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毕业设计方案外文资料翻译
附件1：
外文资料翻译译文
关于参数化设计的回顾和一些经验
JavierMonedero
DepartamentodeExpresio´nGra´ficaArquitecto´nica,UniÍersitatPolitecnicadeCatalunya,Diagonal649,08028Barcelona,Spain
摘要：
在过去的数年中，作为呈现和传递工程计算结果的计算机辅助工具，有着非常显著的发展。
但是直到今天，还没有一种开发软件能在协助设计产生一种简单、互动的建筑形式方面取得与之相当的进步。
更糟糕的是，那些将计算机视为一种直接有效的工具，并利用其所提供的强大功能来设计建筑形式的设计师们仍然是个例外。
建筑学的产生发展依然延续着传统的方式，这之中计算机只不过是一个起草工具而已。
尽管意见上会有很大分歧，但是我们可以很容易的确定引起这些现象的主要因素。
在我看来，试图推进过快是一个错误，举例来说，有人主张使用基于专家系统和人工智能的集中设计方法，但是却没有一个合适的工具来生成和修改简单的立体模型。
我们现在所拥有的建模工具并不理想。
它们的主要限制是一旦模型建立，它们缺乏适当的工具来交互式的修改它。
任何设计活动都有一个基本方面，wherethedesignerisconstantlygoingforwardandbackwards,re-elaboratingonceandagainsomeparticularaspectofthe即设计者在不断前进和后退中，一次又一次的重新制订模型的某些特定方面model,oritsgenerallayout,orevencomingbacktoaprevioussolutionthathadbeentemporarilyaband，或其总体布局，甚至又回到以前暂时放弃的那个解决方案上。
本文presentsageneralsummaryoftheactualsituationandrecentdevelopmentsthatmaybeincorporatedtoarchitectural提出了关于参数化设计的实际情况和可能被纳入到未来建筑设计工具的最新发展总摘要，以及他们的一些对于建筑的中肯的批评意见。
关键词：
几何造型；建筑和建筑模型；参数化设计。
1.1Current3D-mod目前的三维模型
在建筑行业，三维模型从商业视角上被划分成如下几类技术：
多边形有孔类建模，实体建模和类似曲线曲面的非均匀有理B样条的参数化表面建模。
大多数建筑模型的生成仍在使用第一种方法，再加上一些适当的允许使用如下命令的接口，例如“三维表面”，具有“宽度和厚度”或“旋转波纹”“突出波纹”“标准波纹”效果的折线，等等。
这是由于建筑模型具有主要由平坦的表面组成的特征。
许多建筑师仍在使用所谓的2.5维软件（宽线条或将折线描述成的墙体压延到特定高度>，它可以用来绘制飞机模型和简单的三维模型。
实体模型也被广泛采用，因为它支持基于布尔数学体系的操作系统，可以被用来创建更复杂的模型。
曲线曲面的非均匀有理B样条及其类似曲线很少被用到（除了FrankGehry>，这是因为一般的预算不会支持具有刻文的或是自由形态的表面。
在许多著名的电脑类书籍中我们都可以找到和学习三维几何造型的历史，就像Foley的generalexpositionofcomputergraphicsorMorten-计算机图形一般论述和Mortenson的关于几何造型的更专业教科书。
这证明了一个很短的概念。
这个概念的目的不仅仅是在合适的文章中找出主旨，而且强调了已出版的文章和普遍使用的技术在时间上的差距。
正如我们将看到的，这种距离与第一部出版的参数化设计书籍和我们不远的将来之间的差距大致相同，大约是二到四年。
