基于Creo的鋁模模塊化參數化設計

李光全 童思遠 任明杰

【摘 要】文章主要介紹了Top-down設計（至頂向下的設計方法）在建筑鋁模板行業設計中的設計思想和具體應用。以某一項目的樓梯為研究對象，運用Creo軟件對樓梯進行參數化、模塊化的設計。結果表明：此設計方法能夠有效地對鋁模進行改型設計，縮短鋁模的設計周期，并為其他項目設計提供技術支持。

【關鍵詞】Creo;Top-down;參數化;模塊化;鋁模設計

【中圖分類號】TU755.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0053-03

0 引言

鋁模板作為新興模板行業的翹楚，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使用材料，它具有施工進度快、施工質量高、性能穩定、施工安全、周轉次數高、不產生建筑垃圾及人工和材料成本低等優點。傳統的鋁模BIM設計使用的軟件工具一般是歐派克公司的Revit或者是達索公司的Solid Works等，使用這類軟件的設計是自下而上的，即在深化圖紙的基礎上通過各種標板與非標板及異型件的組合，實現配模、施工的目的。這種傳統的方式存在以下弊端。

（1）傳統的鋁模深化設計一般使用AUTO-CAD軟件，在配模時要求設計人員對工程現場的情況有一定的經驗，依靠設計者的經驗和三維想象能力進行設計，設計中出現的問題很難發現，出圖質量難以保證。

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

（3）傳統設計方法一般是小組配模，4～5人分工合作設計一個項目，在設計完成后，通常情況下為了保證設計的準確率需要進行自檢、互檢、交接檢查，而CAD數據交互困難、不直觀;需要大量的時間、精力。

（4）面對設計變更，修改已經裝配好的模板時需要逐個操作，低效且不符合設計的習慣。

（5）面對新項目，即便有類似的結構，也需要重新配模，無法做到同步更新;在設計過程中，需要頻繁地修改模板設計尺寸，無法做到自上而下的自動變更。

（6）需要預拼裝工序的配合，在預拼裝過程中將傳統的二維設計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，預拼裝的周期為一周，這無疑又增加了整體項目完成的時間。使用三維設計，可以減少預拼裝時間，拼裝工序只需要將物料整理過后打包即可。

為了減少以上傳統配模方式的弊端，提高工作效率、減少設計錯誤，目前越來越多的鋁模板廠家選擇使用三維軟件進行設計。市場上針對鋁模板開發的三維軟件也越來越多，比如基于PKPM平臺開發的PKPM鋁模板和基于Revit平臺開發的“神機妙算”等軟件，在設計上實現了所見即所得。首先在軟件中建立標準件庫，這些標準件品種規格繁多，性能用途各異，而且標準化、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，根據設計人員分工的不同將三維建筑模型上不同的節點分配給不同的設計人員。設計人員通過標準件庫直接在三維模型中配置標準件庫中的鋁模板。

標準件直接通過參數進行調節，避免了構件尺寸誤標出現的問題。在使用三維軟件的前提下，對于復雜節點，大大降低了設計難度，提升了設計速度。每一塊鋁模板都可以在建筑模型上體現，展示成型結構效果;設計中出現的問題也可以直觀地在模型中表現出來，同時三維設計軟件帶有碰撞檢測和缺漏檢查的功能，減少了自檢、互檢、交接檢查的時間。在這種情況下，配模設計的效率、準確率都得到了極大的提升。一般傳統的二維設計方法設計一棟2 000 m2的樓房需要一個小組4個人7 d的時間才能完成，后續還需要進行預拼裝，用來驗證設計錯誤是否發生;而在三維設計下，同樣的面積只需要2個人3.5 d的時間就可以完成，提升了工作效率，同時準確率也得到了極大的提升。同時，三維設計軟件是專門針對鋁模板設計平臺開發的，在面積計算、加工圖導出等方面更加方便。

本研究將介紹如何利用Creo軟件對鋁模進行三維化、立體化的表達;通過建立以某項目的樓梯反三步的骨架模型，對鋁模板進行模塊化、參數化的設計，從而達到滿意的設計效果。

1 模塊化分析

在一般的住宅項目中，樓梯通常為雙跑樓梯，這是應用最為廣泛的一種形式，其在兩個樓板層之間，包括兩個平行而方向相反的梯段和一個中間休息平臺。通過分析可將雙跑樓梯分為休息平臺、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模塊單獨分析和進行參數化設計。

2 參數化設計

參數化設計是設計中的一個重要思想，參數化設計是以變量參數、約束關系和數據關聯控制產品設計意圖的設計方法[2];它分為兩個部分：參數化的圖元和修改的參數化。在鋁模設計中，不同的構件是以圖元或者特征的形式存儲在標準件庫中，這些構件通過調整不同的參數區別構件類型。修改的參數化可以通過修改參數使圖元或者特征的修改快速傳遞到其他相關文檔。

參數化設計是Creo重點強調的設計理念。參數是參數化設計的核心概念，在一個模型中，參數是通過尺寸的形式體現的。參數化設計的突出優點在于可以通過變更參數的方法修改設計意圖。

在鋁模設計的初期，構件的形狀和尺寸存在一定的模糊性，可能需要在整體設計完成后再逐步確認尺寸;這就希望構件的形狀、尺寸有著一定的柔性，方便修改。由此引出另一個重要的設計思想——Top-down設計，又稱自頂向下設計，是一種從總體設計到局部設計的過程和方法[3];它需要的設計水平較高，需要先確定設計的總思路，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，再通過發布幾何的方式，將各個零件參數傳遞到零件當中，從而完成一個設計流程。

