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[摘要]工程设计中存在着大量约定俗成的模式。这些设计套路是工程设计人员多年工程实践的积累与体现。其合理有效地应用将大大提高设计效率。本文根据工程模板的概念，对模板的运算与性质进行了分析和讨论。并将该研究应用于工厂设计系统中。收到了良好的效果。
[关键词]模板 工程设计 CAD
工程CAD是计算机辅助设计领域的一个重要分支，它涉及石油、化工、建筑、纺织、桥梁、公路等众多领域，具有广泛的应用价值。目前，工程CAD技术有了很大的发展，许多商品软件不断推出，我国引进的国外工作站版工程设计软件主要有PDMS， Intergraph和CV等；微机版工程设计软件则有AutoPLANT， Bechtel3DM和CADPIPE等。经过二十多年来的发展，一方面，工程CAD系统不断吸收计算机行业最新的研究成果，逐渐向着集成化、自动化、智能化和网络化的方向发展；另一方面，硬件支撑平台中微机与工作站的区别逐渐变得模糊，基于微机的系统功能越来越强大，PDMS， Intergraph等软件纷纷推出了基于Microsoft Windows NT的微机版本，这一发展趋势必将进一步促进工厂设计软件的应用。但越来越普遍和复杂化的应用要求，给一些传统的方法和理论带来了挑战。
一、模板
在工程设计中还有许多问题是目前的设计方法不能很好解决的问题。针对这些问题和工程设计的特点，本文考察了在计算机领域中应用十分广泛的模板技术，并在此基础上提出了工程模板的概念和基于工程模板的工程设计方法。
“模板”一词起源于铸造。“模”的本义为铸造器物的模子。“模板”一词的英文为：template， stencil。Template的英文解释为：一块被裁成特定形状的薄板，用于引导对金属、木材、粘土等的裁剪。Stencil的英文解释为：一块材料(如纸片、金属)的内部被裁出图案或字符，通过这些空隙将颜料或墨水涂在纸上形成图案和字符。可见模板就是一种规范，是定义某一类事物的标准，这一类事物就依据这一标准产生、变化，具有一定的约束性。模板从一开始就被应用到CAD技术大行其道的行业-铸造、建筑中。在铸造中，模板用于定义被铸造器物的形状，所铸造的器物全由模板决定；在建筑中，模板构造出所要浇筑混凝土的形状。
二、工程模板
本文将应用到工程CAD领域的模板称为工程模板。为了将工程模板应用到工程设计当中，首先要了解模板的定义和性质，下面给出工程模板的定义。
1.工程模板的定义
工程模板是一四元组，Template =.其中，ID是工程模板名，是工程模板的唯一标识，是工程模板所描述事物的类别；Objects是对象集合，是组成工程模板所描述事物的对象；Attributes是工程模板所描述事物本身所具有的属性；Rules是规则集合，是对象构成模板所刻划事物必须遵循的规则和满足的约束，描述了该工程模板和其它模板进行信息交换、支持协同操作的标准。
2.工程模板的性质
(1)类比性。模板是客观世界中一类事物的标准，分类是模板定义的基础，只有结合实际的应用领域对需要处理的客体加以归纳和总结，才能最大限度地抽象出它们的共性，才能简化模板规则和属性的复杂度。此外，符合工程设计习惯的分类方式也便于设计者掌握并正确使用模板。
(2)可解释性。模板必须能够被系统动态地加以处理，这主要体现在约束规则处理上。模板的分析过程既可以是纯解释性的，也可以固化在模板处理程序之中。纯解释方式具有更大的灵活性，而固化方式则具有更高的运行效率，实际应用中通常应根据问题域的性质进行某种形式的折中。
(3)可实例化。模板本身是一个标准和规范，必须经过实例化后才能产生出最终的设计对象，对象的个体。实例化的过程就是利用规则和具体的属性值作用在模板所包含的对象上，生成它们的具体描述。
