时间：2023-11-02 13:23:38
[关键词]明胶 浓度 软测量技术 建模方法
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0132-01
胶液浓度的确定是明胶生产过程中的一个重要工作，直接影响着明胶提胶工序的顺利开展，为此，必须针对胶液浓度控制进行有效研究，确定工艺参数。目前，我国的明胶生产企业受到生产线自动化程度、受检测设备等方面的限制一直未有比较可靠的检测方法。鉴于这种情况，本文提出了一种基于软测量技术的胶液浓度测量模型，实现对明胶胶液浓度在线测量。本文对软测量技术概念入手，简述了明胶浓度软测量建模及参数优化。
一、软测量技术
软测量技术又被称为软仪表技术，其中心思想是利用易测过程变量来估计难测变量。易测变量常被称为辅助变量或二次变量（Secondary Variable）。例如在工业生产过程中易获得的流量、压力、温度等参数，难以测量的过程变量被称为主导变量（Primary Variable）[1]，通常在条件限制下不能在线监测或者检测成本较高。利用软测量技术，就是依据主导变量和辅助变量之间的数学模型（软测量模型），通过各种数学计算和估计方法，用计算机软件来实现待测量过程变量的测量。
二、软测量的建模方法
建立软测量模型是软测量技术的核心部分，建模方法可分为机理建模、回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学、过程层析成像、相关分析和现代非线性信息处理技术等。
1.基于机理的软测量建模方法
基于机理的建模，就是从过程对象的内在物理或化学的研究出发，通过物料平衡和动量平衡等原理，找出主导变量和辅助变量之间的关系，建立机理模型来实现对主导变量的软测量。通过机理分析建立的软测量模型，只要把主导和辅助变量作相应的调整就可以活得新的模型。对于较简单的工业过程，可以采用解析法建模。而对于复杂过程，特别是输入变量变化范围较大的情况下，则采用仿真方法。
2.基于线性回归分析软测量建模理论
回归分析是统计数学的一个重要分支，在实验数据处理中又称为“曲线拟和”。回归分析可分为多种形式按因变量和自变量之间是否存在线性关系可分为线性回归和非线性回归按自变量的个数又可分为一元回归和多元回归。回归分析作为一种经典的建模方法，它是通过机理分析建立模型结构，然后通过收集大量过程参数运用统计方法估计模型参数。典型的回归建模方法首推经典的最小二乘法。为了避免矩阵求逆运算可以采用递推最小二乘法，为了防止数据饱和还可以采用带遗忘因子的最小二乘法。另外，主元分析和主元回归都是统计学中较为成熟的方法。基于回归分析的软测量的简单实用，但在建模和校正过程中需要大量的样本，而且对样本数据的误差较为敏感。虽然如此，基于线性回归的技术仍然是目前应用最多的软测量技术，市场上一些成熟的软测量商品软件都是以此为基础的。
3.人工神经网络法
人工神经网络，适用于解决高度非线性以及严重不确定性系统的控制问题，是当前工业领域中的热点。使用该方法的建立模型不需要具备过程对象的先验知识，可以根据输入输出数据直接建模，将辅助变量和主导变量分别作为人工神经网络的输入和输出，通过网络的学习来估测主导变量。人工神经元网络的基本原理是模仿人类脑神经活动的一种人工智能技术，给一些样本，通过自学习可以掌握样本规律，在输入新的数据和状态信息时，可用进行自动推理和控制。
4.基于模糊数学的方法
模糊数学是研究和处理模糊性现象的一种数学理论和方法，具有模仿人脑逻辑的特点，可以处理复杂系统，因此在软测量技术中也得到了大量应用。基于模糊数学的方法建立的软测量模型是一种知识性模型。该种软测量方法很适合应用于复杂工业过程中被测对象呈现亦此亦彼的不确定性，难以用常规数学定量描述的场合。实际应用中，可以采用模糊技术和其他人工智能技术相结合的建模方法，取长补短以提高软测量模型的预测效果。例如由模糊数学和人工神经网络结合构成的模糊神经网络，模糊数学和模式识别一起构成模糊模式识别等。模糊控制器依照人工操作思维程序来工作。首先，把测量的输出进行模糊化，变为模糊语言变量，由模糊控制规则进行模糊决策，再把模糊决策量清晰化转变为精确量去控制被控过程。
5.多模型的软测量建模方法
连接多个模型以改进模型预测能力的方法是由于年提出的。多摸型建模就是把多个子模型对未知样品的预测结合起来，这种建模方法与传统的单建模方法不同。传统单建模方法的一般过程为在反复分析测量数据过程中，建立一系列的预测模型，最后，从中选出一个预测性能最好的模型来预测未知样品。多模型数据建模则是通过某种方法建立多个子模型，并把多个成员模型对未知样品的预测用某种方法结合起来，形成一个共识的结果，以提高模型的预测精度和可靠性。多模型的模型结构如图1所示：
该方法在时间序列分析中得到较广泛的研究，近年来在神经网络的研究中也备受关注。当用系统输入输出数据建立非线性对象的神经网络模型时，采用单个神经网络建立的模型往往只是系统的一种近似模型，而且不同网络在不同输入空间中的预测性能会有所不同。而且多个神经网络通过一定方式将这些单个网络进行连接，构成对象的整个输入空间模型，模型的预测精确度得到了增强。
三、 软测量模型的参数优化
在本次研究中，仅针对LSSVM的软测量模型的主要参数是正则化参数c和和核参数α进行优化，并力求选择最佳的参数组行优化处理，让模型的泛化能力和精确度更好。合是一个最佳模型的选择问题，在很大程度上决定了模型的学习和泛化能力。采用留一交验证法选择最优模型参数费时费力，在本次研究中采用采用粒子群算法和K均值聚类算法相结合对模型参数进行优化。经过优化后，模型的精度和泛化能力均有显著提升。
参考文献：
[1]高利敏.明胶浓度的软测量建模及参数优化[D].兰州理工大学，2011.
