CAD技术亮点研究管理论文

随着信息化概念的热炒，工程勘察也在与时俱进。从前两届会议的名称“岩土工程计算机应用研讨会”到本次会议换名为“工程勘察信息化论坛”就是见证。本届会议距第二届会议已经四年之久（第二届于2001年11月在杭州召开），科学技术的发展日新月异，信息技术的发展更是一日千里，未参加会议的关心工程勘察信息技术发展的读者们一定迫切希望了解近年来信息技术在工程勘察中的新进展和新动向，或更希望了解适用于工程勘察行业的软件动向。本文不敢对本次论坛进行全面评估和总体介绍，仅从参会者的角度，对三维地质建模和自主产权的勘察CAD平台谈些个人看法，供参考和讨论。

1三维地质建模的意义

我们知道，工程勘察设计成果的主要表现形式之一是各类图件，所以又有图纸是工程师的语言的尊称。工程图纸的绘制早已计算机化，这不用多说了。唯一要多罗嗦的是我们一般地将计算机辅助设计(CAD)就直接当成计算机制图来理解，并且直呼CAD制图，这稍微狭隘了一些，但既然已经成为了习惯约定，我们这里所提及的CAD制图就暂且理解为狭义CAD。

在传统的工程勘察内业整理工作中，地质制图花去了地质师的大量时间和精力，因此CAD在工程勘察中的应用成为工程勘察信息化的重中之重，这是毋庸置疑的。国内工程地质计算机制图也已经走过了二十余年的探索和应用历程，现在谁要是还不能应用计算机绘制地质图件，那是找不到饭碗的，可见计算机地质制图的普及和应用程度也已经达到或者说早已达到了生产应用的水平。本次会议的代表和厂商，关于CAD技术的发言占了较大比例。

关于工程地质计算机制图，我们甚至可以说，凡是思考过此类问题的地质师，最后都会不约而同地走到三维制图这样的思路上来。为什么会如此的殊途同归，我想主要有两点，一是主观为自己，二是客观为他人。为自己简化繁锁的制图过程，建立了三维地质模型，其他切制剖面图平截图的事情就可以随心所欲了！为他人主要是指地质图件在提供给其他专业使用的过程中，在表达上难以让非地质专业的技术人员理解，特别是一些地质结构面的空间组合关系，有时我们自己都不一定能分析透彻，虽然可以用类似于赤平投影这样的工具来表达，但仍然并不直观，一些影响到工程建筑物的布置和稳定的地质缺陷体，很难在二维图上真实地反映出来。显然，计算机三维地质建模是地质、设计、施工等专业都迫切需要的，也是工程科研所需要的，在进行工程三维稳定分析计算时甚至是必不可少的。

2三维软件的发展与应用简述

2.1CAD技术的四次革命

被称为四次CAD技术革命的驱动器实际上就是三维问题的提出与解决方案的形成。

20世纪60年代出现了三维CAD系统的雏形；20世纪70年代，法国人提出了贝赛尔算法，使得在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作；法国达索（Dassault）公司推出了著名的三维曲面造型系统CATIA，导致了第一次CAD技术革命。CATIA被称为贵族化的曲面造型系统，据有关资料介绍，当时在国内租用一套CATIA的年租金需15～20万美元。

20世纪70年代末到80年代初，美国SDRC公司在当时星球大战计划的背景下，由美国国家航空及宇航局（NASA）支持，在CAD技术方面进行了许多开拓性研究，了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件──I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达机械零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性，因而被称之为CAD发展史上的第二次技术革命。

CAD发展史上的第三次技术革命，是1986年美国参数技术公司PTC（ParametricTechnologyCorp.）推出的Pro/Engineer参数化软件，又称为参数化造形设计，第一次实现了尺寸驱动零件设计修改。进入20世纪80年代后期至90年代初，参数化技术更为成熟，几乎成为CAD业界的标准。PTC先行挤占低端的AutoCAD市场，继而进入高端CAD市场，与CATIA、I-DEAS、CV、UG等群雄逐鹿，并在CAD市场份额排名上已名列前茅。