(4)可控制性。模板在实例化时，需要获得规则和属性使用的可变参数值。这些参数可能是由设计者交互输入的，也可能通过外部过程计算生成。用户可以通过控制输入参数和外部过程来控制模板的实例化结果。
(5)可编辑性。模板库中的模板数目不是固定不变的，是可以添加和删除的。一些模板的属性和规则是可被外部定义的、可修改的，否则无法充分体现模板的灵活性。为此，系统一般应提供模板的管理机制。
三、工程CAD和工程模板的结合
将工程设计模板应用到工程CAD中，可以很好的解决如下问题：
提高工作效率。模板刻划事物的共性，将个体的差异集中到属性和规则上来，用户只需要关心属性值和规则值的变化，就可以处理千差万别的个体的设计。
解决工程设计对象完备性的要求。利用合理的分类方案建立合理的模板层次，通过继承性，模板可以覆盖一种工程设计对象的所有类型；并通过选择合理的实现层次，使我们可以提炼出设计对象全面的、合理的和有效的规则集。
可以解决工程设计中复杂的设计对象。模板通过将复杂的设计对象分解，建立合理的基本模板和组合模板，通过设计组合模板来实现组合模板的设计：或者降低模板的实现层次，即降低模板的实现难度和抽象程度，在低层次上提炼设计规则和属性来完成复杂对象的设计。
解决工程设计对象扩展性的要求。工程模板具有方便的扩展功能，能活的对待新增加的设计对象和设计规则，能灵活的对待设计标准、工程约束和设计人员经验的变更。通过规则提炼来利用设计人员在设计过程中积累了大量的经验和智能，从而很好的体现工程设计专家的设计思想和设计逻辑。提高了系 统的智能化程度
利用工程模板，可以充分考虑复杂的计算对设计对象的几何信息和工程信息的深刻影响。模板描述了使用该模板进行设计时所遵循的所有约束和规则，考虑了所有条件对设计结果的影响和异常情况，因此，利用工程模板进行工程设计具有高度的自动性。
可以响应用户的个性化要求。一个设计对象有多个模板供用户选择，同时系统提供模板管理工具供用户编辑模板的一些控制条件，并且用户也可以通过软件设计人员的部分介入来添加新的模板。支持相同和不同专业模板间的信息交换，从而支持不同专业 CAD系统的集成化。
四、工程CAD中工程模板的应用实现
将工程模板应用到工程设计中，首先要了解工程模板適合于描述什么样的工程对象。从原则上讲，工程模板可以描述所有的工程设计对象，但并不是所有的工程设计对象都适合于用工程模板来描述，这需要具体问题具体分析。从上面的研究看到，工程模板适合于处理具有以下特征的设计对象：设计对象本身比较复杂，类型繁多：没有统一的标准；设计过程充满经验性和不确定性；涉及复杂的设计规则(包括大量的计算)，并且规则难于提炼；应用要求不断变化；并且要求设计对象之间可以互相交换信息。
1.工程模板应用到工程设计中的步骤
(1)首先需要仔细分析设计对象的设计特点和难点。根据需要将设计对象分解成更简单的对象，通过设计简单的对象来实现复杂对象的设计。这一过程叫问题域的简化，对工程模板来说，体现在建立组合模板和基本模板，实现模板的嵌套性。
(2)根据工程分类建立模板层次。这有两种分类方式，一种是符合工程设计人员习惯的分类标准，用于用户在模板管理机制中对模板的操作和组织。但这种分类根多的考虑了工程设计人员的习惯，而不利用对设计对象的共性的抽象，所以第二种分类方式产生了，它是供软件开发人员使用的，它的分类标准完全包含前一类分类标准，而且更具描述力。
(3)建立模板的实现层次，一般来说，实现层次越高，系统的描述力和概括性越强，但随之而来的可能是实现的难度的增大，而且有的层次在现有技术上是无法实现的，这时必须降低实现层次。实现层次的选择需要综合考虑实现的难度、系统的描述力、用户要求的响应等多方面因素。