那就是说，更改当前在计算机辅助设计中使用的技术的时机已经成熟；虽然大多数使用电脑的建筑设计师们没有意识到，但是这种变化的确在CAD/CAM中发生了。
1.11.1.EÕolutionandlimitationsofCADmodelingCAD建模工具的发展和局限性
世界上第一种方法和技术被投入使用是在二十世纪六十年代，这其中同样包括基础的二维原语，以及新的实体，如样条。
Bezier和DeCasteljau的工作可以追溯到这段时期。
它可以扩展到三维线框和表面补丁。
新的绘图方法与Sutherland这个名字是分不开的，在1963年他发表了关于此命题的论文。
多边形网格在二十世纪六十年代末被使用，不久之后就出现了可形象化这种技术的方法，正如现在被称为平面阴影的技术（Bouknight，1970>或者，更好的叫做Gouraud着色技术（1971>再或是，更好的Phong着色技术（1975>。
现如今大多数系统都已经停用这种技术了（自那以后大约使用了22年！
>。
自由形态和刻纹表面在二十世纪七十年代取得了全面的发展。
现今所使用的最先进技术可以将曲线曲面<非均匀有理B样条）描述成文本，这种技术是由A.R.Forrest在1980年发明的。
几年前（在它问世的十五年后>，AutoCad通过利用一个额外的模块（AutoSurf>融合了它，这种模块可以兼容版本13。
实体建模是基于CSG的原始形式，它同样诞生于二十世纪六十年代早期（在美国的MAGI实验室），并发展得相当缓慢，直到20世纪70年代初一些完整的产品出现在欧洲和美国。
世界上第一款商业软件包，就像Evans和Sutherland在1980年使之商业化的Romulus软件包，出现在二十世纪七十年代末期。
有一个很重要的参考文献也在1980年出版，它是由Requicha总结的，内容关于当时制造工艺的现状和本文引述的五个主要系统。
在当前，大多数系统使用的都是两种系统的集合，一种是B-Reps与CSG的融合，另一种是利用B-Reps作为外壳允许多重表述和数据之间的转变。
这解释了为什么AutoCad会自从版本13以来在淘汰掉AME系统后使用ACIS（Alan,CharlesandIan系统>的原因，前者仅是一个CSG系统而且不能执行应有的操作。
1.2Editabilityofcurrent3Drepresentations当前可编辑的三维描述系统
所有这些系统，如果从近似互动方式的观点来设计的话，会受到很大的限制。
主要原因是：
·缺乏资源来编辑表面。
这在建筑场所中尤为明显，你必须重新设计和调整以达到验收建筑的标准。
·在真正交互式设计环境下，缺乏资源来编辑卷册。
·在修改过程中，缺乏资源来保持卷中各部分之间的联系。
·缺乏实体与表面之间的整合。
在CAD/CAM共同体中，我们现在所用来创建三维建筑模型的方法，在很久以前就被淘汰了。
所以不同类型的研究已经开展，目的就是为了改善当前的情况。
在进入参数化设计前，我们会提供一些线索。
1.3.1.3Object-oriented3D-model:
E-R面向对象的三维模型：
E-Reps
以一个实体建模系统为例，就像当今建筑界所使用的那种，如果某人想做一些修改，例如在墙体上开一个孔，那么他必须要编辑CSG树，找到原始地址，然后整理系统顺序以重建信息树。
有了面向对象的方法，交互技术会变得更加便利并且更易于管理。
有了它，能够修改对象的内部数据结构以及系统操作的运算法则，就隐藏在对象本身。
这样，发给对象的指令无需详细说明修理系统应该完成什么工作，而只需指明需要做什么工作（例如，更改墙体上孔洞的位置>。
继承的机制可以将所分的类别与超分类和子分类联系到一起，从而保证了先前说明的关系不会改变。
不幸的是，这需要数据的内部表示，这一点正是现如今的CAD系统所欠缺的。
大致来说，所谓图表模型就是一种表示法，即利用一系列的参考资料来建立模型的实体联系。
Hoffman[8]曾经介绍了E-Rep（可编辑的表示法>术语来表述这种结构。
这意味着，在未来它会引起人们的极大兴趣。