由于参数化技术尚有许多不足之处，全尺寸约束的设计思路干扰和制约了设计者创造力及想象力的发挥，为此，美国SDRC公司于1993年推出了全新体系结构的I-DEASMasterSeries软件，提出了更为先进的实体造型技术---变量化技术，又称变量化造型设计，从而驱动了CAD技术发展的第四次革命。

2.2国产CAD系统的雄起

国内著名自主产权的CAXA系统，当前的宣传口号为“创新设计”，同样声称代表了CAD技术发展的第四次革命。该系统由北京航空航天大学研发，经过十多年持续不断的投入和市场实践，获得了国家有关部门的重点支助，技术上已经相当成熟。2002年科技部在863计划重中之重的“三维CAD系统”项目上采用了全新的研发和产业化机制，由CAXA牵头，组织清华英泰、江苏数字化设计制造中心、浙江大学、武汉开目、武汉天喻、陕西省CAD中心（西工大）和上海宏正等国内8家CAD厂商联合承担，实现了优势互补、资源共享、多家合作、广泛参与的“中国制造业信息化CAD产业技术联盟”。CAXA突出了以创新设计取代参数化设计，让设计者从三维空间直接进行产品构思和创意。CAXA已成功销售正版软件超过10万套（其中3D软件超过1万5千套，CAM软件超过1万2千套），正在航空、航天、核工业、船舶、石油、化工、汽车、铁路、电力、电子、家电、通信等众多制造行业中被广泛应用（请读者注意：这里已经声明了“制造行业”，其他工程行业好象还是AuotCAD一统天下），在国内CAD/CAX市场占有率稳居第一，被指定为国家制造业信息化三维CAD认证培训的应用平台之一。

2.3在中国CAD领域的AutoCAD和MicroStation

美国Autodesk公司1982年推出AutoCAD，很快进入中国市埸，又很快在国内CAD领域占据了具有类似于Windows操作系统一样的统治地位。早期的AutoCAD没有三维功能，直到1990年推出AutoCADR11版之后，提供了AME模块来实现积木式立体绘图，才使得三维制图成为可能。AutoCADR13以后的版本，不再以AME模块形式而是直接在AutoCAD中提供三维功能。到了AutoCAD2000，新提供了三维动态旋转功能，在用户指定的自由方式下连续旋转三维实体，增强了三维可视化效果。AutoCAD的三维功能经过十多年来的不断版本升级，最新的AutoCAD2005（2005年5月起，网上已经有了AutoCAD2006的下载版）在三维制图功能方面已经达到了较高水准，可以实现复杂实体三维建模的要求。

美国Bentley公司的MicroStation是市场上仅次于AutoCAD的大型CAD系统。MicroStation的三维功能较AutoCAD的三维功能更为强大，并且还在AutoCAD三维功能之初的20世纪90年代初期，就已经可以代表当时三维建模的先进水平。而MicroStation在市场上的命运，很有点类似于IBM优秀操作系统OS/2，当年OS/2比Windows先进稳定，但却在市场运作上很快就被微软打败；MicroStation在中国市场的占有率远远低于AutoCAD，以至于在国内CAD应用领域熟悉的人不多，使用的人更少。

国内为了打破AutoCAD一统天下价格居高不下的局面，于2003年12月5日由中国勘测设计协会向全国各行各业的勘测设计协会发了一个推荐函：中设协字（2003）第53号“关于在勘测设计行业推荐使用MicroStationPowerCAD软件的通知”，团购价300/套。此举措在国内工程勘测设计行业产生了一定影响，这两年MicroStation的用户也就逐渐多了起来。

2.4其他三维软件

1996年在北京第三十届国际地质大会科学展览会上，美国、法国、加拿大、以色列等国家的一些优秀的三维地质建模软件纷纷亮相（我们已经在一些文章中向读者作过介绍）。此类软件当时和后来在国内石油勘探系统用得较多，效果很好。此类软件由于系统庞大，要求计算机性能很高，对用户的使用水平要求也很高，在除了石油勘探系统之外的其他勘测行业很少引进。另一个根本性的原因恐怕还是此类软件价格昂贵，一般性土建工程勘察没有必要，就是较为复杂的水库大坝工程地质勘察也不一定消受得起。而石油勘探则完全不一样，打一口石油钻井的费用数千万元，用高档计算机辅以高水平的三维分析软件以确定钻井井位，则是很有必要的。

