英语原文共 9 页

参数化设计：回顾和一些经验

Javier Monedero

摘要

在过去几年中，计算机辅助工具得到了非凡的发展，为的是呈现或传达建筑项目的结果。但是，在开发旨在帮助设计以简单和交互方式生成建筑形式的工具方面没有类似的进展。更糟糕的是，使用计算机提供的强大手段作为创建建筑形式的直接工具的建筑师仍然是一个例外。建筑继续通过传统方式使用计算机生成，而不仅仅是绘图工具。尽管意见存在重大差异，但是可以很容易地找出可以解释这种情况的主要原因。在我看来，尝试推进过快是一个错误，例如，使用专家系统和人工智能提出集成设计方法，而没有足够的工具来生成和修改简单的3D模型。我们目前的建模工具并不令人满意。它们的主要限制是缺乏适当的工具来在模型创建后以交互方式修改模型。这是任何设计活动的一个基本方面，设计师不断前进和后退，一次又一次地重新阐述模型的某些特定方面或其总体布局，甚至回到之前暂时放弃的解决方案。本文概述了可能在不久的将来纳入建筑设计工具的实际情况和最新发展，以及关于它们与建筑相关性的一些批评性评论。

关键词：几何建模; 建筑和建筑模型; 参数化设计

1. 当前的3D模型

在建筑中，3D模型由以下技术之一的一些商业版本详细描述：多边形网格，实体模型或诸如nurbs的参数表面。大多数建筑模型仍然使用第一种方法生成，还有一些适当的界面允许使用诸如“3dfaces”之类的命令，带有“宽度和厚度”的折线或#39;#39;旋转曲面#39;#39;，lsquo;rsquo;平移曲面#39;#39;，#39;#39;规则曲面#39;#39;等。这是由于建筑模型的特征主要由平面组成。许多建筑师使用的仍然可以称为2.5D模型宽线或多边形线描绘挤压到特定高度的墙，可以用作绘图平面和简单的3D模型。实体模型也被广泛使用，因为它们允许布尔操作创建更复杂的形式。除了Frank Gehry之外，很少使用Nurbs等，因为普通预算不支持雕刻或自由曲面。研究了三维几何建模的历史，可以在众所周知的计算机书籍中找到，如Foley的计算机图形学概论或Mortenson更专业的几何建模教科书。这证明了一个非常简短的摘要。本摘要的目的不仅在于将主题定位在适当的背景下，而且还要强调将已发表的论文与通常使用的技术分开的时间距离。正如我们将要看到的，这个距离大致相同，将参数设计的第一篇论文与我们近期的未来分开，让我们说2或4年。也就是说，CAAD中使用的现有技术的变化情况已经成熟，它已经发生在CAD / CAM中，尽管大多数使用计算机的建筑师都没有意识到它。

1.1 CAD建模工具的解决方案和局限性

第一种方法和技术在20世纪60年代付诸实践，包括基本的2D原型，以及样条之类的新实体。Bezier和De Casteljau的工作可以追溯到这个时期。这扩展到3D线框和曲面补丁。新的图形方法与萨瑟兰的名称和1963年的论文相关联，他的论文发表于1963年。多边形网格在20世纪60年代末使用;很快就会有一些技术可以通过现在所谓的平面着色（Bouknight，1970）或者更好的高洛德着色（1971）或者更好的冯氏着色（1975）这样的方法来观察它们。这是现在大多数系统停止超过22年的地方。此后，自由形态或雕刻表面在20世纪70年代广泛开发。目前使用的最先进的方法，nurbs非均匀。理性的b样条可以追溯到A.R.的1980年的福雷斯特一篇文章。几年前，AutoCad通过与版本13一起提供的额外模块AutoSurf合并了它。使用原始形式的CSG的固体建模也诞生于20世纪60年代初在。 MAGI实验室在美国，并且发展相当缓慢，直到20世纪70年代初在欧洲和美国出现了一些完整的产品。第一个重要的商业包装，如由埃文斯和萨瑟兰于1980年商业化的罗穆卢斯，出现在20世纪70年代末。 Requicha的一篇引用文章总结了当时的最新技术，引用了五个主要系统，也发表于1980年。目前，大多数目前使用的系统结合了两个系统，B-Reps和CSG，或者使用B-Reps作为外壳，允许多个表示并有利于从一个到另一个的传输。 ACIS Alan就是这种情况。 自从降级AME后，AutoCad使用的Charles和Ian System，这是一个无法正常工作的CSG系统。