这种结构与CSG图表相类似，但是有一些重要区别。
在CSG中图表页的节点通常是最低端的原始系统，也就是一半的空间，反之，在E-Reps系统中，通常都是B-Reps。
同样的，在CSG系统中，节点通常是一些运营商，而且主要是基于布尔数学体系的运营商，然而在E-Rep中这些节点可以囊括范围广泛的类型，包括素描，彩票类型，功能附件，混纺或尺寸。
从另一方面来说，CSG图表系统具有良好的定义和有保障的高效性。
这不是E-Reps所具有的，所以看起来我们仍然需要做一些必要的实验。
2.参Parametri数化设计
参数化设计，从某种意义上说，是一个相当受限的术语；它暗含了如何用参数来定义表格，其实，在实际使用中利用的却是关系。
我将从广泛的意义上来使用这个术语，包括在其他标题的文献中可以找到的，如关系模型或变异性设计或基于约束的设计以及其他题目，这些在以下段落中会有不同程度的引用。
还应当指出的是，从一个初级着眼点考虑，还没有一个明确的界限能够分清所谓的参数化设计和当今被称为计算机辅助设计或建模之间的差别。
在这种情况下，图表在基础模板下，通过整合嵌入在模型中的各种实体被创建出来，这个模板被填充进了他们的“固有参数”。
举例说明，一条线就是一个实体，一旦它的两个参数（长度和方向>被指定了，那么这条线就变成了模型的一部分。
一条折线就是由一系列的直线首尾相连而得到的，它的位置参数同样要在创建时确定。
棱柱形网状卷是通过设置其位置、长度、宽度和高度这四个参数，来嵌入到模型内部的。
除了这些，我们还可以通过对原始系统的整合，以及与之保持同步，来定义“blocks”<计算机辅助设计）,“Cells”（微型工作站>和“components”<其他系统），使它们获得不同的整体价值。
还有，在当今的CAD系统中，有工具允许我们对原始的实体做后期的修改。
然而，对于复杂的基础件，当我们想独立的对其部件进行修改而又想保持部件之间的联系时，它是不起作用的。
我们可以将金属窗口定义成一种屏障，但如果我们在安装时更改了它的比例，结构的横截面尺寸就会按照相同的比例在全部量级上发生变化，并且由于许许多多不同的开放尺寸，令我们再也不能使之保持一个标准结构。
但是，我们仍然可以通过一些诸如AutoLisp式的程序语言定义一个过程，它仅在嵌入模型的时候，起到明确关系和定义合适尺度的作用。
它已经在文字和基本感官上实现了参数化设计。
并且很显然，建筑学对它很感兴趣，这主要是基于一个事实，即可以在族里实现分类的那些重要构建元素，有着自发的被参数化的倾向。
而且，如果这可以以一种合理的方式实现的话，它可以节省大量的时间和计算机内存，也将有助于这些元素的管理。
由于在参数化设计中族的概念很重要，我们可以正式的定义它为：
一系列只在其部件的维度上有差别的元素。
描述一个族，阐述族设计的初步理念，我们只需要两件事，一个是拓扑描述，详细阐明组成它的各部分的信息以及它们彼此之间所保持的联系；一个是空间上的安排，明确优先权和空间上的限制。
这样，我们可以定义一个抽象的元素集合并且将它们嵌入到我们的模型中去。
这是一个好的开始，但是一旦它被嵌入到模型中后我们又想修改它该怎么办呢？
对于这个问题，参数化设计在早多年以前，就以一种令人期待的方式，适时的在CAD/CAM中展开了关于它以及一些基础约束理念的研究。
3.Constrain约束
CAD中的一个基础问题,是如何弄清楚我们对待事物的一些直觉上的认识，从而令机器可以自动的对待和说明实物。
一旦我们想要确切的阐述“常识”的合理概念时，这个问题就显示了它的重要性。
从建筑学的观点看，这就像是认为地板“必须永远”是水平的，或窗户是“属于”墙的，并且以这种方式来制定一个规则，而机器是不能违反这种明显的规则的。
这一点的实现需要借助约束的手段。
早在1963年，约束手段通过借助Sutherland的开创性工作得以在CAD中首次出现。
由于它的产生事关参数化设计的正确概念，所以人们在任何CAD系统中，以基本的方式提出了约束的概念。