国内外还有一些GIS系统，也提供不同需求层次的三维功能。国内工程地质界早有人自编三维建模软件，也有能解决一般性实体建模问题的，但都尚未能形成气候，真正用于工程实际三维实体建模的实例尚不多见。一些宣称三维应用的实例多为地形模型，实际上是一张地形表皮而不是地质实体，也就是动画一下使平面地形图站立起来看上去易于理解而已。

2.5三维软件行业应用的倾向性

总观以上所列三维软件系统，可以明显地看出行业应用的倾向性。CATIA、I-DEAS、CV、UG和国产CAXA等系统，主要支持者和用户群在宇航、飞机、汽车、机械等制造业；三维地质建模软件多用于石油勘探业。这些行业的经济实力最雄厚，支持力度最大，研发力量最强，应用水平很高。AutoCAD和MicroStation均属于成功市场化的通用CAD系统，其用户主要在工民建、水利水电、能源交通、港航等工程勘测设计行业，其支持力度也主要是这些行业的庞大用户群。

以上我们对三维软件进行行业应用划分只是一个相对概念，制造业用AutoCAD，土建用CAXA也是常见的，就像客车也可以装货货车也在载人一样。

2.6CAD软件的二次开发

一般较为成熟的有一定市场的CAD平台，都要为用户提供二次开发工具（编程语言、与其他语言的接口等）。AutoCAD提供了LISP、ObjectARX、VBA；MicroStation提供了MicroStationBasic和VBA；CAXA用C++开发，很自然地提供了与C++和VC++的接口。另外，各CAD厂商之间对图形文件格式、数据交换标准等技术问题，有些不成文的默契或转换工具，谁的市场份额最大谁就具有最大的发言权，谁就有可能成为事实标准。例如AutoCAD的DWG文件格式，MicroStation、CAXA等CAD系统都能与此兼容。

由于行业应用各具特色，许多用户都要在选定的CAD平台上进行二次开发，国内许多行业CAD应用软件提供商也多为二次开发的应用系统。例如国内名气较大的理正软件研究院所提供的工程勘察CAD系统、水利水电行业的许多勘测设计CAD系统，都是基于AutoCAD的二次开发。当然，高手用户也有根本不用二次开发软件的，直接就在AutoCAD、MicroStation等CAD平台上完成自己的设计和制图任务。

3三维地质建模的新思路

三维地质建模有难度，也存在一些误区。走出误区需要新思路。

3.1三维地质建模的误区

工程地质界对于三维地质建模的追求已经许多年了，早在非窗口化非图形化的DOS时代，国内就有许多人探索过。由于当年计算机硬件和软件功能的局限性，这样的探索是有意义的但却注定了没有多少实际效果，因此也就一直达不到工程实用的水准。我们在追求三维地质建模的过程中也曾经存在过一些误区，例如早先我们有些贪大求全，总希望将一个枢纽工程区（例如坝址区）的三维地质体全部搬到计算机上，这样的误区实际上导致了三维地质建模走进了死胡同！对于构造不发育地质条件简单地区，问题不大且早就有人这样做了（例如建于土质地基上的火电站、近于水平地层的一些工程）。而对于存在较为复杂的褶皱构造、断裂构造、侵入体等地质条件区，就显得相当困难。原因在于建模的范围太大，所需要的地质信息量太大，计算机的性能有限，软件处理功能不够，当然还有若干其他技术和非技术的原因，一直困绕着三维地质建模的工程应用。