(4)规则提炼。在实现层次上对行业知识、设计人员的知识和经验进行总结、归纳和提炼，形成规律性的知识，构成模板中可以被计算机解释的模板规则。任何设计过程都是规律性与创造性的统一体。工程设计是在各种规范、标准约束之下进行的，长期的工程实践也积累下来了大量的设计经验，如何从这些标准、规范和经验中抽象出具有共性的特征，并将它们转化成模板的规则和属性描述，是构造与应用工程模板的关键。
(5)判断模板自身的属性。根据自身的需要，决定设计对象自身所体现出的属性，它可以用来描述自己，也可以用于其他设计对象进行信息交换。
2.基于工程模板的工厂钢结构建模技术
在工程CAD中，建模是所有工程都需要的。本文以钢结构建模来研究基于工程模板的建模技术。下面所列举的所有模板均已经由PDSOFT钢结构设计系统的模型模块实现。
根据结构的作用和杆件的布置模式不同，钢结构被分成多种结构类型，如钢构架、楼梯、栏杆、支架、析架、设备支座等等。一个钢结构的模型就是由这些结构类型组合而成的。如图1所示，该模型中有钢构架、楼梯、栏杆、支架和楼板。本文主要对钢构架、支架的结构模板进行探讨。
图1 钢结构模型
(1)钢构架
钢构架是钢结构最基本的形式，它是一个钢结构中的主体和不可或缺的结构，其它结构将依附于它。实际上，其它的结构类型都是钢构架的变体。钢构架是用户通过辅助工具，一根杆件一根杆件搭建起来的，而其它结构是用户通过选择一定的样式和定义一些参数来完成建模的。如支架用户需要选择支架的样式、型钢等，系统会自动生成用户所需要的结构，而不需要用户一根杆件一根杆件的去选，去操作。
<钢构架模型模板>：：=<钢构架模型><钢构架_对象部分><钢构架_属性部分><钢构架_规则部分>
<钢构架_对象部分)：：=<杆件>
<钢构架_属性部分>：：=
<钢构架_规则部分>：：=
<杆件模板>：：<杆件><杆件_对象部分><杆件_属性部分><杆件_规则部分>
<杆件_对象部分>：：=<型钢>
<杆件_属性部分>：：=<杆件类型><世界坐标系中的坐标><加工特征>
<杆件_规则部分>：：=<.··…>
杆件的规则主要包括位置规则和交换规则，碰撞的处理是在节点设计中进行的，同时生成了杆件的加工特征。杆件没有形状和操作规则。杆件的计算规则，是整个模型一起进行的内力分析，通过专门的SAP软件进行，所以在模板中不单独列出。杆件的位置规则，即杆件在世界坐标系中的起点和终点是由用户输入的。杆件的交换规则描述了杆件布置中必须满足的工程约束和型钢端面匹配问题。例如对于一般钢构架，十字形组合型钢是不能做柱的；当槽钢作为梁时，它的凹面是不能朝上的：当角钢作为柱时，梁不能是工字型钢等等诸如此类的工程约束。
(2)支架
支架在钢构架中一般布置在结构的外围，用于铺楼板或架管道等。支架主要有两种形式：三角支架和悬臂支架。
<支架模型模板>：：=<支架模型><支架_对象部分><支架_属性部分><支架_规则部分>
<支架_对象部分>：：=<支架柱><支架梁><支架撑>
<支架_属性部分>：：=<支架类型>
<支架_规则部分>：：=<.··…>
<支架类型>：：=<三角支架>|<悬臂支架>
支架模板中的对象都属于杆件范畴，只是名称不同而已。支架的位置规则分成两部分，一部分是由支架类型隐含决定的；另一部分是指在支架梁上布置的边梁的位置要求。支架的形状规则主要是指支架梁、支架撑和边梁可以采用的型钢类型。支架的其它规则与钢构架相同。
五、結论
本文在分析了工程CAD技术、软件，工程模板的定义和性质的基础之上，提出了基于工程模板的工程CAD方法。并将工程模板应用到工程设计中，根据问题的特点提出建立模板层次、分解问题，最后在实现层次上提炼出工程对象的设计规则、标准和需要响应的用户要求。总之，基于工程模板的工程设计方法的发展同样需要更多的人、在更广泛的领域中去进行更深入的研究。
参考文献：
[1]戴肖锋.基于扩展图与多态模型的工程CAD建模技术研究.中国科学院计算技术研究所博士学位论文，2000.