关键词：转向器；齿轮齿条；参数化；建模
0引言
根据某车的性能参数、市场需求及价格定位来对该车的转向系统进行设计，结合同级车型的转向器的选取将本次设计的转向器确定为齿轮齿条式转向器。对本次设计的转向器的结构形式和在汽车中的布置形式进行分析确定。
1选型
由于直齿圆柱齿轮和直齿齿条啮合会使转向器的运转平稳性下降，冲击增大，工作噪声增加等，本次设计采用的是斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合，可以使转向器的重合度增加，运转稳定、冲击力和工作噪声都有所减小，并且这样设计使齿轮轴轴线与齿条的轴线之间的夹角更符合本次的设计要求，降低了设计难度，简化了设计过程。从上述分析可以看出，齿条圆形断面不仅满足了本次的设计要求，而且制作工艺比较简单，结构也比较简单；有效地降低了设计难度和制造成本。所以选择的是齿条断面形状为圆形[1-2]。最终的方案确定为：侧面输入两端输出的输出形式；齿轮齿条为斜齿；齿条断面形状为圆形。
2参数化建模
CATIA是法国达索公司于1975年起开始发展的一套完整的3DCAD/CAM/CAE一体化软件。在对于小齿轮的建模主要用到起3D建模功能。由于采用包络原理仿真法建模，以小齿轮作为刀具，齿轮的建模精度直接影响到齿条的精度。通过熟悉软件的相关功能，并根据齿轮的相关几何特征，参考其他软件中的建模方法，总结出的CATIA建模方法，主要步骤如下[3-4]：在CATIA中的f（x）工具输入齿轮参数，通过fog功能定制齿轮渐开线的公式，绘制基圆、分度圆、齿根圆、齿顶圆及渐开线。将轮廓线与齿根圆倒角。建立一个平面A（通过z轴和渐开线与分度圆的交点），再建新平面B与A平面成一夹角，转角基准为Z轴，将轮廓线关于新建的对称平面做镜像，将轮廓线剪裁出来。平移和旋转工具，做出另一端面的轮廓线，用多截面曲面multisections做出齿曲面，插入零件设计模块，用closesurface命令分别将两个曲面闭合成实体，用环形阵列将齿轮的所有轮齿阵列出来得到齿轮。在零件设计模块中制作出的齿轮轴三维模型。结合齿轮和齿条的尺寸和配合尺寸，在考虑加工和轻量化等条件下进行建模。支架和齿条套建模。在catia转配设计模块中将上面所有零件进行装配，装配出的转向器三维模型如图1所示。
3结论
本设计通过资料的查询，了解到转向器的结构、原理以及国内外的发展，对转向器的分类和不同车型上的使用进行了分析。同时对转向器的设计也有了初步的方案；对转向器的类型的确定—齿轮齿条式转向器。
参考文献：
[1]胡海峰.转向器齿轮齿条设计与受力分析[J].科技创新与应用，2013.
[2]贾巨民，张蕾，唐天元，吴宏基，刘健.汽车变速比齿轮齿条式转向器的啮合原理[J].机械科学与技术，1998.
[3]邹光明，尹志朋，王东雄，刘源泂，汪豪蒂.基于不完全齿轮齿条机构的小车转向系统研究[J].机械工程师，2014.
[4]陈丁跃，杨励，郭泽红，贺志瑛.乘用车齿轮齿条式的液压助力转向系统匹配[J].华侨大学学报（自然科学版），2015.
城市设计是一种广泛开展的关注城市规划布局、城市面貌、城镇功能，尤其是城市公共空间的城市规划业务。其传统的建模方式基于SketchUp、AutoCAD、3DMax、Maya等软件平台，存在建模过程复杂、科学性不足、数据更新不足、效率低等问题。对此，本文探讨了基于参数化建模的三维城市设计方法，采用新兴的建模软件城市引擎（CityEngine），与具有强大分析功能的ArcGIS相结合，高效快速地将2D数据转换为3D数据，最终实现城市设计的参数化、数字化、可视化，并提高城市设计的效率和科学性。
一、传统建模方法存在的问题及研究现状
目前，城市设计传统建模方法存在的问题有：
一是三维可视化不强。现有城市设计主要基于平面二维设计的方法，完成方案之后，再开展三维建模。由于可视化不强，在对方案进行评价时，无法观察到很多方案细节。此外，在设计方案时，设计师往往只能凭借经验，无法在一个虚拟的环境下感受建筑的尺度、比例、色彩对比等。
二是建模过程复杂。通常来说，城市设计要对一定区域内所有建筑进行三维建模，数量巨大任务繁重。传统建模对单栋建筑可以做到很精细的程度，对于大量建筑群就显得力不从心。同时，由于还要考虑到城市建筑风格、建筑色彩等问题，需要花费大量精力在建筑外表面上进行设计，无疑加大了建模的工作量。
三是群众参与性不高。传统城市设计是自上而下的方式，由设计方设计并交甲方（政府）评审，根据甲方意见修改设计，广大群众无法有效参与到设计之中。
目前国内对城市三维建模及可视化有一定的研究。刘增良、杨军、张保钢（2009）探讨了目前主流的三维建模技术方法，并且在实际的三维规划中对各类三维建模技术进行了综合应用[1]；阎凤霞、张明灯（2009）提出三维数字城市构建和实现方法[2]；冉磊、高磊、张宇琳、杨艳峰（2010）又进一步论述了三维数字城市建立的路线、技术流程及数据处理过程，最后探讨了数据更新和维护及三维数字城市技术在城市规划中的应用[3]；王法（2011）以奉化市为例，对城市三维仿真建模的基本技术路线和方法进行探讨和研究，为三维地形、模型、参加的优化在城市规划中的应用提供了方法[4]。
在三维建模方法，应用最多的是基于3DGIS系统。单楠（2009）采用SketchUp和ArcGIS相结合的方法进行了三维GIS的开发，并在小区三维可视化管理系统中得到了应用[5]；吴学强、孙建刚、李想（2013）将ESRI CityEngine用于大庆石油储库的场景建模中，提出基于规则的建模平台，使得使用者只需要改变模型的参数就可以创造出更多的模型或者不同的设计方案[6]。
从目前国内的研究现状上分析可以发现以下两个问题：
一是研究中涉及到三维建模与城市设计的很少。大多数研究是基于三维建模的城市，以及数字城市的发展。对于如何让参数化三维建模在城市设计中起到作用，如何通过三维建模在区域场景中直接开展规划设计，并且能够实现可视化等问题的研究，涉及度以及深度都远远不足。
二是城市规划领域三维建模对新技术研究不足。目前城市规划领域的研究大多是基于SketchUp、ArcGIS及其拓展程序，而这些软件在使用过程中都有一定的局限性。对于当前城市设计中面临的种种问题，亟需引入新的技术方法，来打破传统设计理念的桎梏。然而，国内对新技术的研究却还没有大的突破。
二、基于城市引擎CityEngine的三维城市设计方法
（一）基本原理
参数化建模（Parametric Modeling）是用专业知识和规则来确定几何参数和约束的一套建模方法，通过简单地改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型。本文的研究是将参数化建模建立在CityEngine这一软件平台上。