3.2走出三维地质建模的误区

探索多年却走不出误区，这不但是探索者的困惑，也是行业发展和专业应用的尴尬。由于地质三维问题意义重大难度也大，一些难以用数学模型来准确表述的空间非规则的面、多个非规则面在空间的组合与切割关系以及它们所组成的空间实体的计算机描述，深深地吸引着众多探索者的兴趣和志向，时不时地，我们还可以从不同的消息面上了解到声称解决了地质三维建模问题的夸张性广告词式的报导或自我介绍，甚至还有高校或科研单位的研究人员上门宣传自己对三维建模问题的解决方案。这里，笔者暂时放弃对众多三维爱好者和探索者们研究成就的深入报导，而转向对以应用为先解决工程实际问题为重的解决方案的评述，看看是不是可以走出地质三维建模的误区。

在本次勘察信息化坛上，中国水电顾问集团北京勘测设计研究院的徐春才高工向会议展示了近年来他们在AutoCAD平台上实现三维地质建模的最新成果，立即吸引了代表们的眼球，被笔者称为本次论坛上的CAD技术亮点之一。

徐春才的探索是务实的。首先他对工程界最为流行的AutoCAD的三维功能进行了较为深入的研究，界定了充分利用AutoCAD本身提供的三维功能去实现三维地质建模的基本思路；其次是选用合适的编程语言开发出一些AutoCAD并不具备的三维地质建模辅助工具，以实现建模意图。

徐工更为可取的务实思路是根据工程需要去考虑做“局部”模型还是建“整体”模型。例如地下洞室区的地质体，是最为令地质师和设计师都很头疼的地下空间，做出这一工程区域的三维地质实体模型，最需要表达的是岩性（地质勘察的首要任务）、各主要地质结构面的空间组合（通过地表测绘、探硐和钻孔等勘探手段可以勘察到一定精度）、建筑物与地质实体之间的空间关系等。实现了这样的实体模型，可以说基本上就已经大功告成了（图1）。其他诸如组合块体分析、稳定计算、地应力方位、建筑物空间位置根据地质条件的调整、地质缺陷的加固处理、实体的任意旋转与任意剖视等等，都将在此模型基础上获得有效解决。又如对于某一块需要深入研究的边坡、坝基等，都可以做出“局部”三维地质模型以满足工程需要。而需要做整体的地方，例如水库库区做出一个三维的库盆，将大坝实体（确定性问题做起来很容易）放上去之后，根据水位的升降来计算库容量，或计算开挖体积等等。这种“整体”只需具有三维的地表特征属性就可以了，当然也可以把坝址区主要构造等条件放上去，就可以基本满足全工程区的一般性切图的需要（图2）。更进一步地，如果地质资料足够，工程需要，按照以上思路在AutoCAD平台上构建出坝址区整体三维地质模型，在技术上也是可行的。

3.2三维地质建模新思路是可行的

（1）软件平台的可行性

徐工在AutoCAD平台上成功地实现了三维地质建模，说明现有流行CAD平台均是可行的。如果还有人在MicroStation、CAXA等CAD平台上进一步探索，笔者相信同样可以成功。此类CAD平台虽然没有直接提供构建三维地质模型工具，但可以充分利用这些平台构建各类曲面和实体的功能，巧妙地应用这些功能的有效组合，辅以其他编程语言开发出特殊问题的解决工具，成功就在眼前。

（2）工程需求的可行性

三维地质建模一定要根据工程需求来构建。一般来说，那些短平快的中小工程，几张二维地质图足以满足需要，当然没有必要去建三维地质模型。还有一些简单工程，例如一段堤防、渠道、中小规模的闸涵等，也没有建模必要。真正需要构建三维地质模型的是一些大型枢纽工程的大坝区、高边坡区和洞室区等，可以按照工程需求分局部和整体、急用先建、先粗后细的原则来考虑。工程需求并非贪大求全，只须满足要求即可。

（3）技术路线的可行性

在成熟的软件平台上做自己想做的事，其技术路线不存在根本性问题。三维软件经过数十年的发展，业已相当成熟。我们需要提倡的是像徐工那样的务实精神，消化现有软件功能，扩展应用领域，走务实技术路线。