例如一条折线，可以被理解成依靠端点约束联系在一起的曲线的集合。
但是，在一般情况下，约束的概念意味着模型需要一个扩展的数据库。
一个约束就是一种关系，它限制了单个实体和实体组的动作。
关于约束的例子有很多，例如：
一组直线被约束成平行、直角或是共线，一条直线被约束成与圆弧相切，约束两个汽缸的同轴度，一维约束小于某一幅度，或等同于某种特定规模的倍数。
在约束的概念中，暗含着对过约束自由度概念化模型可以作一个具有n个变量的或独立维度的复杂形式的拓扑描述。
每个约束减少了一种选择性。
从另一方面说，约束的数量越多，就越难保持分配给剩余自由度的不同价值的一致性。
如果一个模型欠约束，那样就会很难确定其结构，这是因为，还有一些额外的参变量必须要确定。
如果一个模型过约束，其结构同样很难被确定，因为在某处会出现矛盾冲突。
约束造型要求所有约束的定义都应在模型被赋值之前确定，或者，换句话说，模型的自由度应为零。
一个系统解决欠约束和过约束的能力是其效率的最佳证明。
一些程序告知用户，模型不可以定义，只允许用户查找其错误。
一个合乎设计理念的程序，应该有一个约束操控模块，使其能够提供默认参数以防止欠约束模型的出现，并能将着这些参数与其他一些可能已经明确定义的对立参数告知给用户。
约束同样可以分成两种，一类叫做几何约束，一类叫做物理或工程约束。
几何约束包括：
平行、垂直、相切和维度。
然而模型的建立同样也可借助于公式，例如
。
约束也可以被定义成一种有条件限制的关系，就像：
如果
，那么D1=10cm，否则
。
操作系统彼此之间最大的差别就在于约束被输入和控制的方式。
一般来说，这会强加给用户一些额外的任务，用户除了要给模型选择实体，标记位置设定维数以外，必须要明确定义其与其他模型实体之间的关系。
4.Evolutionofparametricdesigntechnique参数化设计技术的发展
除了上文提到的IvanSutherland的开创性工作，Hillyard和Braid[1]大约在1978年也提出了一套系统，它允许几何约束的规范由部分联合坐标系以这样一种方式，即在特定的公差范围内对可能发生的变化保持阻止，来协作完成。
这个提议，以我们现在的观点来看，是在思想上毫无认识，完全没预料到的提议。
Gossard和Light[2]视此项工作为他们自己工作的基础，他们认为它可以被引作初级参考文献，以在更加成熟、理性的方面解释参数化设计的意义。
Gossard和Light的工作在下面会提到，以作为一个基本原则来解释什么叫做变异几何学或变异性设计，这些工作是最重要的一步，因为它利用新的算术和几何工具提供了几何表示法，从而打开了建模普遍化的道路。
在二十世纪八十年代末期前后，当几何建模、自由曲面和实体造型这些主流技术已经被容纳吸收时，人们逐渐意识到，建模技术应该朝着在模型草拟后增强交互能力和修改能力方面发展。
在当时已经有一大部分已出版的重要文献和书籍，也有一些研究员撰写的直接涉及本领域的参考文献，这些文献都旨在恢复当时的生产力水平。
现在我们知道了这个领域共有两个组织，一个正变得越来越迂腐，而另一个正在吸引越来越多的研究者的目光：
1.正如Roller[7]所说的那样，我们可以将它称为变量设计或是借助于设计程序的选择性模型静力生成。
这些系统可以依赖于当今的模型内部表示法。
2.借助于更细心制作的系统，图表生成和交互式方法在模型生成之后，允许修改其维度和约束。
这些系统意味着模型内部表示法的更改和延伸。
第一组的最大欠缺就是不能做第二组所能做的事，那就是，以交互式的方式更改模型的一些特征值。
另一方面，如果用户掌握一些基本的设计技术，那么第二组的工作方式就可以适应当今的CAD系统。
第二组的主要缺点是我们必须要等上若干年，直到一个稳定的参数化建模系统在当今研究员所使用的程序中被综合起来，这种综合是基于下述研究工程中所列举的不同选择。