CityEngine是基于规则进行建模的软件，它的建模速度快，规则模型可重用性强，基于工作流场景画面显示流畅，并能实时、动态、有效地优化城市设计场景模型。
将CityEngine与ArcGIS相结合，协调建模。首先在ArcGIS中将建模所需的二维数据处理好，通过Geodatabase文件导入模型基底到CityEngine中；然后将已经整理好的规则应用于基底，这时初步的模型就建立起来。这里的规则是指预先对模型进行的各项定义，如建筑风格、建筑层数、道路宽度、绿化布置等，这是CityEngine的核心部分，存储在规则文件.Cga中；接着就要在CityEngine中通过修改参数来修改模型，并在这个过程中反复修改方案。在CityEngine中，一组参数对应一个规则，每个规则所建立的模型也不同，因此我们通过应用不同的规则来直观地观察不同方案的合理性；同时CityEngine也为使用者提供了大量科学的分析，如日照分析、视域分析、天际线分析等，通过这些分析来调整方案，达到建模与方案设计同步进行，并使二者产生积极的互动，最终通过参数化及可视化的方式，完成整个城市设计。
（二）方法应用
1.准备工作
（1） 二维数据
将CityEngine与ArcGIS相结合，实现二维数据到三维数据的转换，在建模之前要构建模型基底（图1），主要在ArcGIS中进行，以AutoCAD辅助。
（2） 规则
应用CityEngine为城市设计建立模型，其高效性来源于规则的使用，在真正建立模型前，要建立相应的规则库。城市引擎CityEngine建立的模型可以实现共享，因此规则的来源之一就是采用其他设计者已经建立好的规则；另外也可以预先按照设计要求自己设定规则，例如要建立一个高12米、层高为3米的建筑，就可采用以下语句：
Attr height=12
Lot——>extrude （height） Mass
Mass——>aplit（y） （～3：Floor）*
城市设计建模所包含的要素十分丰富，建筑、道路、绿化等都需要准备相应规则，而且规则不能过于单一，要建立多个规则以供修改方案使用。
2.模型建立
将ArcGIS中的二维数据通过GeoDatabase文件导入到CityEngine场景中，拖入规则到指定地块，快速建立模型（图2、图3）。
3.模型优化
为了达到三维建模辅助城市设计的目的，要开始在CityEngine中调整模型，以到达最优设计。
调整模型的方法有三种：一是在检阅视图（Inspector）中修改。当我们想要调整某栋建筑的高度时，可以选中该建筑，再在同步弹出的Inspector工具栏中调整高度参数，或者重新输入新的高度数值。二是在规则的定义中修改语句。先将规则文件进行调整，然后重新加载进CityEngine的场景中。如：修改建筑的规则高度改变最初所设定的高度，修改语句attr height=18，在规则中将原来建筑的高度由12m改为18m。三是在规则交互视图（Model Hierarchy）中修改规则参数。CityEngine中规则文件的可视管理使我们可以很方便地改写视图参数，调整规则视图的组块结构就可以高效直观地增减或删改规则。
4.模型分析
CityEngine中提供了多种专业分析，来辅助城市设计，进行方案的修改。如参照阴影分析（Shadow Analysis）可以调整建筑高度、建筑密度等参数；通过天际线分析（Skyline Analysis）可以改变建筑布局、建筑高度等，由此进一步完善城市设计方案，使最终的方案更加科学，这是在普通的建模软件中无法实现的操作。
5.成果输出，完成城市设计
方案的设计和修改与模型的建立实现良性互动，当方案最终确立后，最终的效果图也同步完成。
三、结论与展望
将CityEngine、ArcGIS等先进数字技术应用于城市设计，可以弥补传统城市设计中的不足之处：
第一，参数化建模大大提高城市设计效率。Esri CityEngine可以利用二维数据快速创建三维场景，而且对ArcGIS的完美支持，使很多已有的基础GIS数据不需要转换即可快速实现三维建模，减少了系统再投资的成本，也缩短了三维GIS系统的建设周期。
第二，规则的应用使城市设计走向可视化、科学化。CityEngine最关键、最强大的功能之一，是通过提供可视化的、交互的对象属性参数修改面板来调整规则参数值，比如房屋高度、屋顶类型、贴图风格等，可以立刻看到调整后的效果。
第三，使用CityEngine进行建模实现城市模型共享。CityEngine基于WebGL技术，大多数的浏览器都无需安装插件便可直接使用。此外该软件与当前主流的GIS平台ArcGIS紧密集成，让使用者可以在工作中轻松使用海量的3D城市模型。
CityEngine开启了全新技术应用领域，新技术的出现使得规则化大规模快速城市建模成为了可能，这将大大提高城市设计的建模高效化、分析科学化、三维可视化，并对于提高公众参与度具有重大意义，使城市设计在新技术应用的领域上升到更高水平。
参考文献：
[1]刘增良，杨军，张保钢.面向城市规划的三维建模技术探讨与应用[J]. 北京测绘，2009（2）：1—3.
[2]阎凤霞，张明灯.三维数字城市构建技术[J]. 测绘学刊，2009，32（2）：93—96.
[3]冉磊，高磊，张宇琳，杨艳峰.三维数字城市技术在城市规划中的应用[J]. 城市勘测，2010（2）：99—101.
[4]王法.城市三维仿真模型建模方法研究——以奉化市为例[J].科技信息，2011（7）：64—65.
[5]单楠，明生，李营刚.基于SketchUp和ArcGIS的三维GIS开发技术研究[J].铁路计算机应用，2009，18（4）：14—17.
一、前言
在企业Pro/ENGINEER三维基础标准件库中，有大量螺栓、螺母和垫圈等外形相近的系列族表件模型，标准件库中族表建模与完善也是提高设计效率至关重要的一环。其中，有一类族表，其子实例是随着设计尺寸输入而定的，甚至还需要进行计算。随着设计产品的增加，其实例也不断增加，族表数据也越来越多，如果每次增加的实例都用手工输入，不仅增加工作量，而且容易产生重复实例及一物多码的现象。即使对于专门的标准件人员也需要对照图样逐个核对并计算，极大地影响了生产效率和产品设计周期，也加大了非设计因素错误。对于设计者，随着实例的增加，族表中的数据会变得非常庞大，设计时难以找到所需求的实例。
本文就以实际应用中“L”型管系为例，建立分层族表，加入参数关系的应用减少不必要的数据输入和计算，使其适用三维零件在Windchill标准件库中通用化、系列化要求。
二、L型管系族表模型的建立
1.模型分析
如图1所示 “L”型管系，该不锈钢弯管图号为：QBA-00-01；材料为：WC1Cr18Ni9Ti-d1×t； d1为27mm， L3为600mm， L4为350mm；弯管名称为：弯管27×600×350。
要建立该弯管的族表模型，如果把所有族表数据放在一起，如图2所示，标准件人员需要逐个输入弯管的外壁、厚度、长度和名称等各个参数，不但工作量大，也容易出错，随着产品实例的增加，设计者难以查找和使用。