1.2 当前3D表示的可编辑性

从交互式设计方法的角度来看，所有这些系统都受到严重限制：

Oslash;缺乏编辑表面的资源。 对于必须重新设计和调整以接收建筑物的场地，这一点尤为明显。

Oslash;缺乏以真正互动的方式编辑卷的资源。

Oslash;在修改过程中缺乏维护卷部分之间关系的资源。

Oslash;表面和固体之间缺乏集成。

在CAD/CAM社区，很久以前就已经放弃了目前用于创建3D建筑模型的方法。 已经进行了不同类型的研究以改善这种情况。 在进入参数化设计之前，我们提供了一些提示。

1.3 面向对象的3D模型：E-Reps

使用实体模型（例如当前在建筑社区中使用的类型），如果想要修改例如墙上的洞，则必须编辑CSG树，找到基元然后命令系统重建树。 。使用面向对象的方法，交互将更方便，更易于管理。内部数据结构和能够修改它的算法的实现隐藏在对象中。通过这种方式，发送给对象的订单不需要指定如何进行修改，而只需要指定要执行的操作。例如，改变墙上洞的位置。将类与超类或子类相关联的继承机制确保将保持先前指定的关系。不幸的是，这需要内部表示当前CAD系统中仍然缺乏的数据。通常，使用链接模型中的实体的引用链的表示称为模型图Hoffman引入了E-Rep edita的术语。表示这种结构的表示。这对未来有很大的兴趣。该结构类似于CSG图，但有一些重要的差异。 CSG中图的叶节点通常是系统的最低基元，即半空间，而在E-Reps中，通常有B-Reps。此外，在CSG中，节点是一些运算符，主要是布尔运算符，而在E-Rep中，节点可以表示各种类型，包括草图，扫描，特征附件，混合或维度。另一方面，CSG图具有明确定义的语义和有保证的有效性。对于E-Reps来说情况并非如此，所以似乎仍然需要进行一些实验。

1. 参数化设计

从某种意义上说，参数化设计是一个相当有限的术语，它意味着使用参数来定义一个表格，当实际发挥作用的是关系的使用时。我将在广义上使用该术语，涵盖其他标题下的文献中可以找到的内容，例如关系建模或变分设计或基于约束的设计或将在以下段落中引用到某种程度的其他标题。还应该注意的是，从基本的角度来看，在所谓的参数化设计和当前所谓的计算机辅助绘图或建模之间没有明确的界限。在这些情况下，表单是通过组合在基本模板（包括其“适当参数”）之后插入模型中的基本实体来创建的。例如，一条线是指定两个参数（其长度和方向）后成为模型一部分的实体。折线是在其顶点处连接的一组线，其位置参数在创建时也必须指定。通过四个参数（其位置，长度，宽度和高度）将棱柱网格体积插入模型中。除此之外，我们还可以定义“块”（AutoCad），“单元格”（Microstation）“符号”或“组件”（其他系统），它们将这些原始形式组合在一起并保持在一起值。在当前的CAD系统中，还有一些工具允许我们对这些原始实体进行一些后验修改。但是，这对于我们希望在独立修改其零件时保持关系的复杂元素不起作用。我们可以将金属窗口定义为块，但如果我们在插入时更改比例，框架部分将以与总体幅度相同的比例变化，并且我们将无法保持具有不同开口尺寸的标准框架。但我们仍然可以通过某些编程语言（如AutoLisp）定义一个过程，只需指定关系，并且仅在插入模型时定义适当的维度。这已经是字面和基本意义上的参数化设计。并且，显然对于体系结构的情况感兴趣，因为可以将非常重要数量的构建元素分组在自发地进行参数化的族中。并且，如果这可以以令人满意的方式完成，它可以节省大量时间和计算机内存，并且还将有助于管理这些元素。由于家族的概念在参数化设计中很重要，我们可以正式定义它：一组仅在其各个部分的维度上不同的元素。为了描述一个家庭，为了详细说明一个家庭的主要设计，我们只需要两件事：拓扑描述指定构成它的部分和它们彼此保持的关系，以及指定优先级和尺寸约束的维度方案。通过这种方式，我们可以定义一个抽象的元素集合并将它们插入到我们的模型中。这对于一个开始是好的，但是如果在插入元素之后我们想要修改它会发生什么？这是一种有前途的参数化设计，几年前在CAD / CAM中与约束的基本概念有关。