4.1.4.1宏Variantsprogrammingbymacrosorprocedura宏宏变量设计或程序建模
使用一个非常原始的参数化设计系统的最简单方法，就是去记录一个用来创建模型元素的命令和数据值的脚本。
如果这个脚本被编辑，并且数据值被改变，我们将会得到一系列同类型不同尺寸的变量。
我们可以通过程序语言来精炼这种方法，例如利AutoLisp来写一个宏，一个主程序或是一小段程序，来执行合适的动作以建造元素的模型（这三个术语的不同点可以看作是数量上的不同，例如一个宏里的一些线段或是简单程序的一些页>。
用这种方式，模型就可以合并一些与用户之间的交感作用，那即是说，它能以变量的方式记录元素的主参数，并在程序激活时向用户请求它们的值。
它同样也能合并一些条件公式以及一些可能增加此方法趣味性的简单等式。
变量设计相当于图表设计中的一个基本形式：
原始实例。
它同样也存在于模型和元素的生成中，借助于一个程序，它可以依次调用建模所需的指令。
为了预防错误和保证表示法的正确性，用于输入的数值必须要在之前定义的范围之内。
这种方法和我们如下会看到的方法之间最主要的区别就是，前者所使用的命令已经在CAD实体造型中使用了。
程序会读取用户输入的数值，并执行一系列的指令以完成造型，这个程序就是由实体造型提供的。
这个方法的主要限制是：
变量的数量和范围被限制，这是因为没有合适的方法来控制变量，从而导致无效的结果。
此外，结果是不能被编辑的；改变模型的唯一方式就是重复这个过程。
然而，这种建模方式在工业中被广泛采用，而且如果用它来实现模型的不需要更改的简单元素的实体化时，是很高效的。
这种方法在建筑行业被广泛采用。
4.2History-basedconstraintmode基于历史的约束建模
一个绘画型交互式参数化实体造型系统允许用户创建一个指令模块，它能用作向系统输入参变量的根基，也能通过对模型成分的封闭性描述，用来向用户请求适合于模型的约束规范。
这保证了无论何时指定任何新的变量都不会产生错误。
就像我们之前所说的，我们必须要使用一个延伸的可供选择的内部表示法。
我们有许多不同的方法能用来在参数改变后生成新的模型。
现在最广泛使用的可能就是有时被称作“基于历史的设计”或是合适一点的“参数化设计”（与变异型设计相反>或者是“建设性的参数化设计”。
当今，许多商业上利用的参数化实体造型系统，都是利用一个数据结构来跟踪依次的顺序来创建模型。
任何操作，连同用来完成此操作的数据都被记录下来，因为其在构建一个特殊模型进程中会占用资源。
运作中的参变量可以被几何实体化或是公式化。
通过修改在特殊操作中所使用的数据，我们可以修改模型。
再验算的模型会在保持联系时对更改其几何特征有影响，这种联系就是不同实体之间有目的联系。
这种方法同样也被称作建设性的参数化设计，因为次序被合并，并且命令直接向用户请求，次要实体的规范，例如划线或刨平轴或是用来定义弧的圆等等。
这些建设性的元素对于组成模型的剩余实体来说采取的是同样的约束。
商业系统的一个缺点是，它试图将建设性的位面和轴系呈献给用户，而实际上它们确是系统所真正需要的。
一旦模型完成而且自由度变为零，并且模型既不欠约束也不过约束，那么一个结构图就完成了。
历史记录是通过一个定向图表完成的，那里的节点可以呈现实体和圆弧的操作。
图表的指向遵从于电磁波的约束。
其结果就是一个图表循环图。
要想改变尺寸就等同于改变相关约束的值。
加入一个几何约束会更加复杂并且需要校验可能的过度约束，找出空间值并重建图表。
大体上，所涉及到的实体和操作，必须按照既定的规则和指向来构建。
同样，程序上的单一改变会强制系统重新计算平均约50%的几何信息。
无论如何，一旦图表自动重建了，那些参量就会重新赋值模型也将重新验算。
4.3VariationalgeometryandÕariationalde变化的几何学和变异性设计
与前面提到的方法不同，参数化设计基于变化的几何学，会根据实际情况重新验算设计，并遵从独立的序列以达到实际情况的要求。
