三維CAD在水電行業中推廣應用的探討

鄧 杰，江翠偉

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

三維CAD在水電行業中推廣應用的探討

鄧 杰，江翠偉

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

從三維CAD的技術特點出發，討論三維設計在現代工業中的意義，特別是在水電工程中推廣應用的現實意義。三維設計的意義主要體現在與信息化時代的接軌，實現設計思想分享、協同設計、產品生命周期管理等現代化工程屬性。三維設計的技術特點包括參數化、歷史樹、設計意圖、特征、約束等要素，以及同步建模技術、可視化、與CAx的關聯等先進應用功能。在行業中推廣三維設計的關鍵問題是標準化和數據轉換。本文對有關問題進行分析闡述，提出建議在水電行業中需要開展的工作。

3DCAD；CAD數據交換；水利水電；推廣應用

1 引言

CAD在工程設計中使用已經40多年了。經歷了從計算機輔助制圖到計算機輔助設計，直至今日的所謂產品生命周期管理系統的演變歷程。建模技術則經歷了線框建模、曲面建模、實體建模、基于特征的參數化建模和同步建模等的過程。隨著使用3DCAD系統的成本下降以及集成化發展，在企業中，特別是在中小企業中，設計工作的進程已經發生了巨大變化。3DCAD使快速準確的樣機建模完成于初始設計階段成為可能。3DCAD數據可以方便的在線上與客戶和廠家分享。基于CAD的集成、通訊以及可視化的結合不斷使設計開發成為以設計師為核心的工作。

從3DCAD用戶群的發展來看，其推廣應用存在著明顯的不均衡。一方面是系統開發者和早期接受者的欣喜和熱望，主要是汽車和航空領域的人。另一方面是對3D的認識缺乏，如3DCAD是什么，它是否必須要取代2DCAD（電子圖板）。水電工程行業中3DCAD的推廣應用尚有很大的上升空間，例如在設計院的普及方面，在施工單位和生產廠家的交流數據標準方面，在行標制定及建設方面，以及在設計成果生命周期以及協同設計等方面。

本文將討論對3DCAD的認識，3DCAD數據交換，推廣3DCAD的主要問題，以及從水電工程行業來看，促進發展3DCAD的普及應用應注重開展哪些工作。

2 對3DCAD的認識

（1）典型3DCAD建模

對3D的認識應不僅僅是二維加上一維。3D CAD的設計思想與2D不同，更適合信息時代發展的需要。通常一個三維建模對象所具有的要素包括：特征、約束、參數化、歷史樹等。所有這些要素都是以數字化形式表現的。

1）特征是模型中具有本身特殊意義的局部形狀構造。用特征建模就是一個加工工藝的仿真。

2）約束是模型具有的參數值或幾何、拓撲元素之間的關系，規定了模型編輯操作中的不變特性，其意義通常為在修改時維護模型對象的功能性。

3）參數是指與模型中的尺寸或其他值關聯的變量，這些變量表達了允許模型變化的規則。參數（變量）在賦值后，便創立了一個具體的具有設計尺寸的特征對象。當改變這些參數值時，對象也關聯地發生改變，即“參數驅動”原理。

4）歷史樹描述了CAD系統生成的設計信息，記錄了構建形體模型的工作程序，反映了設計意圖和思路。

文獻[1]以一個創建螺母3D模型的例子對上述3DCAD建模特點進行了簡明闡述（圖1）。通過插入一系列特征完成建模。

特征都通過一定的約束關系相互關聯、相互定位。而六邊形的草圖也是具有完全約束的自定義特征。特征的尺寸和約束關系又都具有賦值的參數變量表達式，即是參數化的。整個建模過程則記錄在歷史樹中（圖2）。這樣創建的全約束3D模型可以做為模版部件生成由電子表格驅動的部件族，自動創建零件系列。

圖1 零件加工與特征建模的概念

圖2 歷史樹

（2）同步建模

在參數化、基于歷史記錄建模的基礎上，3D建模技術也在不斷發展。例如 SiemensPLM Software推出的同步建模技術，可以同時進行幾何圖形與規則同步設計建模。該技術借助新的決策推理引擎，實時檢查模型當前的幾何條件，并將它們與新添加的參數和幾何約束合并在一起，以便評估、構建新的幾何模型并且編輯模型，無需重復全部歷史記錄。由于同步建模技術可以獨立于創建方法進行編輯，具有快速編輯遺留的和第三方CAD數據的能力，在惰性模型編輯處理上具有極大的進步和優勢。這一技術對于跨平臺協同設計和計算機輔助工程（CAx）之間交換的數據編輯工作尤為給力。

