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参数化设计: 回顾与经验

哈维尔 · 蒙德罗

摘要

在过去的几年里，计算机辅助工具的非凡发展，旨在呈现或传达建筑项目的结果。但在开发旨在协助设计以一种简单和互动的方式生成建筑形式的工具方面尚未取得类似的进展。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。建筑仍然是由传统的使用计算机制作的，它只不过是一个绘图工具。可能解释这种情况的主要原因可以很容易地确定，但是会有重大的意见差异。在我看来，试图推进太快是一种错误，例如，提出综合设计方法使用专家系统和人工智能，却没有足够的工具来生成和修改简单的可用的3d 模型。我们目前拥有的建模工具并不令人满意。它们的主要限制是，一旦建立了模型，就缺乏适当的工具来交互地修改模型。这是任何设计活动中的一个基本方面，设计师不断向前和向后，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, 甚至回到以前的解决方案，已经暂时放弃。本文概述了在不久的将来可能被纳入建筑设计工具的实际情况和最近的发展，并对它们与建筑学的相关性提出了一些批评意见。

关键词:几何建模; 建筑与建筑模型; 参数化设计

一，3D模型现状

在建筑学中，3d 模型由以下技术的商业版本之一详细阐述: 多边形网格、实体模型或参数曲面 (如nurbs曲线)。大多数建筑模型仍然使用第一种方法，连同一些适当的接口，允许使用如 “3dfaces”，多段线“width and thickness#39;” 或 “revsurfs”，“tabsurf”，“rulesurfs” 等指令，这是由于建筑模型主要由平面组成的特点。许多建筑师仍在使用被称为 2.5D 模型（宽线或多线描绘墙壁挤压到一个特定的高度）可以用作绘制平面和简单的 3d 模型。实体模型也被广泛使用，因为它们允许布尔运算创建更复杂的形式。除了 Frank Gehry 之外，很少使用 Nurbs 之类的东西。,因为共同的预算不允许自由形式的表面。研究了3D 几何建模的历史后，可以发现在著名的计算机书籍，如 Foley 的计算机图形学或 Morten-son的更专业的几何模型教科书。.这证明了一个非常缩短的摘要。本摘要的目的不仅是在适当的背景下定位主题，而且强调不同时间发表的论文和普遍使用的技术之间的差距。正如我们将看到的，这个差距大约是相同的，将关于参数化设计的第一篇论文与我们的未来分开，或者说 2 或 4 年。也就是说，目前 CAAD 中使用的技术变化的情况已经成熟，在 CAD /CAM的领域中已经发生大多数使用计算机的建筑师都不知道这个软件的情况。

1.1CAD 建模工具的发展与局限性

20世纪60年代，第一代参数化设计的方法和技术得以付诸实践它们既包括基本的2D模型也包括曲线这样的新模块。 Bezier和De Casteljau的作品都属于这一个时期。后来参数化设计又扩展到3D线框和表面拼接。Coon和Ferguson也是这一时 期的代表人物1963年.Sutherland发表了他对新绘图方法研究的论文。

20世纪60年代末，多边形网络问世。不久便有很多可视化技术的诞生，如现在广为流行的平面渲染（Bouknight, 1970)优化后的高洛德渲染（1971)和补色渲染（1975)。目前.大多使用的系统均是这个时代的产物（竟然有22年之久）。

自由形式或雕塑表面技术在20世纪70年代得到了极为广泛的应用。1980年，A.R.Forrest的文章最早介绍了NURBs (non- uniform rational b splines).这是当前使用的最先进的方法。约15年后，AutoCAD通过外挂AutoSurf模块被整合到该技术 中.衍生出AutoCAD13版。

使用CSG原始形式的实体模型诞生于20世纪60年代初（美国MAGI实验室）直到20世纪70年代初.随若美国和欧洲市场 上一些成品的出现，它的更新才得以加速，20世纪70年代末出现了第一批商业化的软件包如Romulus,在1980年经Evans和 Sutherland之手推向市场1980年.Requicha发表了一篇著名的文章.总结了当时最先进的5个系统_t.目前使用的系统多是 两个系统的综合体^B-Reps和CSG,或以B-Reps为框架.不仅能实现多层次表达，还支持系统之间的转换AutoCAD自 13版后开始放弃AME.使用带有这种功能的ACIS (Alan, Charles amp; Ian System),但CSG系统的运行情况没有预想得好。

1.2当前三维表示的可编辑性

当前3D模型的编辑均从交互式设计的角度考虑.然而所有这些系统都带有严重的缺陷。它缺乏编辑平面的资源.这在当 基址需要处理方可施工建造时表现得尤为明显.它缺乏交互式修改建筑体的资源：修改变动后.它缺乏维系建筑体各部 分之间联系的资源；它缺乏综合统一表面和实体的资源。很久以前.CAD/CAM就已不再使用当前的3D建模技术.并拓展 了很多研究以期改善这种状况。在讨论参数化设计之前.我们先提供一些线索。