这种方法依赖于对参变量的描述并借助于等式和可解决这样问题的系统的有效性来实现。
关于此问题的基础参考书目是由Gossard和Light[2,3]出版的文献。
所需要的方法就同以前一样，即系统既不欠约束也不过约束。
这个系统与前者相反有一个优势，即他不依赖于模型已经创建的方式，并且在输入时能够接受任何情况和任意模型。
维度被视作一种约束，它可以影响到模型中的一系列特殊的点。
被三维坐标定义的一个空间物体，具有n个顶点就会有3n个自由度。
在这些顶点中的任何一个被更改后，为了要计算这个新几何体，我们必须要解决3n公式（具有3n个自由度>的问题。
我们可以很容易的得到许多这样的公式，例如，给出三点的平面公式和任何强制四点共面的公式。
相似的，简单的二次曲面，例如圆锥面和球面就可以这种方式来呈现。
因为距离参量也包括在内，所以约束公式将是二次的，并且因为这个原因，一般会是非线性的。
数字方法已经被用来解决这个问题，并且由Gossard和Light所提出的方法会减少建模所需公式的数量，他们是借助于雅可比矩阵来找出参变量的，并且利用了一个可双向传播的电磁波系统。
尽管如此，它的花费还是很昂贵的。
它能否被用作建筑建模，在目前来看是值得怀疑的。
4.4.4.4Rule-basedÕariants:
geometricreason基于规则的变量：
借助于专家系统的几何推理
上述方法有许多重要的难点，例如，需要详细说明约束的精确数量，亦或是用数学的方法解决许多公式问题。
为了避免这些以及其他一些问题，我们需要提供一些选择。
在他们之中，有一些来自于人工智能并且可以引用专家系统。
Bru¨derlin[4],Sunde和Kallevik[5],Aldefeld[6]或Veroustetal.[9]是这个领域中最杰出的研究员。
这些可供选择的技术将模型视作，可以利用一系列几何实体，以及彼此之间联系的事实来描述的东西。
一个表格可以通过一系列逻辑谓语，利用诸如Prolog和Lisp之类的语言来描述。
一系列的规则被指定来联系这些约束。
这些规则通过一个推理引擎来应用，并产生一个满足初始约束和产品规则的特定模型。
这些谓词可以制定系统的维度，例如两直线之间的距离或几何关系或线性关系，其推理法则可如下表示：
从公式左边的三个表达式中可以导出，点P在线L1,L2的交叉点上。
这种方法仍在探索中。
直接叙述这些谓词是单调乏味的，非主观的而且倾向于错误。
确定建立一个特殊形态所需要的约束数量也是很难的（“唯一的问题”>。
有许多系统可以通过额外的谓词和几何控制模型的手段解决这些问题，这些手段是用户通过一系列原始固有的可自动更新的逻辑谓语提出的。
仍然的，这种方法也很昂贵，也有待于提高。
4.5.4.5基于Parametricfeature-baseddesign特征的参数化设计
什么是CAD\CAM的特征？
直接的答案就是，可以通过机器操控的一串特殊序列，从棱镜碎片中萃取的素材。
特征包括“槽”，“洞”，“盲孔”或“袋口”，“斜面”，“带条”，“突起”等与之相似的东西。
但这仅仅是从CAM的视角来看，并不完全符合CAD的视角，这个差别主要在设计程序的第一步上。
从一个更普遍的观点上看，我们可以说一个特征就是一个实体，它归属于语义的命令比几何的命令更高级。
在文献中，也同样会找到关于特征的定义“在精确文本中具有明确功能的图表”。
第一个关于它的作品可能是剑桥大学的A.R.Grayer于1976年所撰写的博士论文（“计算机中设计和制造的连接”>，它阐述了试图自动建立CAD和NC系统之间的联系的理念。
这份作品来自于一个曾在知名CAD系统里工作过的研究团队，这些系统包括BUILD,ROMULUS和ACIS。
到二十世纪八十年代中期，这个话题得到了极大的发展，直到它发展成为CAD\CAM系统中最活跃的研究领域之一。
在二十世
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