例如進行離心泵葉片的建模時，基礎特征（圖3）是由水力計算結果導入的葉片正、背面曲面（非參數化實體或惰性模型）、由二者創建的進口邊曲面，以及葉片軸面回轉體（可以是惰性實體）。通過順序插入4個同步建模特征，用葉片表面曲面替換回轉體的表面，便可編輯出葉片實體（圖4）。可見各曲面的外延趨勢都是被智能識別的。這幾個同步建模特征也是參數化的和全約束的。本例較之文獻[1]中介紹的方法有了一個飛躍。

圖3 同步建模前

圖4 同步建模后

文獻[2]也以一個零件特征編輯的例子比較了同步建模技術相對典型3D建模技術的優勢，認為這種可獨立于建模歷史的構建技術是CAD技術今后發展的“主要方向”。其他一些關于同步建模技術的論述也強調了它相對“基于歷史記錄的建模方法”的優越性在于“非歷史特征”建模法[3]。同步建模有2種模式：歷史記錄模式（如上例）和無歷史記錄模式。后者是非參數化的建模，所建模型沒有返回編輯和更新的功能。文獻[3]的說法應是針對“無歷史記錄模式”而言的。可以認為“無歷史記錄模式”為了非專業用戶的體驗而回歸了2D建模思維，犧牲了“基于歷史記錄和特征參數”的3D建模特點。“非歷史特征”建模法在應用時并非完全不考慮構建結構順序，只是不做時間戳記，無法返回。如上例中，替換葉片“進口邊曲面”必須在替換葉片正、背面曲面后才能完成。

同步建模應是與經典3D建模方法的互為補充，并非覆蓋后者。基于特征、約束、參數化和歷史記錄的經典建模方法仍是原創設計團隊的選擇；同步建模則適于其他開發團隊成員高效使用已有初始模型,包括分析與制造工程師。

（3）可視化

3DCAD的可視化功能可以讓每個人都能使用高度復雜的3D模型。例如，在沒有設計專業的人員、客戶、供應商在場的情況下，工作人員可以在以下方面受益于便于訪問的公司的3D模型庫：協同設計審查，建立基于3D模型的多媒體報告，協同解決與跟蹤問題，在線培訓以及建立檔案，網上銷售及分包，客服示范，以及廣告宣傳[4]。

可視化讓用戶可以盡覽設計成果的復雜信息，包括幾何仿真視景，分析仿真結果等。圖5是一個水利樞紐升船機的子機構全模型虛擬樣機，它與3D參數化裝配模型無縫關聯，既可展示設計成果的真實全貌與細節，又可以動態模擬和分析設計原理和功能，并可以在任何模擬階段自動更新修改原CAD裝配模型。

圖5 全模型虛擬樣機

（4）信息化產業集成

3D設計工具不僅可以直接用于各種CAx應用，還作為CAx的一員是現代化工程管理系統的組成模塊。例如西門子公司已將UGSNX集成在Teamcenter系統中。Teamcenter是在SOA的基礎上建立的跨專業、跨項目階段和計劃的真正集成化的PLM（產品生命周期管理）解決方案，為大小制造企業提供了平臺可擴展性、應用豐富性以及可配置性。其他著名3DCAD軟件商，如PTC、達索（DS）等，也通過收購、整合等方式構建了自己的PLM系統[5]。

3 3DCAD的數據交換

推廣3DCAD則必說協同設計和互聯網，由此提出一個關鍵問題，就是數字化模型的數據交換。因歷史原因及不同的開發目的，各商業CAD軟件的開發語言各異，內部數據記錄方式和處理方式也不相同，給CAD的數據交換與共享出了難題。不同企業在軟件選用時也會有不同的考慮。文獻[6]論述了一個水電設計院如何考慮三維設計軟件選型的話題，僅一個企業內部也需要考慮不同功用的軟件的兼容性。總之，無法避免的課題就是3DCAD的數據交換。

20世紀80年代以來，國外對數據交換標準做了大量的研制、制訂工作，也產生了許多標準。如美國的DXF、IGES、ESP、PDES，法國的SET，德國的VDAIS、VDAFS，ISO的STEP等。這些標準都為CAD及其他CAx技術在各國的推廣應用起到了極大的促進作用。

以 IGES （The InitialGraphics Exchange Specification初始化圖形交換規范）為例，它是被定義基于CAx不同電腦系統之間的通用ANSI信息交換標準。支持IGES的軟件通過前處理程序將當前系統內的選定模型輸出為標準的IGES格式文件，另一個支持IGES的軟件則通過后處理程序讀取該標準文件并自動在本系統中生成相應的模型。

