(jī)械，2015，36（10）：273-274.

[3]魏強(qiáng)，劉長青.基于Top-down設(shè)計(jì)方法的卷取機(jī)設(shè)計(jì)[J].冶金設(shè)備，2009（2）：16-18.