1. 限制

CAD中的一个基本问题是如何以一种机器可以自动解释和处理它的方式明确我们对某些东西的直观知识。一旦我们试图制定出被称为“常识”的东西，这个问题就会显示出它的重要性。从建筑的角度来看，这就像知道地板“应始终”是水平的，或者“窗户”属于“墙”并试图以机器不能违反的方式来形成这些知识这么明显的规则。这是通过约束来处理的。早在1963年，在萨瑟兰的先驱工作中就出现了限制条件。正如参数化设计的概念所发生的那样，约束的概念在任何CAD系统中都以基本的方式存在。例如，折线可以理解为曲线的集合，其顶点被约束为保持附着。但是，一般来说，约束的概念意味着具有扩展数据库的模型。约束是限制实体或一组实体的行为的关系。约束的示例是：一组线被约束为平行垂直或共线，一条线被约束为与弧相切，两个圆柱被约束为同心，一个尺寸被约束为小于特定幅度或等于多个特别大的。约束的概念意味着自由度（DOF），过度约束和欠约束模型的概念，以及容忍的概念。模型可以概念化为具有n个变量或独立维度的复杂形式的拓扑描述。每个约束都会使替代方案减少一步。另一方面，约束的数量越大，以这样的方式管理就越困难，即在分配给剩余自由维度的不同值下它将保持一致。如果模型不受约束，则无法解析，因为仍必须指定一些其他参数。如果模型过度约束，则无法解决，因为某处存在矛盾。约束建模要求在评估模型之前满足所有定义的约束，换句话说，必须将模型的DOF减小到零。系统处理欠约束或过度约束模型的能力是其效率的证明。某些程序通知用户无法解析模型，但让用户完成定位故障的任务。正确设计的程序应该具有约束管理模块，该模块能够在欠约束模型的情况下提供默认参数并且向用户通知可能已经指定的该参数或任何其他矛盾参数。约束也可以是两种不同的类型，有时称为几何约束和物理或工程约束。平行度，垂直度，相切，维度是几何约束。但是模型也可以基于像压力区域这样的公式。约束也可以指定为条件关系，例如：如果D1 D2＞D3则D1 = 10 cm，否则D1 = 20 cm。系统之间的主要区别在于输入和控制约束的方式。一般来说，这给用户增加了一些额外的工作，除了选择一个实体，标记其位置并为其分配一些维度之外，还必须指定它与模型中其他实体保持的关系。

1. 参数化设计技术的演变

除了上述Ivan Sutherland的开创性工作之外，Hillyard和Braid在1978年左右提出了一个系统，它允许在部分坐标之间规定几何约束，使得可能的变化仍然局限于某些特定公差给出的范围。从我们目前的观点可以预期的意义上来说，这个提案并没有发展出来。 Gossard和Light提到这项工作是他们自己的基础，可以引用作为更成熟意义上的参数化设计的主要参考。 Gossard和Light的工作将在下面作为所谓的变分几何或变分设计的基础进行评论，这是一个重要的步骤，因为它为数学和几何工具提供了几何表示，为模型的泛化开辟了道路。大约在20世纪80年代末，当几何建模的主要技术，自由曲面和实体建模已经被同化时，人们越来越感觉到建模技术应该朝着增加的交互性和修改模型的能力的方向前进。它已被勾勒出来。已经出版了许多重要的文章和书籍，还有一些直接参与该领域发展的研究人员试图恢复最新技术的文章。很明显，目前仍然有两个大集团，一个正在变得过时，另一个正在吸引越来越多的研究人员：

1。我们可以称之为，如Roller所做的，变体编程或静态生成通过编程程序的替代模型。这些系统可以依赖于模型的当前内部表示。

2.图形生成或交互方法，通过更精细的系统，允许在创建模型后修改尺寸和约束。这些系统意味着对模型内部表示的修改或扩展。

第一组的主要缺点是它不能做第二组所做的事情，即以交互方式改变模型的某些特征。另一方面，如果用户具有一些简单编程技术的知识，那么它是一种能够适应当前CAD程序的工作模式。第二组的主要缺点是我们将不得不等待几年，直到基于下面列举的一些不同替代方案的一致参数建模器被集成到当前建筑师使用的一些程序中。

4.1．变量通过宏编程或程序建模

使用非常基本形式的参数化设计的最简单方法之一是记录用于创建元素的命令和数据值的脚本。如果编辑此脚本并更改数据值，我们将获得具有不同尺寸的相同类型的变体系列。我们可以通过使用编程语言（如AutoLisp）来改进此方法，以编写宏，例程或小程序，执行适当的操作来对元素进行建模，这三个术语之间的差异可以被同化为数量上的差异，即，几行为宏或几页。对于可能被称为简单程序的东西。通过这种方式，模型可以包含与用户的某种交互，也就是说，它可以将元素的主要参数记录为变量，并在程序激活后从用户请求它们的值。它还可以包含条件表达式或可以扩展该方法的兴趣的简单方程。变体编程相当于几何建模的原始形式之一：原始实例化。这还包括通过一个过程生成模型或元素，该过程按顺序调用构建模型所需的命令。为了防止错误并确保表示的有效性，用于输入的值必须是预定义范围的一部分。这个方法与我们将在下面看到的方法之间的主要区别在于所使用的命令已经是CAD模型器的一部分。程序将值作为用户的输入读取，并执行由建模者提供的创建模型的命令序列。这种方法的主要局限是：变量的数量和范围是有限的，因为通常没有适当的方法来控制可能产生无效结果的变体。而且，结果无法编辑;改变模型的唯一方法是重复这个过程。然而，它是一种在工业中广泛使

资料编号：[4006]