1.3面向对象的3D模型：E-Reps

如果你想修改一个实体模型，如目前在建筑领域中使用的那种，好比在墙上的一个洞，你必须编辑CSG树, 找到基元，然后命令系统重建树。使用面向对象的方法，交互将更方便和更容易管理。内部数据结构和算法的实现能够对其进行修改，都隐藏在对象中。这样，发送给对象的命令不需要指定如何完成修改，但只需要做什么，例如, 更改墙中的孔的位置。。将类与超类或子类关联的继承机制保证了先前指定的关系将被维护。不幸的是，这需要现有 CAD 系统中仍然缺乏的数据的内部表示。通常，使用一系列引用的表示链接模型中的实体称为模型图。霍夫曼介绍了 E-Rep（修改性表达）表示这种结构。在未来人们对此有极大的兴趣。这种结构类似于 CSG 图，但与一些重要的差异。CSG图的节点，在 CSG 通常是系统的最低端的数据，即半空间，而在 E-Reps，通常是指 B-Reps。此外，在 CSG 中，节点是几个运算符，主要是布尔操作器，而在 E-Rep 中，节点可以表示广泛的类型，包括草图，轨迹, 特征附件、混合或维度。另一方面，CSG图具有明确的语义以保证有效性。但E-Reps不具有这些特征，所以似乎仍需有一些实验去尝试。

二，参数化设计

从某种意义上而言.参数化设计是一个非常严格的词汇.这表示需要用各种参数来定义一个形体.而实际上这个形体多 是用相互之间的联系来定义的,

必须说明的一点，从一个基本角度出发.所谓的参数化设计与现在的计算机辅助设计或建模之间并没有明确的界限。在 这种情况下.将合适的参数添加到基础模板后.组合模型中的各种模块便能创造出各种形体。例如一旦确定了直线的 两个参数：长度和方向.直线就成为模型的一个组成部分多线由顶点相互连接的一组直线组成，因此设定位置参数 是创造多线的前提。棱柱啮合而成的形体需要四个参数来定义：位置、长、宽和高。除此以外，我们还可以定义'块' (AutoCAD)单元（Microstation）“符号'或“组件'（其他系统）.这些组合形体都有不同的参数。在当前的CAD系统中还可以对这些基本形体作一些经验修改。

但这并不适合复杂的元素.我们既想保持它们各部分之间的联系，又想对各个部分进行独立修改。我们可以用'块'表 示一个金属窗.但如果在插入时改变了它的尺度.那么框架的每一个部分都会根据整体尺度的变化而变化。在不同的维 度下，我们缺少一个标准框架

但我们仍可以通过一系列编程语言如AutoLisp来定义一个程序，规定各部分之间的相互关系并在插入模型时定义一个具体 的维度不管是从字面而言.还是就本质而言这就是参数化设计。显然.这十分符合建筑设计的特点.划分组合各构成 要素后为其添加相应的参数。如果能为其设计一个圆满执行程序将会节省出大量的时间和电脑存储空间.也有助于管理 各构成要素，.在参数化设计中，'组'是一个非常重要的概念..'组'是一系列的构成要素。它们仅有尺寸上的差异, 描述一个组并完善它的初始设计，设计师仅需要做两件事：详细规定各个组成部分以及它们相互关系的拓扑描述，以及一个详细描述优先顺序和尺寸限制的维度方案。

用这种方式我们就得到了一个构成元素的抽象几何并能插入模型起始阶段没有问题，但如果在插入元素后，我们想修改某些元素该怎么办呢？相对CAD/CAM的一些根本性限制而言.这正是参数化设计的出发点。

三，约束

CAD一个最根本的问题就是如何使我们的知识得以表达，使机器能自动识别和执行程序在试图恰当地定义'常识'时，这个问题的重要性便突显出来。从建筑学的角度，这就像是默认的“地板永远都是水平的'或'窗户一定嵌在墙体里rsquo; 一样。我们试图将这种常识编程.这样机器就不会违反这些显而易懂的规则。