廣為流行的STEP（StandardfortheExchangeof ProductModelData--產品模型數據交互規范）標準是國際標準化組織（ISO）制定的描述整個產品生命周期內產品信息的標準。它提供了一種不依賴具體系統的中性機制，旨在實現產品數據的交換和共享。這種描述的性質使得它不僅適合于交換文件，也適合于作為執行和分享產品數據庫和存檔的基礎。一些國家已經把STEP標準推向了工業應用。應用STEP同樣是用前處理程序生成模型數據的標準文本文件，由其他CAx軟件讀取并后處理生成3D模型。

不論是IGES、STEP，還是其他數據交換標準，目前都僅限于傳遞模型的幾何數據，而3DCAD的重要屬性--特征、約束、參數、歷史樹等--則喪失殆盡。這樣傳遞的模型被稱為惰性模型。使3DCAD協同設計的亮點大打折扣。

一些相關研究致力于完整參數化3D模型的數據交換。文獻[7]介紹了對于具有參數化和約束的形體模型，進行其構建歷史的跨系統交換的標準化基本原則。這些基本原則已應用于一個模型交換的概念證明試驗，模型交換依據了STEP標準ISO10303的最新增強條款。幾何數據及所得到的設計意圖的正確性在覆蓋范圍上僅限于一個子集，而非實際轉換器所要求的完整部分，并未解決所遇到的全部問題。

Guk-HeonChoi等在文獻 [8]中評估了當時（2002年）各種3D模型數據轉換的嘗試后，提出一個解決方案，試圖利用CAD軟件內置的宏功能來進行完整3D模型的數據交換。這個思路來自數據庫通過事件日志文件進行恢復的過程。他們嘗試利用CAD軟件的錄制宏功能，創建記錄建模過程的宏文件，通過一個前處理程序將其翻譯為一個標準的宏文件。當需要在不同CAD系統上接受該模型文件時，則由一個后處理程序將標準宏文件翻譯成該CAD軟件的宏格式，然后在該軟件中運行宏來重建模型并生成歷史記錄，包括相應的特征、參數和約束信息。為此需要定義一系列“標準命令”以做為“中間格式”，再開發出各個CAD系統對此中間格式的雙向翻譯程序。DuhwanMun等在文獻[9]中介紹了標準命令系列定義的研究過程，并展示了應用特例。

Guk-HeonChoi等力圖在沒有CAD商家參與的情況下獨立開發出模型轉換工具，這種創意的實踐勢必任重道遠，困難重重。因為每套系統都具有大量的內部命令和參數設置，操作習慣也不相同。在沒有原商家配合的情況下參透其所有設計思路已是不易，加之軟件版本的更新換代，小團隊的工作力量很難跟得上大公司的開發進度。即使開發出來付諸應用，還須要求用戶在設計過程中啟動“宏錄制”。工程設計過程顯然不能象跟著教科書做練習那樣按部就班，全程錄制一個設計勢必產生龐大的“日志”文件，內容包括無數操作垃圾，為后處理造成難以想象的困難。相比之下，文獻[7]所走的國際標準化道路更為可行，但需要大CAD商家和各應用行業龍頭的共同努力才能促成實用的國際標準出臺。

文獻[3]把同步建模技術列入對CAD數據交換的研究中，主要考慮到同步建模能夠對在不同CAD系統之間傳遞的模型進行智能操作。但同步建模的目的并非是解決CAD數據交換的問題，它僅能識別明顯的幾何約束，提高對初始模型重用的效率。

在目前沒有CAD數據交換的完美解決方案的情況下，上述文獻為我們在推進3D模型數據交換方面提供了寶貴的思路，其中一些思想并非沒有可能在企業或行業范疇里首先得到實踐并創造價值。

4 3DCAD推廣應用的意義

從時代的總體發展趨勢看，不發展就意味著落后和淘汰。3D設計可以實現協同設計、用戶參與、可視化、與CAx無縫連接、優化設計、仿真、全模擬虛擬樣機，實現PDM、PLM、MRO等先進設計管理技術應用，大幅、高質量提高行業設計及管理水平。關于3DCAD的技術上的意義，已有很多共識。在我們水電行業也不乏眾多體會和評價。文獻[10]借用霍爾的“三維結構”從系統工程的角度有趣地論述了3D CAD的技術思想，并闡明其對水電工程建設的意義。

