赵 津

（恒大恒驰新能源汽车全球研究总院 造型研究院，上海 201600）

近年来“快速建模”技术正在被国内外主流车企所认可并应用，越来越多汽车造型从业人员开始学习并研究这一新兴建模技术及其相关应用。

虽然较早应用在工业造型领域的细分建模软件是犀牛的T-splines插件，但目前在汽车造型领域被广泛应用的是Dassault公司的CATIA IMA（Imagine&shape）模块与Autodesk公司的Speed Form（2020年后已整合并入ALIAS）。这两款软件在功能性与稳定性方面互有优缺点。总体来看，CATIA IMA更为成熟，虽然其在建模自由度上要逊于ALIAS，但其命令更为丰富、逻辑更为严谨、结构更为清晰、稳定性也更为可靠。本文先从细分曲面（subdi）细分建模相较非均匀有理B样条（Non-Uniform Rational B-Splines, NURBS）传统建模的优劣势入手，简单阐述细分建模存在意义及其应用阶段；然后概述CATIA IMA及其常用命令；最后着重介绍CATIA IMA“快速建模”的具体实施方法、建模思路及技巧。

1 细分建模在汽车造型设计领域存在的意义及其应用的阶段

1.1 细分建模存在的意义

传统NURBS建模方法虽可以精确表达任意几何形体，且具有局部控制性及仿射不变性等良好特性[1]。但其修改、拓扑及迭代的速度是其技术上无法克服的障碍。特别是在其处理任意拓扑关系的几何形体时，具有很大局限性，且需不断进行裁切与拼接。在占用过多计算与存储资源的同时，也无法自动保持较高曲面连续性[2]。然而细分曲面方法则凭借其任意拓扑性和良好的整体连续性的特点，恰恰克服了NURBS建模拓扑局限性这一先天瓶颈，在功能上刚好击中了传统NURBS建模所无法覆盖的真空地带，成为近年来3D数字图形领域最受关注的建模方法之一。特别是在汽车造型领域，已被越来越多车企所应用，对解决企业当今所面对的产品迭代快、研发周期短、人力资源紧张等现实问题有着积极的推动作用。

1.2 细分建模在汽车造型设计领域应用的阶段

首先，细分建模在汽车初步造型面（Concept A Surface, CAS）阶段的应用是毋庸置疑的。相较于传统汽车造型开发流程[3]，当下更为流行的方法是把细分建模应用在从2D转3D的第一步，做为CAS0或CAS0.5的交付物，并称其为“快速建模”。其不仅能够在数字化初始阶段就快速准确地表达设计意图，也可快速应对来自各方面造型意见及各工程部门提出的宏观可行性分析报告（如：人机工程、空气动力学、行人保护、冲压成型、成本控制等）。基于目前细分建模软件的性能，“快速建模”阶段的交付物已经可以达到比较精细，用于油泥模型或硬质模型的铣削加工。

其次，细分建模也可供设计师在三维中推敲形体，是一种全新的创意手段。当下汽车造型趋势中，强劲有力的腰线和夸张的脸谱已不再是打动大众审美的特征属性。人们已厌倦了浓妆艳抹的线条设计，慢慢开始喜欢更有亲和力的曲面和光影。设计师也开始尝试更为含蓄的光影和丝绸般微妙变化的曲面为特征的造型语言（如图1所示的马自达新一代车型曲面光影）。然而如果这种微妙变化的曲面仅靠手绘草图在二维平面中去进行创意，是相当困难的。“快速建模”恰恰能够帮助设计师在三维空间中寻找创意灵感，进行创意表达，真正实现“一边想象一边设计”，让产品造型具有更为多样化的解决方案。

图1 马自达新一代车型曲面光影

2 CATIA IMA（Imagine&shape）模块的简介及其常用命令概述

CATIA 从V5版本就推出了基于细分方法的曲面建模模块—CATIA IMA（Imagine&shape），并且一直服务于BMW造型中心，已历经了十余年的发展及优化。IMA支持快速自由形体塑造，同时保持细节特征的参数历史，以此实现高效的创造及方案迭代，并且和后续CATIA工程开发保持完美的数据连续。CATIA IMA的命令并非本文重点，以下只罗列最高频命令，如图2所示。

图2 CATIA IMA高频命令简介

3 基于CATIA IMA模块“快速建模”的具体实施方法、建模思路及技巧

3.1 CATIA IMA建模的实施方法

CATIA IMA整车建模从宏观上来说有两种实施方法：一种是从局部一步一步延展为整体；另一种则是从整体一层一层微观到细节。本文认为两种方法各有利弊，但第二种方法更能体现细分建模的优势，且效率更高。其原因有（1）可以最大程度体现全局意识和整体观，发挥细分方法整体连续性的优势[4]；（2）从整体入手更有利于体现设计意图，先确定比例姿态，再进行细节刻画；（3）从整体到细节的思路更有利于发挥细分方法的逻辑优势，效率更高。

3.2 CATIA IMA快速建模的建模思路及技巧

（1）网格线排布从“零乱”到“规整”的建模思路：初期数据的网格线排布一定是不准确的、零乱的。有“精神洁癖”及“强迫症”的建模师一定要克服这一点。因为如果起初就追求网格线的规整及特征线的对齐，势必会造成大量无用功。合理的方法是：人为屏蔽、过滤掉复杂细节，从比例姿态及主特征出发，迅速塑造形体，之后再根据需要增加网格线，梳理控制点，塑造细节。