[2]李启炎.工程CAD.机械工业出版社[M].1995，12.
(作者单位：重庆电子职业技术学院)
[关键词]模板 工程设计 CAD
工程CAD是计算机辅助设计领域的一个重要分支，它涉及石油、化工、建筑、纺织、桥梁、公路等众多领域，具有广泛的应用价值。目前，工程CAD技术有了很大的发展，许多商品软件不断推出，我国引进的国外工作站版工程设计软件主要有PDMS， Intergraph和CV等；微机版工程设计软件则有AutoPLANT， Bechtel3DM和CADPIPE等。经过二十多年来的发展，一方面，工程CAD系统不断吸收计算机行业最新的研究成果，逐渐向着集成化、自动化、智能化和网络化的方向发展；另一方面，硬件支撑平台中微机与工作站的区别逐渐变得模糊，基于微机的系统功能越来越强大，PDMS， Intergraph等软件纷纷推出了基于Microsoft Windows NT的微机版本，这一发展趋势必将进一步促进工厂设计软件的应用。但越来越普遍和复杂化的应用要求，给一些传统的方法和理论带来了挑战。
一、模板
在工程设计中还有许多问题是目前的设计方法不能很好解决的问题。针对这些问题和工程设计的特点，本文考察了在计算机领域中应用十分广泛的模板技术，并在此基础上提出了工程模板的概念和基于工程模板的工程设计方法。
“模板”一词起源于铸造。“模”的本义为铸造器物的模子。“模板”一词的英文为：template， stencil。Template的英文解释为：一块被裁成特定形状的薄板，用于引导对金属、木材、粘土等的裁剪。Stencil的英文解释为：一块材料(如纸片、金属)的内部被裁出图案或字符，通过这些空隙将颜料或墨水涂在纸上形成图案和字符。可见模板就是一种规范，是定义某一类事物的标准，这一类事物就依据这一标准产生、变化，具有一定的约束性。模板从一开始就被应用到CAD技术大行其道的行业-铸造、建筑中。在铸造中，模板用于定义被铸造器物的形状，所铸造的器物全由模板决定；在建筑中，模板构造出所要浇筑混凝土的形状。
二、工程模板
本文将应用到工程CAD领域的模板称为工程模板。为了将工程模板应用到工程设计当中，首先要了解模板的定义和性质，下面给出工程模板的定义。
1.工程模板的定义
工程模板是一四元组，Template =
2.工程模板的性质
(1)类比性。模板是客观世界中一类事物的标准，分类是模板定义的基础，只有结合实际的应用领域对需要处理的客体加以归纳和总结，才能最大限度地抽象出它们的共性，才能简化模板规则和属性的复杂度。此外，符合工程设计习惯的分类方式也便于设计者掌握并正确使用模板。
(2)可解释性。模板必须能够被系统动态地加以处理，这主要体现在约束规则处理上。模板的分析过程既可以是纯解释性的，也可以固化在模板处理程序之中。纯解释方式具有更大的灵活性，而固化方式则具有更高的运行效率，实际应用中通常应根据问题域的性质进行某种形式的折中。
(3)可实例化。模板本身是一个标准和规范，必须经过实例化后才能产生出最终的设计对象，对象的个体。实例化的过程就是利用规则和具体的属性值作用在模板所包含的对象上，生成它们的具体描述。
(4)可控制性。模板在实例化时，需要获得规则和属性使用的可变参数值。这些参数可能是由设计者交互输入的，也可能通过外部过程计算生成。用户可以通过控制输入参数和外部过程来控制模板的实例化结果。
(5)可编辑性。模板库中的模板数目不是固定不变的，是可以添加和删除的。一些模板的属性和规则是可被外部定义的、可修改的，否则无法充分体现模板的灵活性。为此，系统一般应提供模板的管理机制。
三、工程CAD和工程模板的结合