（4）技术力量的可行性

生产第一线的地质师不会用计算机的状况已经一去不复返了。不过要求地质师们都达到徐工那样的水平又是不现实的。客观地说，通过不断学习和应用实践，将涌现出高水平的地质计算机应用人才，这就是我们所需要的工程勘测设计的技术力量。

4国内自主产权的勘察CAD

在本次勘察信息化论坛上，深圳市勘察研究院介绍了他们开发的自主产权的“勘察e”数字化勘察信息处理软件（以下简称：“勘察e”），同样吸引了众多专家代表们的强烈关注，被笔者称之为又一个CAD技术亮点。

“勘察e”具有CAD功能（其他信息管理等功能本文不议），不基于任何其他CAD平台，因此我们又称其为自主产权勘察CAD。熟悉CAD的朋友们都知道二次开发，本文前已赘述。我们也都知道，各行各业都在用的AutoCAD，一套正版本要价一万元以上（还是在其他CAD挤压降价后），虽然正版化已经叫了多年，但用非正版AutoCAD的还是大有人在。近年来媒体报导勘测设计单位被Autodesk公司聘请的侦探查盗版害得好苦，动不动罚款上百万元。国内AutoCAD的商也公开或非公开地四处安置举报人员，搞得某些用户们真不敢掉以轻心。如果有自主产权价廉物美的勘察CAD软件，勘察单位是愿意接受的。想想看，我们使用中的许多基于AutoCAD上进行二次开发的软件系统，一旦离开了AutoCAD平台就等于废物！因此早有专家担忧，我们的信息化一是被挂在微软Windows操作系统的战车上，二是被AutoCAD牵着鼻子，如果有一天微软战车抛锚Autodesk公司翻脸，我们的信息化就将全线崩溃化！不知道这是不是危言耸听！

在本次会议期间，笔者与“勘察e”的开发者蒋鹏博士初步交流，深受这些有识青年创新勇气的感染。“勘察e”的CAD功能在其技术含量和辅助设计方面还不能与AutoCAD等流行CAD平台相提并论，但他们关于勘察方面的专用功能却是可以基本满足专业应用要求的，其中一些关于专业用户可以灵活定制的功能，流行的权威CAD并不具备。另外，该系统也作了一些简单三维的研究，例如输出地层透视图，进行地层层面及钻孔柱状图的迭加、动态显示等。“勘察e”系统的图形文件与AutoCAD兼容。系统用C++开发，自然提供C++、VC++技术接口，你也可以在此基础进行自己喜欢的二次开发。

“勘察e”是个新生儿，技术上尚不如人，但却有特色，有发展前景，因此笔者看好这样的未来亮点。其实，工程勘察在使用AutoCAD、Microstation等通用CAD软件时，有许多的功能我们或许永远也不会用上，就像我们在使用最常用的Word、Excell等软件时，不同的用户侧重于自己使用的那一部分，谁也不会去折腾与自己应用无关的功能。既然如此，工程勘察CAD完全可以也完全应该根据自己专业的需求，开发出满足专业应用的CAD系统。只要按照软件开发的兼容性要求，在文件格式、数据格式、软件接口等等方面做好与其他CAD平台的信息可交换性，也应该是大有前途的。

5结语

CAD技术经过数十年来的发展，目前在国内市场上流行的具有强大用户群的AutoCAD、CAXA和Microstation等系统，几乎历经千锤百练，功能强大，技术成熟，开发实力雄厚，是CAD软件的龙头老大。在这些平台基础上进行专业特色需求的二次开发，是许多CAD软件厂商的无奈选择，也是许多用户的无奈选择。既然如此，认真消化和用好这些流行系统，完全可以解决工程界最为复杂的三维地质建模问题。

“勘察e”一类的自主产权专用系统是有前途的。如果国内CAD软件都只在别人基础上作二次开发，一棵树上吊死是十分危险的！但大家都来做“勘察e”则又大有重复开发的嫌疑。可取的是大家互相支持团结起来共同开发“勘察e”，也许就能走出重复开发的误区。这里最大的支持应该是用户，而用户也需要行业引导。当然如果有类似于CAXA这样的高校和国家的支持，“勘察e”也可以成为勘察行业的龙头老大。

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