图3 五星尖点在整车中的实例

（2）五星尖点的排布及处理方法：在细分方法基础理论中，奇异点（对于四边形网格，共享顶点的边数不等于4的顶点称为奇异顶点，更多奇异点知识可参考文献[5]）的处理一直是难点。针对其有效解决方案也一直被业界所探讨。只接受四边面是CATIA环境的基本准则，那么当横纵方向上的网格线和其他方向网格线（例如：轮包方向的网格线或某些特征线方向的网格线）交汇时，就必然会出现五星尖点。存在五星尖点的地方，往往所对应的实际NURBS曲面的边界呈现扭曲状态，这是无法避免的。但只要五星尖点排布合理，成品的高光是不会有问题的（如图3所示）。

（3）简化网格线排布的重要性：网格线排布尽量均匀，但也不要为了均匀而增加没有必要的网格线。在IMA中网格线之间的距离对造型起着关键作用。特别是在设置权重后，这一现象更加明显。然而如果为了均匀而增加没必要的网格线是得不偿失的。尽可能简洁的网格线排布才是快速建模的精髓，其可以有效避免由于控制点过多而产生的曲面高光异常，且更具有优越的可编辑性。

（4）“卡线”是锋锐特征形成的重要方法：网格线之间的距离越近，所夹曲面就越锐利。特别是当两条网格线之间夹着一条带权重的网格线，尖锐特征[6]会越发明显。如图4所示，腰线位置带+100权重的网格线，如果将其上、下相邻整排控制点沿网格线方向靠近，那么腰线会越来越锋锐。整车造型中侧围A柱与顶盖的关系也是如此，这种方法被称为“卡线”。

图4 尖锐特征线的形成

（5）拆件切割的两种方法及优略分析：如果采用本文所推荐的从整体入手的方法，进展到一定阶段，相对独立的零部件就需要分块后再分别继续深入细节。通常有两种分件方法：第一复制整体subdi，删除多余面片，只留下与此零部件相关面片，然后再进行规整、优化、丰富细节、翻遍倒角等操作，并以此类推做出所有零部件；第二把整体做到足够精细，且充分满足造型需求，再结合NURBS建模进行带参分割（两种方法见图5）。方法1的优势是即使某一零部件造型较为复杂，也不影响其他零部件控制点数量，缺点是单件边界线难以控制，且后期编辑过程中，难以保证部件之间的曲面连续性。方法2的优势是简单且直观，缺点是如某一细节较为复杂，会导致整车控制点数量激增，给整车曲面光顺和可编辑性带来麻烦。本文建议在实际使用过程中应具体问题具体分析，两种方法结合使用。对于复杂的局部可用方法1切分出来再塑造细节。对于相似复杂程度的零部件，可采用方法2，先整体造型，再结合NURBS建模进行分割。

图5 分件的两种方法

（6）三角面的处理方法：不要对三角面产生恐惧，只要网格线排布合理，三角面区域高光也可足够光顺。虽然实际分面比较怪异，但呈现造型才是快速建模阶段的目的（如图6所示）。

图6 三角面的高光效果及实际分面

（7）把软件设置为手动更新的重要性：后期复杂的网格线再加之镜像、分割等带参操作，使得每一步操作都会产生很大的运算量。那么我们设置为手动更新，在完成一些列的移动、对齐等命令后，再手动更新一次，这样规避了每一步操纵、更新所产生的卡顿。

（8）区分并合理使用ISD、IMA两个模块中的symmetry命令：ISD的symmetry是CATIA中最常用、最重要的命令之一，其是纯粹的镜像，可对所有类型物体进行操作。IMA的symmetry只能对subdi对象进行操作，并且其在镜像的同时可自动完成参数化驱动的G3融合。所以IMA的symmetry非常适合汽车这种对称物体建模，是一个创新且强大的命令。

（9）要善于使用working zone definition命令：这个命令可以帮助我们选择暂时想要编辑的网格线，而过滤掉暂时无关的网格线。后期的数据已经比较精细，网格线排布相当密集，甚至纷繁复杂。这个时候如果想要调整某条特征线线型、某个局部细节、某两个面或多个面的相对关系，通常由于眼花缭乱而无从下手。working zonedefinition命令可以帮助我们排除干扰，过滤暂时不需要编辑的网格线，使工作变简单。

4 结论

CATIA IMA的快速建模能力，不仅体现在建模算法的强大，更体现在设计手段的变革。所见即所得的设计方式，允许用户进行更加自由灵活的设计变更，才是IMA最大特点及优势。这些卓越的功能及特点也正是概念设计阶段所需。

想要熟练运用CATIA IMA开展造型设计相关工作，则需要在熟练掌握命令的前提下，具有对造型形体的良好认知。同时还要掌握网格线与型体一一对应的关系及网格线对曲面的作用效果。初用软件可先不纠结命令的细节和一些增强型命令的使用，单纯运用点、线、面的移动、删除、修补等命令大刀阔斧的操作，推敲想要的造型。在这个过程中体会网格线的“性格”，当我们做到用IMA建模就如同用手捏橡皮泥一样自如后，再研究那些非高频命令及增强型复合命令，来进一步提升工作效率。在大量的实际操作中，结合所遇到困难，参考并研究本文所阐述的实施方法、建模思路及技巧，相信会助力各位读者更快地掌握这门新兴技术。