将工程设计模板应用到工程CAD中，可以很好的解决如下问题：
提高工作效率。模板刻划事物的共性，将个体的差异集中到属性和规则上来，用户只需要关心属性值和规则值的变化，就可以处理千差万别的个体的设计。
解决工程设计对象完备性的要求。利用合理的分类方案建立合理的模板层次，通过继承性，模板可以覆盖一种工程设计对象的所有类型；并通过选择合理的实现层次，使我们可以提炼出设计对象全面的、合理的和有效的规则集。
可以解决工程设计中复杂的设计对象。模板通过将复杂的设计对象分解，建立合理的基本模板和组合模板，通过设计组合模板来实现组合模板的设计：或者降低模板的实现层次，即降低模板的实现难度和抽象程度，在低层次上提炼设计规则和属性来完成复杂对象的设计。
解决工程设计对象扩展性的要求。工程模板具有方便的扩展功能，能活的对待新增加的设计对象和设计规则，能灵活的对待设计标准、工程约束和设计人员经验的变更。通过规则提炼来利用设计人员在设计过程中积累了大量的经验和智能，从而很好的体现工程设计专家的设计思想和设计逻辑。提高了系 统的智能化程度
利用工程模板，可以充分考虑复杂的计算对设计对象的几何信息和工程信息的深刻影响。模板描述了使用该模板进行设计时所遵循的所有约束和规则，考虑了所有条件对设计结果的影响和异常情况，因此，利用工程模板进行工程设计具有高度的自动性。
可以响应用户的个性化要求。一个设计对象有多个模板供用户选择，同时系统提供模板管理工具供用户编辑模板的一些控制条件，并且用户也可以通过软件设计人员的部分介入来添加新的模板。支持相同和不同专业模板间的信息交换，从而支持不同专业 CAD系统的集成化。
四、工程CAD中工程模板的应用实现
将工程模板应用到工程设计中，首先要了解工程模板適合于描述什么样的工程对象。从原则上讲，工程模板可以描述所有的工程设计对象，但并不是所有的工程设计对象都适合于用工程模板来描述，这需要具体问题具体分析。从上面的研究看到，工程模板适合于处理具有以下特征的设计对象：设计对象本身比较复杂，类型繁多：没有统一的标准；设计过程充满经验性和不确定性；涉及复杂的设计规则(包括大量的计算)，并且规则难于提炼；应用要求不断变化；并且要求设计对象之间可以互相交换信息。
1.工程模板应用到工程设计中的步骤
(1)首先需要仔细分析设计对象的设计特点和难点。根据需要将设计对象分解成更简单的对象，通过设计简单的对象来实现复杂对象的设计。这一过程叫问题域的简化，对工程模板来说，体现在建立组合模板和基本模板，实现模板的嵌套性。
(2)根据工程分类建立模板层次。这有两种分类方式，一种是符合工程设计人员习惯的分类标准，用于用户在模板管理机制中对模板的操作和组织。但这种分类根多的考虑了工程设计人员的习惯，而不利用对设计对象的共性的抽象，所以第二种分类方式产生了，它是供软件开发人员使用的，它的分类标准完全包含前一类分类标准，而且更具描述力。
(3)建立模板的实现层次，一般来说，实现层次越高，系统的描述力和概括性越强，但随之而来的可能是实现的难度的增大，而且有的层次在现有技术上是无法实现的，这时必须降低实现层次。实现层次的选择需要综合考虑实现的难度、系统的描述力、用户要求的响应等多方面因素。
(4)规则提炼。在实现层次上对行业知识、设计人员的知识和经验进行总结、归纳和提炼，形成规律性的知识，构成模板中可以被计算机解释的模板规则。任何设计过程都是规律性与创造性的统一体。工程设计是在各种规范、标准约束之下进行的，长期的工程实践也积累下来了大量的设计经验，如何从这些标准、规范和经验中抽象出具有共性的特征，并将它们转化成模板的规则和属性描述，是构造与应用工程模板的关键。