2.分层族表
为提高设计效率和设计的准确性，减少标准件人员的工作量及非设计性因素的错误，可以采用分层族表形式，按照公称通径将外壁、厚度、折弯半径和材质等参数固定在第一级族表，如图3所示。而变化的参数则放在二级族表中，如图4所示。采用分层族表结构后，将一级族表锁定，其数据参数也不需要再重复输入，设计人员使用起来也很简洁方便。
3.关系式
分层族表建模后，为减少手工输入数据的工作量及非设计性错误，尤其是将实例名规范统一，避免一物多码的现象，利用尺寸驱动采用全参数化设计，标准件人员只需要输入L3和L4两个参数，校验后，其余参数通过添加关系式由系统自动计算生成。其中，在关系中添加程序如下：
WLJC=CNAME
TH="QBA-00-01"
STANDTH=TH /*二维图号生成关系式*/
DJZL=MP_MASS（""）
if DJZL
num_dec_place=4
else
num_dec_place=2
endif
CMASS=ceil（DJZL，num_dec_place） /*质量生成关系式*/
IF D==17
DT=10
ELSE
IF D==21
DT=15
……
ENDIF
TT3=FLOOR（L3）
TT4=FLOOR（L4）
IF（TT3！=L3&TT4==L4）
CNAME ="弯管"+ITOS（D）+"X"+ITOS（L3 -1）+".5"+"X"+ITOS（L4）
实例名=" QBA-00-01_DN"+ITOS（DT）+"_"+ITOS（L3-1）+"-5"+"X"+ITOS（L4）
……
ELSE
CNAME="弯管"+ITOS（D）+"X"+ITOS（L3）+"X"+ITOS （L4） /*名称生成关系式*/
实例名=" QBA-00-01_DN"+ITOS（DT）+"_"+ITOS（L3） +"X"+ITOS（L4） /*实例名生成关系式*/
ENDIF
三、L型管系装配族表模型的建立
1.模型分析
如图5所示“L”型组装管系图号：QBA-00-00；当 d1为27mm， L3为600mm， L4为350mm；两端均凸法兰的组装管系名称为：弯管组成DN20 A 27×614×364。
对于该组装管系，可以把所有参数放在一个族表数据中。在实际应用中，该方法不仅耗费了大量的精力去输入族表数据，还产生了很多尺寸计算的错误，也影响后期的编码和生产。
2.分层族表
如图6所示，按照法兰组合形式及管径将一级族表固定下来，这样标准件人员不需要对照图样去逐个选型，输入实例和其余变化的参数，如序号2弯管放置在二级族表中，打开DN32A为例，如图7所示，其中序号2零件M56模型实例名（可直接复制）输入后，利用关系式进行校验即可自动生成其他参数。
3.关系式
建立分层族表后，利用关系式将序号2尺寸传递到组装族表实例，法兰组合形式类型可以从组装族表实例名称中添加关系式提取，所以标准件人员需要什么规格族表实例时，只需要将序号2中管系实例名直接复制到图7的M56实例中，校验后系统可以自动计算名称、重量和组件实例名等。采用该方式族表建模，在设计过程中可以很方便地修改实例尺寸，不会因为忘记修改参数变量而出现二维图错误，很适合设计人员的使用要求，也极大地减少了建模的工作量。其中，二维图生成关系式、质量关系式和零件类族表类似；不同的是，装配族表件参数化过程中，需要提取零件参数，部分关系如下：
IF D：CID_56==17
DT=10
ELSE
IF D：CID_56==21
……
ENDIF
NAME1=REL_MODEL_NAME：1（）
JTLX=EXTRACT（NAME1，15，1） /*提取A、B、C法兰组合型号代码*/
TT3=FLOOR（L3：CID_56）
TT4=FLOOR（L4：CID_56）
IF（TT3！=L3：CID_56&TT4==L4：CID_56）
CNAME="弯管组成DN"+ITOS（DT）+" "+JTLX+" "+ITOS（L3：CID_56+14-1）+".5"+"X"+ITOS（L4：CID_56+14）
实例名="QBA-00-00_DN"+ITOS（DT）+JTLX+"_"+ITO S（L3：CID_56+14-1）+"-5"+"X"+ITOS（L4：CID_56+14）
4.零件编码和挠性设置
族表建模完成后，零件编码（LJBM）在Windchill升级时自动生成，其中，加入关系式后，CNAME和CMASS也可以不显示在族表中。同时，由于Windchill识别的唯一性，在装配时需满足两端法兰连接可以围绕弯管随意调整角度，同一管系在装配不同角度时，二维图中显示必须是同一个件，而不是两个不同件，这里，建模时还需加入角度和挠性设置，建模如图8所示。
四、族表在Windchill库中的使用和效果
实际应用中，包括杠杆、拉杆和其他各型管系等尺寸不断变化的标准件都可以采用上述方法进行参数化建模，即使是设计人员在本机上进行修改和添加实例时，因其参数化、规范化实例命名，也能够和Windchill服务器得到很好的更新和应用，而不必等标准化人员先输入实例再设计，节约了设计的时间和成本，也减少了人工输入的错误，提高了设计人员的工作效率和装配的准确性，应用效果如图9所示。
五、结语
关键词：OpenGL ES；渐开线圆柱齿轮；参数化建模；移动端可视化
中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0077-05
机械类基础课中有很多抽象的原理知识不易被学生接收，又不能随意删减，然而在真实的情景中讲述就能轻松释义[1]。虚拟模型库因其三维模型造型逼真、控制灵活而在教学中起到了一定的作用[2]。但是，已开发的虚拟模型库都是基于PC 平台开发的，而由于PC 平台的在便携性方面的限制，使得虚拟模型库的应用也受到了极大的限制。手持移动设备的出现，为解除这种束缚提供了条件，该类设备最重要的属性即是其便携性，而且随着硬件水平的不断提高，运行平台的实用性也日益增强，现在越来越多的应用程序（APP）在移动设备平台上得以实施。若采用在工程软件中建渐开线圆柱齿轮模型，再把这些模型加载到APP中，会导致APP的安装包过大，并且由于齿轮的参数不同，要把所有的渐开线圆柱齿轮显示在手持移动设备上，需要建几百个齿轮。本论文以渐开线圆柱齿轮形成原理为基础，以移动设备的图形渲染库OpenGL ES为工具进行研究，得出渐开线圆柱齿轮建模关键技术，该技术可应用到各种开发环境中。总结出移动端可视化流程，采用参数化设计的方法制作出可以在手持移动设备上使用的APP。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同的数值，即可得到不同大小和形状的零件模型[3]。参数化设计大大减少了重复设计量、缩短了设计周期和提高了设计效率，使机械类构件完美的呈现在移动设备上[4]。