在此實例中，首先應該分析能夠參數化的特征，然后根據特征建立參數，根據參數建立參數化草繪，參數化的草繪表示出構件的幾何約束。幾何約束包括平行、垂直、相切、對稱和相關的尺寸。除了幾何約束，還有邏輯約束即不同尺寸之間的約束關系，通過定義尺寸變量及不同尺寸在數值和邏輯上的關系。

建立了參數化的草繪，再通過拉伸旋轉等特征最后產生參數化的模型。生成的模型能夠隨時根據不同項目的需求進行更改，在更改時只需要更改不同的參數即可同時生成適應于不同項目的三維骨架模型。將特征快速地傳遞到組裝圖中，從而實現鋁模的自動設計和裝配。

2.1 參數的確立

通過分析確認相關參數，并在布局中指定參數并將其聲明到反三步組件當中（見表1）。

Layout（布局）需要設計者對整機或者模型有著清晰的認識，能夠提前規劃好每一個零件間相互的尺寸關系與裝配關系;以前是在圖紙上表達裝配關系?，F在是由計算機體現，并且與繪制的整機模型相關。Layout（布局）其實就是參數的傳遞。與在單個零件里建立參數的效果是類似的，只是在單個零件里面的自定義的參數只能在本零件中使用，而Creo的布局里自定義的參數則可以在不同的零件/組件里使用，對設計者而言，布局就相當明了且直觀。

Layout（布局）提供了一個簡單的草繪環境，方便讓設計師在做頂層設計時預設每個零件的裝配關系和約束條件;實現自動裝配的功能;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，將特定的參數進行修改，就能自動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單的外形表示構件，也可以建立表格表達構件。即便是建立外形，這些形狀也是為了能夠讓其他設計師明白設計意圖，并不是必需的，也就是說，是可以不繪制的，真正起到決定性作用的是表格中表達的參數。

2.2 參數化模型的建立

在傳統的大型設備的研發設計中，通常采用骨架模型的設計，這是一種典型的自頂而下的設計思想。所謂的骨架模型，是由一些沒有質量屬性的基準要素組成，比如基準點、基準軸、基準坐標系、基準曲線和曲面;骨架模型一般按照每個零部件在空間中的靜態位置或者是按照運動時的特定的相對位置而繪制，相當于形成產品裝配的整體框架。設計好骨架模型之后，通過發布幾何—復制幾何的方式，將繪制好的曲面和相關基準導入零件中，再在組件中將指定的零部件以默認組裝的方式裝配。如果后期不同的設計師需要不同的參考時，可以將所需的參考加入發布幾何中，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裝配組件中使用，這對團隊標準化設計十分適合。骨架模型會捕捉并定義設計目的和產品結構，可以使設計者將必要的設計信息從一個子系統或裝配傳遞至另一個子系統或裝配。對骨架所做的任何更改也會更改與其有關聯的元件。研究人員在已經建立的反三步模型的骨架的基礎上進行配模，建立包括反三步的側板、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曲面、基準通過復制幾何復制到零件中，并根據實際需求在導入的鋁型材上打孔或者焊接加強筋等生成帶有質量參數的實體（復制幾何即復制所需元件的曲面、面組或是其參考，然后通過缺省到默認坐標系的方式導入零件中）。這樣做的優點是在設計修改的時候，骨架中的參數或者設計意圖的變更可以直接傳遞到零件實體當中，帶動質量屬性的變化，從而驅動其工程圖產生相應的變化，這樣就減少了在生產活動中因設計的變化導致工程圖沒及時更新，從而避免出現做錯零件尺寸的現象。

完成反三步的設計后，Creo即可依據鋁模設計的規劃進行變更。當設計變更或者設計意圖變更涉及多個零件的尺寸或者位置狀態時可在骨架模型上進行相應的修改，設計變更或者設計意圖的變更將直接反映在工程圖上。當新的項目建立需要新的反三步模型時，可以通過修改布局中的參數的值直接修改反三步骨架模型。當布局或者骨架模型變動后，反三步組件也會自動再生，同時將新的數據傳遞到實體模型和工程圖中，這時設計人員只需要更新實體及工程圖就可以完成新項目反三步模塊的設計。

3 結語

本研究以雙跑樓梯的反三步模塊為例，簡單闡述了Top-down設計的設計流程和設計方法，介紹了模塊化、參數化的設計思想在建筑鋁模行業中的簡單應用。通過運用Creo軟件，在頂層布局中設置好各類參數，從而在設計初期闡明整體項目的設計目標，在同一項目的不同設計周期中可以通過修改參數的方式，將數據直接傳遞到各個零件實體及工程圖中;在設計不同項目時可以直接借用Layout修改參數，以達到設計目的，從而實現從設計到生產的一致性。該方法提升了設計效率，縮短了設計周期，同時為模塊化設計奠定了基礎。

參 考 文 獻

[1]王恒升，孫彥，廖友軍.基于pro/E的緊固件快速裝配[J].機車車輛工藝，2009（1）：27-29.

[2]李少海.基于CREO平臺的齒輪軸參數化實現及二次開發[J].煤礦機械，2015，36（10）：273-274.

[3]魏強，劉長青.基于Top-down設計方法的卷取機設計[J].冶金設備，2009（2）：16-18.