(5)判断模板自身的属性。根据自身的需要，决定设计对象自身所体现出的属性，它可以用来描述自己，也可以用于其他设计对象进行信息交换。
2.基于工程模板的工厂钢结构建模技术
在工程CAD中，建模是所有工程都需要的。本文以钢结构建模来研究基于工程模板的建模技术。下面所列举的所有模板均已经由PDSOFT钢结构设计系统的模型模块实现。
根据结构的作用和杆件的布置模式不同，钢结构被分成多种结构类型，如钢构架、楼梯、栏杆、支架、析架、设备支座等等。一个钢结构的模型就是由这些结构类型组合而成的。如图1所示，该模型中有钢构架、楼梯、栏杆、支架和楼板。本文主要对钢构架、支架的结构模板进行探讨。
图1 钢结构模型
(1)钢构架
钢构架是钢结构最基本的形式，它是一个钢结构中的主体和不可或缺的结构，其它结构将依附于它。实际上，其它的结构类型都是钢构架的变体。钢构架是用户通过辅助工具，一根杆件一根杆件搭建起来的，而其它结构是用户通过选择一定的样式和定义一些参数来完成建模的。如支架用户需要选择支架的样式、型钢等，系统会自动生成用户所需要的结构，而不需要用户一根杆件一根杆件的去选，去操作。
<钢构架模型模板>：：=<钢构架模型><钢构架_对象部分><钢构架_属性部分><钢构架_规则部分>
<钢构架_对象部分)：：=<杆件>
<钢构架_属性部分>：：=
<钢构架_规则部分>：：=
<杆件模板>：：<杆件><杆件_对象部分><杆件_属性部分><杆件_规则部分>
<杆件_对象部分>：：=<型钢>
<杆件_属性部分>：：=<杆件类型><世界坐标系中的坐标><加工特征>
<杆件_规则部分>：：=<.··…>
杆件的规则主要包括位置规则和交换规则，碰撞的处理是在节点设计中进行的，同时生成了杆件的加工特征。杆件没有形状和操作规则。杆件的计算规则，是整个模型一起进行的内力分析，通过专门的SAP软件进行，所以在模板中不单独列出。杆件的位置规则，即杆件在世界坐标系中的起点和终点是由用户输入的。杆件的交换规则描述了杆件布置中必须满足的工程约束和型钢端面匹配问题。例如对于一般钢构架，十字形组合型钢是不能做柱的；当槽钢作为梁时，它的凹面是不能朝上的：当角钢作为柱时，梁不能是工字型钢等等诸如此类的工程约束。
(2)支架
支架在钢构架中一般布置在结构的外围，用于铺楼板或架管道等。支架主要有两种形式：三角支架和悬臂支架。
<支架模型模板>：：=<支架模型><支架_对象部分><支架_属性部分><支架_规则部分>
<支架_对象部分>：：=<支架柱><支架梁><支架撑>
<支架_属性部分>：：=<支架类型>
<支架_规则部分>：：=<.··…>
<支架类型>：：=<三角支架>|<悬臂支架>
支架模板中的对象都属于杆件范畴，只是名称不同而已。支架的位置规则分成两部分，一部分是由支架类型隐含决定的；另一部分是指在支架梁上布置的边梁的位置要求。支架的形状规则主要是指支架梁、支架撑和边梁可以采用的型钢类型。支架的其它规则与钢构架相同。
五、結论
本文在分析了工程CAD技术、软件，工程模板的定义和性质的基础之上，提出了基于工程模板的工程CAD方法。并将工程模板应用到工程设计中，根据问题的特点提出建立模板层次、分解问题，最后在实现层次上提炼出工程对象的设计规则、标准和需要响应的用户要求。总之，基于工程模板的工程设计方法的发展同样需要更多的人、在更广泛的领域中去进行更深入的研究。
参考文献：
[1]戴肖锋.基于扩展图与多态模型的工程CAD建模技术研究.中国科学院计算技术研究所博士学位论文，2000.
[2]李启炎.工程CAD.机械工业出版社[M].1995，12.
(作者单位：重庆电子职业技术学院)