1 齿轮参数化建模关键技术及过程
1.1 OpenGL ES绘图原理
OpenGL ES 是一个跨平台的图形库，是专门为嵌入式系统（如Android系统、IOS系统等）而设计的，提供了功能完善的 2D 和3D图形应用程序接口API，创造了软件与图形间加速灵活强大的底层交互接口[5]。OpenGL ES 2.0及更高版本的渲染管线可编程，其绘图原理如图1所示。
OpenGL ES中支持的绘制方式大致分3类，包括点、线段、三角形，每类中包括一种或多种具体的绘制方式[6]，本论文采用GL_TRIANGLES，此方式是三角形类之一，其将传入渲染管线的一系列顶点按照顺序每3个组织成一个三角形进行绘制。如图2所示，所绘矩形由三角形V0V1V2、V3V4V5而得，其中顶点V2、V5以及顶点V1、V3位置相同。
根据OpenGL ES绘图原理和本文采用的GL_TRIANGLES方式，在齿轮参数化建模中，需要确定顶点数组、法向量数组和颜色数组。其中顶点数组控制齿轮形状，法向量数组控制齿轮对灯光的反射，颜色数组控制齿轮颜色。设三个数组类型均为单精度浮点型，顶点数组命名为Vertex_List，法向量数组命名为Normal_List，颜色数组命名为Color_List。
1.2 齿轮参数化建模数据的确定
根据设定目标，确定齿轮参数化建模所需要的参数。本论文设定的目标是构建标准渐开线圆柱齿轮；能动态生成直齿轮和斜齿轮两种类型，斜齿轮的螺旋角可以调节；通过调节模数、齿数、齿轮厚度改变齿轮的轮廓特征，通过调节颜色的RGB值改变齿轮显示颜色，通过调节齿孔半径，给齿轮开不同大小的孔或槽，具体的参数名称、参数代号，参数取值如表1所示。
本论文构建标准渐开线圆柱齿轮，因此对部分参数取标准值，该参数在计算中始终是常数。另有一些基本参数根据表1中输入的参数而确定，具体参数名称、参数代号、计算公式如表2所示。
1.3 齿轮绘制过程
如图3所示，为展角，为压力角，为基圆半径，为渐开线在任意点K（1、2、3等）的向径。渐开线极坐标方程如公式（1）[7]，将基圆圆心作为原点，圆心与渐开线的起始点A的连线作为x轴，与x轴垂直的方向作为Y轴建立笛卡尔坐标系，按照渐开线形成原理得出渐开线的方程如公式（2）[8]，其中。
（1）
（2）
当时，齿根圆包含于基圆，齿廓曲线必然由径向直线和渐开线两部分组成，且齿廓曲线处于基圆与齿根圆之间的为径向直线，处于基圆与齿顶圆之间的为渐开线；当时，齿根圆包含基圆，齿廓曲线全为渐开线[9]。由此可以确定公式（2）中的取值范围，当时，最小取值为，取最大值的条件为，即，其中和取值根据公式（3）；当时，最小取值的条件为，即，其中和取值根据公式（4），的最大值与时的最大值一样。
（3）
（4）
本论文以时为例，的取值范围为[]，设其长度为，将t平均分成n份，将、、到带入公式（2），求出点1、2、3到n的坐标。将坐标点按三角形排列方式，102、203、304等所有坐标点放入Vertex_List，当n取合适值时，就可以得到平滑的渐开线面，如图4中的①。
当计算出一个齿的右部分顶点后，采用对称的方法求出左部分的顶点。首先确定对称直线，在图3笛卡尔坐标系中，直线就是该直线，设斜率角为，取值根据公式（5），设该直线的斜率为，则该直线方程为。从Vertex_List中遍历每个点，根据公式六求出对应点，增加到Vertex_List中，得到图4中②部分的区域，b区域为三角形形状，根据边界点可以得出。
（5）
（6）
设齿槽对应圆心角为，当时，；当时，。根据公式（7），计算相关坐标点增加到Vertex_List中，得到图4中③部分的c区域，其中的取值范围为[]。
（7）
当绘制好一个完整齿后，需要复制出z-1个齿，这些齿是以原点为中心，根据公式（8），旋转复制而得，并将复制后的坐标增加到Vertex_List中，绘制的结果如图5中⑤，其中的取值范围为[][10]。
（8）
这样，齿轮的正面绘制完，将所得数组命名为Vertex_List_1，并将所有顶点的坐标值设置为。齿轮侧面的数组命名为Vertex_list_2，齿轮背面数组命名为Vertex_list_3。在斜齿轮中，设齿轮正面的齿与齿轮背面的齿投影夹角为，根据公式九和公式八，对Vertex_List_1中的顶点计算，并将得到的每一个三角形顶点按顺时针重新排列，坐标值设置为，存入到Vertex_List_3，其中时，为直齿轮。将Vertex_List_1和Vertex_List_3中对应位置的顶点按照三角形方式排列，存入Vertex_List_2中，即得到齿轮侧面数组。将Vertex_List清空，将Vertex_List_1、Vertex_List_2、Vertex_List_3按照顺序存入Vertex_List中，至此，齿轮顶点数组制作完成，绘制后的效果如图5中的⑥。
（9）
根据存入到Vertex_List中的点，计算齿轮面法向量，存放到Normal_List中。计算方法是从Vertex_List中提取一个三角形的三个点，设为点A、B、C，由点A点B构造向量，由点A点C构造向量，则点A、点B、点C的向量是，存放到Normal_List中。然后遍历Vertex_List，计算所有对应点的向量，存放到Normal_List中。本论文研究的齿轮，每个顶点的颜色相同，并且由光的三原色R、G、B确定，Color_List中存放所有顶点的R、G、B值，其中R、G、B的值由参数传入而确定。
2 移动端可视化流程
移动端可视化流程，如图6所示，第一步设定目标，即制作的APP要满足的功能。第二步，确定齿轮参数化建模数据，根据第一步设定的目耍参数分为固定参数和可变参数，其中可变参数需要通过界面交互传入，因此界面设计除满足美学要求外，也要满足可变参数的改变。第三步，选择移动端APP开发工具，如针对Android系统开发的Eclipse软件、针对iOS系统开发的XCode软件、跨平台开发软件Cocos2d-x、Unity3d、Unreal Engine 4等，不同软件所使用的开发语言不同，如Eclipse使用Java，Unreal Engine 4使用C++。第四步，根据本论文第一节齿轮参数化建模关键技术及过程和选择的开发工具及其相应的开发语言，确定顶点数组（Vertex_List）、法线数组（Normal_List）和颜色数组（Color_List）具体值。第五步，结合app界面设计进行程序设计。第六步，图形测试，检查是否有剖面，形状、颜色是否正确等。第七步，针对移动端，生成相应的APP文件。
下面展示移动端可视化流程的一种案例：
