基于CATIA三維技術的數字模型設計：以校園規劃單體建筑的設計為例

劉兼唐,顧睿峰,鄧經樞, 張 遙

(南京航空航天大學,江蘇南京,210016)

0 引言

在高校圖書管理、人事管理、財務管理等常規性管理中，計算機技術的應用已相對成熟。隨著計算機技術的深入發展和應用，計算機不僅可以起到代替手工勞動、便于海量存儲與檢索的作用，還可以提高具體業務管理工作的質量。以高校規劃為例， SPSS可有助于事業規劃的數據分析與輔助決策，CATIA、3DMAX、openGL可有助于校園規劃的視景效果展示及建筑布局，本文通過應用CATIA進行校園規劃建筑三維造型的構造，說明計算機技術在高校規劃中的具體應用。

CATIA 是法國Dassauh System 公司開發的CAD／CAE／CAM一體化軟件，是一個三維設計平臺，能在設計階段直接產生產品的數字模型。該軟件強大的數字化三維造型功能，可以大大提高校園規劃的科學化水平。

1 草圖設計與建筑體量的控制

草圖設計可以利用Sketcher 模塊實現，在選取繪圖平面、確定坐標后，通過繪制參數化輪廓曲線構成平面草圖。

以規劃建設一座大學生藝術中心為例，最能反映建筑物平面結構的應該是俯視圖，因而選擇xy平面為基準平面繪制俯視圖。藝術中心結構較為復雜，主要是受制于東南西北四個部分的約束參數，這些參數當中，一類是直接與圖形直接關聯的參數點，例如規劃控制點，規劃邊界控制線等等，一類是間接約束參數，如與建筑體量相關的單層平面面積等。如果僅僅考慮規劃點、線約束參數，可以在CATIA中直接輸入參數，但是要實現復雜的參數約束，就需要借助CATIA設計表進行關聯設計來實現。

在Microsoft Exce1支持下，利用CATIA設計表可以實現通過外部參數數據控制幾何形狀，即可以從外部已經存在的Excel中導人數據，并應用在CATIA中。具體實現方法是，首先，將校園總體規劃中各種控制規劃點、線的約束參數，關鍵尺寸特征參數，以及面積控制數等組成外部變量，以表格的形式保存在Excel文件或列表文本文件中；然后，確立參數之間的計算關系，主要是邊線控制點參數與面積控制參數之間的關系，進而建立表格中與設計尺寸有關的關鍵參數與設計模型特征參數的正確對應關系；最后，繪制輪廓線，形成主體草圖（如圖1）。這樣，就可以實現通過調整關聯的外部參數驅動幾何模型，同時實現控制建筑體量的效果。

圖1 建筑物主體草圖

2 主體造型生成與校園景觀呈現

具有完整的幾何信息的主體造型的生成一般有兩種模式：一種是以立方體、圓柱體、球體、錐體和環狀體等基本形狀體素疊加生成復雜形體，一種是以草圖為基礎建立基本特征后，通過“挖”的方式創建復雜形體，第二種方式是CATIA的主流應用方式。

首先，基于上述草圖特征，可以通過“拉伸”的方法創建初步造型主體（如圖2），選擇俯視圖作為基準平面的優點在于， “z軸”拉伸方向的深度尺寸即為建筑的高度。

圖2 建筑物主體拉伸

然后，根據設計人員對外形結構的理解與把握，用“凹槽”命令進行修型，選取所需的草圖截面所附著的平面作為草圖基準面，定義基準面的法線方向為吐槽方向，逐個挖除，最終形成有相對完整的內部結構主體造型（如圖3）。這種造型可以給人以立體的直觀感受，便于設計人員判斷造型風格與校園整體文化氛圍的融合度，也還可以方便地對造型進行調整。

圖3 建筑物結構造型

3 實體造型完善與設計要點表達

主體通過部分挖除成型后，整個樓的結構基本呈現，但是對于規劃來說，有更加詳細的設計要點對于后期建筑設計非常重要，比如附結構、樓梯、柱子、伸出墻、框架、玻璃等等，通過傳統的文字表達的方式往往難以完全體現規劃者的用途需求和實際構思，這就需要CATIA強大的細節處理功能來實現一目了然的效果。

仍以規劃建設的大學生藝術中心為例，主體結構雖然復雜，但每個部分都是由簡單幾何體復合，但是一些重要的結構，不是簡單疊加可以實現的。玻璃幕墻是藝術中心獨特之處，屬于實體設計中較為復雜的部分，其構造就需要視情況選用不同的操作。首先，要選取與玻璃幕墻相連的天花板為草圖基準面，在草繪工作臺中，用圓弧命令畫出沒有斜度的玻璃幕墻的頂視投影圖；然后，分兩種情況：（1）若玻璃幕墻設計為規則曲面，則可以選取與玻璃幕墻相連的天花板為中性元素，對無斜度玻璃幕墻圓弧面進行常量拔模，自定義角度完成創建玻璃幕墻；（2）若玻璃幕墻設計為非規則曲面，則不能使用常用的“零件設計”工作臺，而要轉換到“創成式外形設計”工作臺，進入草繪工作臺，在該面上繪制有斜度的玻璃幕墻的側面投影曲線，以玻璃幕墻相連的一個側面為草圖基準，定義沒有斜度的玻璃幕墻圓弧面的中心軸為旋轉軸，旋轉完成曲面的建立，定義上述旋轉曲面分隔開的無斜度玻璃幕墻旋轉體為被切除的元素，定義旋轉曲面為切除元素，進行分割，得到有斜度的玻璃幕墻（如圖4）。

圖4 玻璃幕墻成型

通過上述示例可以看出，將CATIA應用到高校規劃中是完全可行的。它將規劃中的建筑坐標點控制、體量測算與建筑造型設計緊密聯動起來，提高了規劃建筑在多約束條件下的可行性。三維實體造型的呈現，方便外觀評審，并且能夠靈活方便地進行修改，縮短了從規劃構想、到規劃呈現到實施階段的周期，減少了工作量，提高了工作效率。由此拓展到高校管理工作，還有很多方面可以而且應該利用計算機的新技術，提升工作質量。

[1]施建.關于計算機在高校管理中的應用[J].交通高教研究,1999(1).

[2]魏欣, 劉希玉, 牛雪麗.CATIA 及其在建筑造型中的應用[J].濰坊學院學報，2009（9）.

[3]王小平，王 陸，藺志剛.基于CATIA設計表的水工建筑物關聯設計[J].水利水電技術，2013（1）.