这是通过约束来处理的。制约因素最早出现在1963年southerland的先驱工作中，由于它是参数化设计的概念，所以约束的概念只是以一个基本的方式呈现在任何 CAD 系统。例如，多段线可以理解为约束为保持附着的顶点的曲线组合。但是，一般来说，约束的概念意味着一个扩展数据库的模型，约束是一种限制实体或一组实体的行为。约束的例子有: 一组被约束为平行，垂直或共线的直线，一条被约束为与圆弧相切的直线，两个圆柱体被约束为同心。约束小于某一特定维度或等于某一特定维度的倍数。约束提高了自由度、高限制或低限制模型以及容忍力的概念。一个模型可以被概念化为一个复杂形式的拓扑描述和变量或独立维度。每个约束都会逐个减少备选方案。另一方面，约束的数量越多，就越难以管理，以这样的方式，它将保持一致，在不同的值签署的剩余自由尺寸。如果模型受到约束，则无法解析它，因为仍必须指定一些附加参数。如果模型被过度约束，它不能解决，因为有一个矛盾的地方。建模要求所有定义的应履行之前，模型是或，换句话说, 模型的自由度必须减少到零。系统处理受约束或过度约束的模型的能力是其效率的证明。一些程序通知用户无法解决模型，但请让用户承担查找故障的任务。一个适当设计的程序应该有一个简洁的管理模块能够提供默认参数的情况下，约束模型和通知用户此或任何其他可能已指定的矛盾参数。约束也可以是两种不同的类型，有时被称为几何约束和物理或工程约束。平行度、垂直度、相切度、维数是几何约束。但模型也可以基于像面积公式S力R压力。约束也可以指定为条件关系，如: D1 D2 gt; D3.那么D1 = 10cm.bull;否则 D1= 20cm。

系统之间的主要区别是输入和控制约束的方式。一般来说，这给用户带来了一些额外的工作，除了选择一个实体，标记它的位置和分配一些维度, 必须指定它应与模型中的其他实体保持的关系。

四，参数化设计技术的演变

除了上述的前瞻性工作外.1978年R.Hyllard提出一个系统.可规定部分坐标的几何限制并根据指定的方差使其变化范围控制在一定范围内。以当前的观点这个设想并没有得到发展。Gossard和Light (1981)指出，这个系统是他们工作 的基础.从一个更成熟的角度来看.可以称之为目前所谓的参数化设计的主要参考。Gossard和Light的工作是变性几何 或变性设计的基础.它使用数学和几何工具实现了几何表达这是关键的一步，它打开了模型诞生的大门。

约在20世纪80年代末.几何建模、自由平面和实体建模这些主要技术已被同化，越来越多的业内人士认为建模技术 应该朝着提高模型的交互性和可编辑性这个方向发展。这时.研究界已发表和出版了大量相关的重要文章和书籍. 并有一些科研人员的文章直接涉及到这个领域的发展，试图再度开创技术发展的新纪元

通过变体程序或諍态编程将产生替代性的模型.以当前模型的内部表达为基础。它通过更完善的系统，能够修改模 型的维度和限制.称之为图解或交互式方法。这是对模型内部表达的修改或扩展。它的主要缺点是不能以交互式方法，修改模型的一些特性。另外.如果使用者了解一些简单的编程技术.这种系统属于模式工作.可以与当前的 CAD程序兼容。

4.1通过宏或程序建模进行变体编程

记录命令和数据信息是使用参数编程产生一个元素的最基本方式。如果修改这些命令或数据，我们将会得到一组类 型相同但维度不同的变体。我们还可以完善这种方法.通过编程语言如AutoLisp编写宏.路径或一个小程序来执行建 模命令（这3种途径的不同在于量的差异，如果宏需要几行命令.那么一个小程序则可能需要几页纸）由此.模型 可与使用者进行一些'交流'，记录变U元素的主要参数.程序激活后它可提示使用者输入具体数值.也可整合一些条件表达式或简单的方程.这些或许有利于扩展该方法。

变体编程等同于几何建模的原始阶段,，它类似于通过执行一系列的命令来创建模型或构建元素输入的数值应该在 一个预先设定的范围内，以防止错误的发生和保证表达的真实性。

这种方法所使用的命令属于一个CAD模块.这是与我们下面将要提到的方法的最大不同。程序读过使用者输入的数值 和执行模块提供的一系列的建槙命令

现还没有一种合适的方法来控制产生无效结果的变体.这种方法所能处理的变量数目和数值范围是有限的.这也是它的主要缺点。另外.唯一能修改结果的方法就是重新编程以改变模型它毕竟还是一种建模方法，且被广泛应用于工业和建筑领域,，如果模型的元素不需要修改.那么这种方法还是十分有效的。

4.2基于历史的约束建模

使用者可通过图标交互式参数模块创建一个母模，作为向系统输入参数的基础.并提供一个规定模型限制的界面. 这是对各组成要素的最终描述。无论何时赋值新变U都能确保准确无误.这意味着必须使用一个扩展式或替代性的内部描述。修改参数后有多种方法再构建新模型.目前使用最广泛的应该是所谓的“以历史为基础的设计'或'参数化设计'（与变体设计相反）或者'建设性参数化设计'.，

目前市场上很多参数模块使用的数据结构能记录建模所使用的序列.根据命令及与执行命令相关的数据在建模过程 中

资料编号：[4187]