第一步，本案例设定目标为能展示标准直齿、斜齿渐开线圆柱齿轮，其中斜齿轮螺旋角可以改变；能够在齿轮中间开圆孔和槽孔，孔径大小可以改变；齿轮模数、齿数、齿厚、颜色可以改变；可以远近观察齿轮。第二步，根据第一步设定的目标，除需要表1和表2，需要增减直齿轮和斜齿轮切换参数，以及远近观察参数，由此APP的界面设计如图7所示，图中间部分放齿轮模型。第三步，本案例选Unity3D为开发工具、C#为开发语言。第四步，图8所示，为将公式三转换成代码形式，确定渐开线面的顶点，形状如图4中的①。按照此方法，计算出所有部分的顶点后，放入Vertex_List中，得到顶点数组。法线数组（Normal_List）和颜色数组（Color_List）方法一致。第五步，进行程序设计，如图9所示。首先在Unity场景编辑器中建立GameObject，命名为Gear_Watch；其次，为Gear_Watch构建脚本（Script），命名为GearMode.cs，脚本文件中的变量与第二步确定的相对应，并与界面设计的图标进行关联；最后，为Gear_Watch添加材质（Material），命名为Material_Gear.mat，材质的着色器（shader）选择专门为本案例编写的Shader_VF_Gear.shader，控制齿轮的颜色。开发工具选择的不同，顶点数组（Vertex_List）、法线数组（Normal_List）、颜色数组（Color_List）输入到渲染管线的方式可能不同。如图10所示，脚本GearMode.cs的部分代码，顶点数组的输入，需要将Vertex_List转换成只存储坐标点的vertices数组和只存储顶点三角形索引位置的triangles数组，然后传入渲染管线。由于所有的顶点颜色一样，根据着色器（shader）的编写，只需要传入三个颜色值即可，不用传入Color_List数组。第六步，图形测试，如图11所示，改变不同的参数，生成的齿轮部分图片，经测试，结果正确。第七步，在Unity中的File菜单下的Build Settings面板中，选择移动端系统的选项，点击Build，即生成相对应系统的APP安装文件，如图12所示。
3 APP运行及结果
首先点击手机桌面上名称为Gear的APP，进入APP的界面，如图13所示。界面右侧的参数面板分点击和滑动两种操作，改变相应的参数，界面中间的齿轮形态同步改变。当连续改变某一参数，可动态观察齿轮的变化。手指选中中间的齿轮，可以任意角度的旋转，进行观察。界面左侧的滑动条用来调整APP内的摄像机与齿轮的远近位置。图14为斜齿轮，螺旋角调到20，选择槽孔，孔径52mm，模数选择5.5，“第二系列”文字提示用红色显示，因为在机械行业模数要优先选择第一系列的数值。齿数选择39，齿厚为模数的6倍，齿轮的颜色R、G、B值分别是0、127、131。
4 结语
在研究OpenGL ES图形库的基础上，以渐开线圆柱齿轮的形成原理为理论基础，结合几何学相关知识，总结出渐开线圆柱齿轮参数化建模的关键技术，即确定顶点数组、法线数组和颜色数组。根据所得数组，结合开发环境，同时参考交互设计、界面设计、计算机编程等知识，得出移动端可视化流程。并使用Unity3D制作出可安装到移动端的APP，动态展示不同参数下的齿轮形状和颜色，验证了基于OpenGL ES的渐开线圆柱齿轮参数化建模在移动设备上展示的优越性。此外，根据总结出的渐开线圆柱齿轮参数化建模关键技术、移动端可视化流程，为构建其它机械构件提供了指导，如构建锥齿轮、凸轮等。对机械构件在移动设备上进行虚拟演示奠定了一定基础，使机械知识的传播和普及更加方便、高效。
参考文献
[1]管巧娟.基于认知过程的机类基础课组合式学习[J].图学学报，2015（04）：638-643.
[2]邱辉，楚电明，叶琳.基于智能手机的工程图学虚拟模型库的研究与实现[J].图学学报，2013（01）：83-86.
[3]卢杰，米彩盈.基于SolidWorks 的联合参数化设计方法研究[J].图学学报，2013（6）：64-68.
[4]胡一钦.变结构体参数设计的一种新方法[J].机械设计与制造，2011（5）：41-42.
[5]Hu Xueyan， Xia Zhonglin. Study on Image Deformation Simulation based on ARM Linux and OpenGL ES[J]. Intelligence Science and Information Engineering，2011（8）：303-306.
[6]吴亚峰.Android3D 游戏开发技术宝典--OpenGL ES2.0[M].北京：人民邮电出版社，2012.
[7]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.
[8]李华敏，韩元莹，王知行.渐开线齿轮的几何原理与计算[M].北京：机械工业出版社，1985.
[9]张俊义，丁文捷.可实现参数化的渐开线圆柱齿轮建模方法研究[J].机械研究与应用，2013（06）：40-42.
关键词：渐开线；齿轮；参数化；UGNX；数学模型
中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）16-0015-02
UGNX中的齿轮参数化建模方法比较繁琐，存在很多重复性工作，从而导致工作效率低下。UGNX齿轮建模过程所存在的局限性以及齿轮建模的复杂性，目前NX下齿轮的参数化建模并非完全正确，本文通过对数学模型的精确分析，真正实现了渐开线齿轮建模的参数化，只需在UGNX中修改齿轮相关参数即可完成对模型的重建，提高了齿轮设计效率，降低了齿轮设计周期。
一、渐开线齿轮参数化数学模型
在NX创建参数化渐开线齿轮模型之前，首先分析其数学模型以及各个参数之间的相互关系，如图1所示：
图1齿轮各参数图解
任意圆处的齿厚对应的圆心角计算公式为：
（1）
其中：?兹为渐开线展开角
（2）
公式右边第一项?琢为角度值，第二项?琢为弧度值（转换关系为?兹=tg（?琢）-?琢?仔180，求出的展开角?兹单位为弧度）。轮齿在基圆处对应的圆心角?琢k=0因此基圆处的圆心角计算公式为：
（3）
基圆处一半齿厚圆弧对应的角度（4）
其中：
；
?琢为标准压力角，以上角度值均为弧度，因此转换为角度后公式变为：
（5）
对于NX中齿轮参数化建模用到的关键参数即为角度?棕。
二、渐开线齿轮参数化设计过程
齿轮的参数化设计过程是在UGNX（版本为NX6）环境下进行的，通过UGNX的规律曲线来生成齿轮的齿形轮廓线。在NX中，一般曲线和规律曲线并不能准确相交，因此通过分度圆和渐开线交点来镜像生成齿形的方法并不正确，所以必须通过数学模型中的基圆处齿厚圆弧对应的圆心角镜像渐开线生成齿形，最后通过特征操作来完成渐开线齿轮的参数化设计。
（一）齿轮参数的设置
标准渐开线齿轮几何尺寸取决于4个基本参数（齿数z、模数m、压力角a和齿宽B），其他相关几何参数均由这几个参数导出。
新建NX零件模型，进入“建模”环境，选择工具|表达式菜单命令，弹出表达式窗口，依次创建下面的表达式：