從推廣戰略的角度來看，還應看到這一項技術和我們時代的發展觀念緊密相關。

在當今主流的發展理念中，“創新2.0”是以用戶為中心、以社會實踐為舞臺、以共同創新、開放創新為特點的用戶參與的創新。基于3DCAD的工程設計解決方案正是與“創新2.0”的思想不謀而合。人們早期對3D的期待[11]如今已成為現實，就是讓非CAD專業的用戶在第一時間或隨時地可以在虛擬環境中交互地任意瀏覽3D模型，這樣他們可以直接致力于處理完成他們本身的工作任務，而不必在不熟悉的交互界面上浪費寶貴時間和精力。

另一個主流發展概念“互聯網+”則是對創新2.0時代新一代信息技術與創新2.0相互作用共同演化推進經濟社會發展新形態的高度概括。“互聯網+”的“跨界融合”特征體現為融合協同、群體智能、伙伴參與創新等。基于3DCAD的工程設計突出的可視化與協同設計功能可以順理成章地創建工程中“跨界融合”的平臺，使在工程項目中設計團隊更好地協同工作，并可進行跨專業、跨單位的交流與合作。“創新驅動”的特征要求將過去粗放的資源驅動型增長方式轉變到創新驅動發展的道路上來，體現互聯網的特質。3DCAD的真正數字化特點正是實現工程設計資源互聯網化的基礎，3DCAD的上述特點提供了互聯網思維的平臺，可以有力推動發揮創新的力量。“重塑結構”的特征體現為用信息革命、全球化、互聯網來改革原有的各種管理結構。較先進的企業已經實現了設計過程在線審查的“同步”過程，其審查對象為基于3DCAD平臺的設計對象[11]。“尊重人性”的特征體現為對人性的最大限度的尊重、對人體驗的敬畏、對人的創造性發揮的重視。3D CAD把人工智能理論和技術與CAD結合，使計算機支持人類思維，模擬人類的思維方法和行為能力，推動設計自動化邁向更高層面。“開放生態”特征就是要把過去制約創新的環節化解掉，把孤島式創新連接起來，讓研發由人性決定的市場驅動，更好地實現創新價值。3DCAD是實現設計研發一體化的實用工具和有機平臺，通過進行協同設計避免部門和領域思維的局限，體現整體價值，甚至是跨企業、跨供應鏈產品的全生命周期的業務價值，關注解決方案的可集成性和互聯網特性，避免落入領域最優整體不優的陷阱[7]。“連接一切”特征是“互聯網+”的目標。首先要做的是實現所有資源的數字化。從工程設計上說，數字化的對象應包括上述3DCAD對象的所有特點，這樣在被連接到可行的互聯網范圍后才能實現連接的作用與價值。

5 在水電工程行業推廣使用3DCAD

在水利水電行業推廣使用3DCAD的價值和意義就是要讓水電工程的設計工作與時代同步。

一般認為我國水電工程三維設計的應用相對落后于其他行業。自PC普及以來，CAD在水電行業的應用也有30多年了。顯然水電行業是完全接受CAD的。但從計算機輔助制圖到輔助設計再到協同設計、管理，有一個很大的臺階要上。這不是從平面到空間的簡單幾何過渡，而是從傳統的工作模式到數字化、信息化的革命。文獻[12]給出了一個頗有價值的范例。某水電設計院大力推行三維協同設計，從平臺建設、培訓考核、技術交流，到項目實施，特別是制訂了內部應用規劃、實施辦法、使用手冊和操作手冊等，使三維協同設計逐步走上系統化、規范化的道路。這種模式可以為其他水電單位所借鑒，亦不失為行業推行3DCAD規范化的藍本。

關于在水電工程行業推廣使用3DCAD的思路，本文拋磚引玉地提出以下思考。

（1）關于3DCAD意義討論可以供單位決策者考慮。3D協同設計的思想和模式有助于一個單位的技術團隊建設，有利于項目負責人或企業領導掌握整體設計工作。規范化的3D設計方法可維持設計系統的正常運轉，即使當一個節點出現人員問題時，依據規范和已有歷史記錄的設計工作可以方便地移交到其他成員手中。可視化平臺則便于跨專業的工作協調、交流、審查等。

（2）推廣使用3DCAD的首要技術問題是平臺建設。過去制約3D推廣的一個問題是3D軟件價格昂貴，中小企業望而止步。隨著應用市場的蓬勃發展，社會經濟的整體提高，以及3D軟件價格下降，3D的使用成本將不再是制約性的問題。需要考慮的是如何結合本單位的發展，進行3D平臺的選型，就象文獻[6]介紹的那樣。

（3）水電行業中包含諸多工程專業，水工、機械、電力等，應用軟件首先要適合專業特點，又需要在行業內共享數據。因此數據轉換、共享就是一個不可回避的問題。目前仍需依靠STEP和IGES這樣的通用標準。可以考慮結合水電行業和專業特色進行二次開發。開展對通用標準的研究對促進水電行業數字化和信息化的發展具有實際意義。或許將來會出現水電行業的STEP協議，就象文獻[13]介紹的船舶行業正在進行的研究一樣。

在近階段，也可以采用一些權宜方案彌補數據轉換技術上的不足。例如在使用通用標準轉換模型數據的同時，可按一定的規范生成建模歷史記錄可讀報告——如在NX中導出“部件導航器列表”，其他設計者可閱讀報告了解原設計的歷史記錄，并可使用同步建模技術對傳遞的惰性模型進行參數化編輯。

（4）制訂3DCAD的行業標準。從協同設計和信息共享的趨勢看，都需要有相應的規范和標準支持。CAD通用技術規范（GB/T17304-2009）規定了CAD通用技術的標準化內容及實現CAD通用技術應采用的標準。新的修訂版特別強調了對通用的基于特征的參數化設計軟件主要功能的考慮；CAx信息集成，兼容IGES、STEP等通用模型標準；在網絡環境下支持協同設計、異地設計和信息共享；支持PDM；CAD系統的智能化、可視化和標準化等。

在該規范的指導下開發制訂3DCAD的行業標準是實施標準化的重要步驟。行業標準可能包括水利、水工、機械、電力等專業的具體設計規程。規程的內容可考慮包括加入以下內容：

1）對特定零件、特征名稱規定命名規則，便于對協同設計文件進行查詢、編輯等操作。例如，水輪機零部件名稱加前綴“水輪機_”，水輪機導葉名稱為“水輪機_導葉[序號]”，等等。

2）對專業參數變量的規定，利于數據傳遞自動化等用途。例如，對特定參數使用規定的變量名稱，象水輪機名義直徑用D1表示，導葉高度用B0，等等。

3）建模全約束的規范。只有全約束的3D模型才能進行正確的參數驅動。

4）歷史記錄報告的生成。在數據共享需要傳遞惰性模型時，同時按規定傳遞可讀性的歷史記錄報告。

5）制定適應水電行業需求的CAD模型質量標準或規范。三維CAD模型作為產品信息的重要源頭，其數據質量影響到后續工作的效率和準確性。文獻[14]研究了影響CAD模型數據質量的主要因素，提出了一些解決方案，并對航天企業的相關規范進行了論述，值得參考借鑒。

（5）組織開發建立行業或專業的標準件庫，標準個性化特征庫，知識熔接專業庫（專業知識庫）等。文獻[15]介紹了一個基于網絡的跨平臺標準件庫系統，可方便地嵌入到各種CAD平臺中，實現模具的智能化設計。文獻[16]介紹了一個使用知識熔接技術建立典型工裝的標準件庫的例子，其特點是通過控制工程規則，將特定的專業知識直接構建在產品模型中，從而能夠構造完全可重復使用的知識庫。類似的工作成果將大幅提高企業或行業的設計效率，有利于標準化建設和開展協同設計。

（6）對企業原有的有價值的設計成果進行數字化、三維化轉換。傳統行業中有大量知識財富以傳統載體的形式存在，將其數字化并與網絡接軌，可以使其原有價值提升，實現“互聯網+”連接一切的目標。

（7）加強3D設計的培訓和教學工作。逐步轉變在應用3D設計時的二維設計思維，提高工程師的設計水平。

6 結論

時代發展的特點是信息化和網絡化，基礎是數字化。3DCAD是工程數字化的平臺，是設計技術與時代發展的產物。3D的含義包括了特征、約束、參數化、可視化、智能化、協同化等多元屬性。從企業發展戰略和提高生產力、競爭力的角度看，都有必要推廣3DCAD的應用。水電行業已有很好的應用例子，需要決策者和工程技術人員共同努力在行業內推動3D設計技術的普及應用。在現階段的條件和基礎上，可以從平臺建設、標準化、系統化等方面出發，逐步走向全行業3D應用，使工程設計從計算機輔助制圖全面轉變為三維協同設計。

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1672-5387（2017）05-0071-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.018

2016-05-11

鄧 杰（1961-），男，教授級高級工程師，從事水力機械研究開發工作。