m=5；m=6；a=20；B=20；t=1；al=60t；d=mz；
db=dcos（a）；da=（m+2）z；df=（m-2.5）z；
；
；z=0
（二）基本曲线和渐开线的绘制
利用表达式创建渐开线曲线，选择“插入曲线规律曲线”弹出规律曲线对话，选择依据方程生成规律曲线。以t为系统参数，定义x轴、y轴、z轴的参数，并依据方程xt、yt、zt的值绘制渐开线。同时依据表达式1中所给出参数绘制出齿根圆、分度圆、齿顶圆曲线，绘制完曲线以后基本图形如图3所示：
图3渐开线曲线
连接原点和渐开线起点画一直线，并做一平面与上述直线夹角为?棕，以该平面为镜像平面做该直线和渐开线的镜像对象，结果如图4所示：
图4镜像渐开线
此时务必不能对渐开线进行裁剪，否则将会出现不对称和参数丢失的问题。
（三）齿轮第一个齿的生成
拉伸齿根圆生成一圆柱体，并且拉伸直线和渐开线以及其镜像对象生成片体，然后对相交的两个片体进行体裁剪，如图5所示：
图5拉伸渐开线片体
以片体边缘为拉伸对象，拉伸齿形，并与齿根圆柱做布尔求和操作，生成齿轮的一个齿。通过以上操作才可进行参数化圆周阵列操作。产生出一个齿后的模型如图6所示：
图6生成单个齿
此时该齿已经实例为实体而不是片体。
（四）生成完整的渐开线齿轮
对该齿进行圆周阵列操作，选择“插入|关联复制|实例”弹出对话框选择该齿，进而弹出阵列参数对话框，点击数字文本框右边的箭头选择公式，在弹出的表达式对话框输入阵列个数z，点击角度文本框右边的箭头在弹出的表达式对话框输入，确定生成完整的齿轮外形，然后隐藏不需要显示的对象。完整的参数化渐开线齿轮如图7所示：
图7完整的参数化齿轮
三、结论
关键词参数化；逆向设计；建模
中图分类号：H：文献标识码：A：文章编号：1673-9671-(2012)022-0196-01
当前，缩短产品开发周期，不断推陈出新，才能适应市场需求。更有迅捷的产品设计方法的应用势在必行。但是大多数工业类的零部件具有功能多样化、外观造型复杂化等特点。对于传统开发流程而言，由于正向设计产品周期长、成本高的缺点不断突出，这些显然它已经很难适应。本文针对机械产品中普遍的零部件逆向设计，提出了一种有效快捷的参数化设计方法和及其流程，以实例设计进行详细介绍，是零部件高效设计新理念。
1参数化逆向设计介绍
逆向设计是产品设计的逆向工程，是先有通过一些有效的方法得到产品的外观模型，然后利用外观扫描数据快速建模，以缩短产品在正向设计阶段对外观设计的时间。这是相对传统设计而言的，传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，称其正向设计。而逆向参数设计能快速建立新产品的数据化模型，在参数化的基础上，快速修改优化结构尺寸等，可以大大缩短新产品研发周期，提高设计效率。整个参数化逆向设计工程一般包括数据采集点云、数据处理和参数化建模。
2参数化建模过程
参数化建模是要求所建模型的外观特征，几何尺寸具有可修改、可优化的功能的三维模型。参数化后的模型能修改方便，使得用户对模型进行优化时无需重新建模，只需对必要的参数，包括特征的尺寸，角度等，进行修改就可以自动生成零件模型。
1）参数化模板。CATIA参数化的模板是通过零部件设计过程中得一个参考点来控制，这个点是原点坐标系里面的一个确定的点，所有设计的点、线、面都必须相对于该点来确定。根据零件设计的一般过程，提出了一个合理的参数化模板。
根据零件结构特征，不同的软件的建模方法大致相同，因此，可以将参数化模板分为：扫面数据、原点坐标系、零件设计过程和最终结果四大部分。整体模板结构形式如图1所示。
通过原点坐标系和扫描数据，确定一个参考点，并给出其坐标（可以是零件孔位的中心点）。然后分析零件，确定建模思路，在不考虑各类特征的情况下利用参考点建好基础面，形成零件的主干，然后根据参考点将特征建好，最后完成零件的建模，整体数据与参考点具有尺寸相关性，所有基础点线面的尺寸可修改。
2）实例设计过程。通过三维激光扫描仪采集了某钣金件的数据。由于环境及仪器本身震动等因素的影响，会出现一部分误差较大的数据，所以在进行建模之前，先在软件中对数据处理，先定位好坐标系；然后去杂、光顺和三角化，最后数据优化，由于扫描的点是非常多而且密集的，通过压缩不必要的数据，这样可以提高计算机运行速度。数据导入catia中如图2所示。
必须根据上面的数据判断出每个特征具体是什么（如：平面、圆柱面、球面等），只有这样才能用明确的方法来进行设计，当然有些地方变化太小了，不可能看出来的，就可以根据作出来的面和点云的精度来判断，精度达不到要求就要考虑其他的特征，或者通过几个面来完成。在实际的设计中不能只看它的精度，要从零件制造的变形等多方面考虑，所以有些不足的地方须要补上，搞清楚工艺变形以便逆向设计出的零件达到要求。
根据参数化模板进行设计；第一步，导入零件扫描数据。第二步，原点坐标系，是该零件在整个产品中的参考坐标系，用于装配或者导入其他软件进行分析。第三步，若是对于一些对称或旋转零件，可以考虑过设计一半或一部分，这样加快建模速度。第四步是整个零件的建模过程，首先取好参考点，一般以特殊的点，如孔的中心点。然后是分析零件，确定大面设计，然后是特征包括凸凹台，翻边，切边，孔，按步骤依次完成。第五步是生成零件实体，这便是最终模型。
整个参数化设计的核心在于建模的时候都是通过一个点来形成参数关联，通过控制点的位置就可以控制零件特征的位置，通过基础点线面征的尺寸来控制所绘制的图形的尺寸。一般情况下，零件件是由主干模型和特征组成的，而主干模型一般是规则简单的几何体，这样分解零件就可以在建模时，按照上述步骤进行都是可以实现，而对于过度复杂的个别零件不适用。
从上面的整个设计过程可以看出，零件的结构逆向设计主要就是想
办法怎么在固定的坐标系中，从点云中提取对工程化设计有用的信息（点、线、面），再结合设计零件的要求和生产工艺，再按照参数化的设计流程就可以实现整个逆向工程化了。其难点是思考零件的建模思路，分解好主干和特征，这样才能有效的利用参数化来后期改进和
优化。
3结论
综上所述，零部件相互间有着紧密的联系和协调性，应用参数化设计在现代机械产品开发中具有重要的意义，可以大大提高零件开发设计的工作效率，适合系列产品的演变，大大缩短产品开发周期。自定义参数化模板在零件设计过程中可以很好的体现参数化设计优势，培养了零件开发设计中的整体设计理念，通过对零件结构特征的分析理解，可以很好把握零件的要素特征和关键结构形式，便于优化设计零件，从而提高零件件设计质量。
参考文献
[1]王霄.逆向工程技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2004.
[2]金涛,陈建良,童水光.逆向工程技术研究进[J].中国机械工程,2001,27(3):1430-1436.
关键词：建筑信息模型；Revit；二次开发；建模工具集
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）10-0237-02
近年来，BIM技术在我国工程建设中也得到了越来越多的应用，一些知名的设计单位已经在项目设计中开始应用BIM技术，一些大型施工企业也已将BIM技术应用于项目管理。
城市轨道交通工程建设规模大、周期长、涉及专业众多，除了建筑、结构、风、水、电之外，还涉及线路、限界、轨道、通信、信号、牵引供电、AFC、综合监控、PIS、屏蔽门等10多个专业的20多个设备系统，但工程建设线路长、空间小、施工工期紧。地下工程沿线的各种外部接口繁杂，施工空间的局限给设备管线综合带来了很多困难，设计及现场的接口协调消耗了大量的人力与时间；后期设备安装调试时间短；建成运行后，运营管理安全标准高、全年运行、维护要求高[1-2]。
BIM通过三维可视化为主导的设计手段，使得设计的建筑构件带有价格、时间、型号和规格等工程信息，这些信息相互关联并被重复利用，经过各种深入的再分析，在施工、运营等建造过程的各个阶段传递。
Autodesk的Revit是目前全球建筑市场上最为常用的BIM软件平台，它拥有强大的功能和丰富易用的二次开发接口（API）。基于Revit软件，针对轨道交通的特点进行快速建模工具集的开发，可大大提高设计的质量与效率，也为模型在全生命周期中的应用奠定了良好的基础[2]。
1 Revit与参数化设计
参数化，指的是建立特定的关系中某个基本元素发生变化时，其他元素也跟随变化，参数化建立了彼此元素之间的关联性。在可变的参数作用下，参数设计可以使系统自动对所有不变的参数进行维护，这对模型生成与修改的速度有很大的帮助。
参数化建筑建模能够实现内部一致、高质量、可靠、协调的以及可计算的建筑信息整合[2]。其能够很方便地对非图形数据、图形数据进行协调，包括日程安排、视图以及图纸等等。其还可以通过深化管理模型元素之间的相互联系来共同的描述模型以及设计模式，从而将全套设计文档与建筑模型放在一个全部都是和参数相互关联的综合数据库内。参数化模型建筑要了解组件间的特性和两者之间的作用关系，对元素之间的一致性关系能够很好地保持，在应用实践当中已经被证实是一种高效的重要的嵌入领域专业知识的建筑建模手段。
Revit是Autodesk公司专为建筑信息模型（BIM）开发的参数化建模软件，是一个以构件为集合的建模软件，所有基于Revit的产品都是参数化建筑信息模型工具。Revit允许用户在3D视图下设计建筑物及其各组件，以2D绘图元素注解模型，通过建筑模型数据库访问建筑信息模型[1]。参数化建筑图元是Revit的核心。Revit提供许多便捷人性化的图元构件供用户使用，同时允许用户通过自定义“族（family）”灵活实现创新要求。
2 Revit二次开发
Revit API在最原始的功能上进行伸展，并且不同版本的API都具有很大的扩充以及优化的空间。Revit通过连续不断的强化补充已经逐渐变成了一个非常强大的体系。通过用户编程定义，可以实现一些Revit之外的功能，还可以完成通过Revit现有交互界面不能完成的工作。Revit为Revit API提供了很多的库类以及命名空间，这样可以为用户在Revit平台上扩充相应功能或者定义新的功能提供便捷。结合程序控制以及交互操纵的各自的有点，再合理利用API通过编程方式对规律性强、数据量大的建模工作进行开发，可以明显提升用户的建模效率[4]。
3 系统设计与开发
为了适用于轨道交通项目和申通地铁集团BIM标准，此BIM应用工具包具有以下特点：
1） BIM应用工具包与申通地铁集团BIM标准紧密结合。工具包的应用成果满足集团BIM标准；
2） BIM应用工具包具有明确的针对性，适用于轨道交通项目各主要专业的日常工作；
3） BIM应用工具包采用模块化设计，用于面向不同的使用对象和任务。
4） BIM应用工具包兼具易用性和高效性，并便于维护和升级。
根据轨道交通工程地铁模型建设的特点，本项目将轨交工程BIM模型建立分为创建、检查、修改和提交四个阶段。各阶段主要工作为：
5） 创建模型
在设计图纸基础上，通过手工、族库和自动化三种方式创建工程的BIM模型，同时基于轨交的特点在建模中建立特有的模型轨交信息。
6） 检查模型
开发相应插件，对创建的模型进行自动检查。检查的内容可包括：族及模型的规范性检查、模型干涉分析及修改建议、净空高分析等。
7） 修改模型
针对检测出的错误，通过手工和插件两种方式，对模型进行修改、优化直至通过检查。
8） 提交模型
通过以上步骤，得到族库、各类模板、轨交BIM模型的各类规范要求、几何模型及属性齐备准确的BIM模型，提交至以Vault Server为资料管理核心、以分布式Web系统为平台的集成系统中进行管理和利用。
同时，为了与其他系统的集成，提供BIM模型与其他系统的集成的接口模块，实现模型的重复利用及各系统的无缝连接。
针对这四个阶段的划分，本项目开展相应的工具包开发，包括：
1） 建模/修改工具包
① 创建模型：族库创建；快捷创建（如吊支架）；图纸拾取等。
② 修改模型：批量、按规则进行模型的修改。
③ 基于隧道院已经应用的明细表工具（Schedule Sync），后期可以根据轨交模型的特点进行进一步的开发，实现Revit模型与更多外部数据的交互，进而进一步提高建模的效率。
2） 检查工具包
① 构件、模型命名检查、构件设计参数检查、轨交标准规范等检查
② 净空、管道/管线干涉及避让等检查
③ 可施工、运营信息检查
3） 提交工具包
① 对完成的模型进行资产清单、明细表、交付报告的生成。
② 通过提交工具包模型可以提交至Vault数据库或其他数据库。
③ BIM模型可以转化成其他系统支持的数据实现与其他系统的无缝连接。
系统架构如图1所示，通过Revit API访问Revit模型、族、族实例等，提取几何信息、族实例信息、族属性信息，并进行一定的几何计算，进行构件生成、构件检查、构件标注、交汇扣减等，并最终实现梁柱门窗创建、轨道创建、支吊架创建、干涉检查等功能。
图2、图3所示为插件的部分功能效果。
4 结论
轨交工程涉及专业多，系统复杂，本工具集基于Revit平台，在多个阶段针对多个专业的多种需求进行深入分析开发，实现了多种轨交构件的快速建模和检查，切实帮助设计人员提高了设计、建模效率。
BIM应用工具包开发完成之后，既可以在申通地铁集团内部推广使用，也可以提供给参与申通地铁集团项目的设计、施工和监理企业，或推向整个轨道交通行业。
参考文献：
[1] 何关培. BIM 和 BIM 相关软件[J]. 土木建筑工程信息技术， 2010，2（4）： 110-117.
[2] 薛忠华， 谢步瀛. Revit API 在空间网格结构参数化建模中的应用[J].计算机辅助工程， 2013 （1）： 58-63.
[3] 王B. BIM 理念及 BIM 软件在建设项目中的应用研究[D]. 成都：西南交通大学， 2011.