智能制造术语：创成式设计让CAD重生

智能制造术语（编号847）

英文：Generative Design

中文：创成式设计

（本词条由《智能制造术语》编写组收录，版权归《知识自动化》所有。欢迎业内提出建议。）

“CAD是一个谎言”，AutoDesk高管曾经如此调侃到，“创成式设计正在让它变得真正名符其实”。

该技术狂人紧接着说，“除非能让计算机明白你想要什么，怎样去演绎，否则的话，计算机唯一能干的事，就是帮你写文档。”

智能制造术语定义

创成式设计是一个人机交互、软件自我创新的过程。软件根据输入者的设计意图，根据“良性”的问题结构以及外部约束，通过“创成式”系统，生成潜在的可行性设计方案几何模型，然后进行自动化设计综合，从而筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。

图1 Dreamcatcher中的创成式设计流程

炫酷的概念，却是由来已久

意大利米兰理工大学创成式设计实验室的索杜教授是这个概念的先驱。早在1980年代，就提出了以“Generative Design”冠名的艺术与建筑设计理念。在他的笔记中，创成式设计被描述为“一种科学的艺术创作过程，这个过程能够通过一种类似生物基因编码的转换最终形成一种人工的世界。这是一种设计活动，目的不仅仅是要获得一个结果，更要形成一种可以操作的编码，在演化过程中可以产生无可穷尽的变形体。”

在澳大利亚莫纳什大学乔-麦寇马克等人的观点中，“创成式设计”被当作“设计研究”的一种范式。

“创成式设计”将产品设计过程中的“系统之美”通过产品呈现，激发起受众新型的美感体验。“创成式设计”提供了一套世界观和方法论，促使人们反思设计过程中产生的中间产品与操作这些中间产品的动作是如何联结形成设计过程的。在信息技术泛在的情况下，概念构思的过程应该从关注于设计对象本身转移到组件、系统和流程三者之间的交互。他们发现，对“创成式设计”的研究大多与“综合Synthesis”的概念联系在一起。“综合”的语义与自然和自然系统紧密相连。

在自然界中，广义的“综合”机理包括DNA结构、蛋白质合成与生化机理。而地球生物展示出的多样性与自适应性，暗示了类似机理可能会在设计问题中发挥作用。利用相对简单的单元能够通过组合产生新颖、多样的物种。

因此，创成式设计对新型设计文化的形成，具有深远的意义。

在NASA Ames研究中心2001年发布的对模块化仿生机器人项目的研究报告中，把创成式设计看作自动化设计的一种实现方式。在“开放”的“进化”系统支持下，通过对已有设计方案的编码化、构件化和重用，生成新的设计方案。

麻省理工学院2008年发布的一篇讨论集成设计的论文中，创成式设计被广义的定义为“产生潜在设计方案的基于算法和规则的流程”。

在英国剑桥大学2008年一篇名为“微机电系统基于仿真的集成创成式设计方法”的论文中，创成式设计方法被描述为“一种自动化设计方法，通过生成一系列经过优化和可行性判定的设计替代方案，促进设计综合，探索性能边界，扩展权衡空间，减少设计时间，寻求帕累托最优的设计解。”

创成式设计突破极限

产品技术的进步使大多数产品尤其是消费电子类产品，能够做到功能与形式的分离。在功能表同质化、性能提升逼近物理极限的情况下，在产品形式表达方面做文章，诱发消费者的追求时尚、表达个性的需求逐渐成为提升产品附加值的重要选项。在产品生命周期日渐缩短的情况下，设计方案越来越像是设计师和消费者之间的交互媒介。

增材制造技术的进步和大范围应用，则意外地将各种美而复杂的设计方案从可制造性约束的束缚中解放出来。

只有想不到的设计，没有造不出来的原型。

大规模定制需要设计师意图与顾客意图的强化表达，需要快速生成高质量的设计方案，需要在接触顾客前预先准备好大量的设计选项。增材制造技术的发展也需要越来越多与其独特能力相匹配的设计方案来消费逐渐壮大的增材制造产能。

对于既能强化设计概念，又能通过算法运用计算力生成大量设计方案的创成式设计来说，工业设计领域就像是为其量身定制的主场。在世界范围内关于创成式设计的研究中，面向家具行业大规模定制的创成式设计研究始终是一个很重要的主题。而在医疗和生物制造领域的应用前景更加令人兴奋。结合微纳制造、生物工程和增材制造技术，能够制造出具有高保真仿生结构的医疗器械和生物制品。例如仿生骨骼，将会为广大骨科患者带来福音。

图2 创成式设计应用案例

在机械工程领域的结构件设计中，创成式设计方法已经被大量运用。与建筑和家具设计不同，在机械工程领域应用创成式设计方法时，会选择一种已经得到应用的结构形式作为初始的设计空间，在此基础上去探索符合设计者设计意图的环境约束。例如，在设计赛车底盘的过程中，就可以邀请世界顶级的赛车手驾驶安装了大量传感器的赛车在沙漠地形急速行驶，获取了这种使用条件下的载荷信息，然后根据这样的信息定义设计问题，从概念开始实施创成式设计流程。作为基本型的旧赛车更多充当了设计师收集环境信息、理解设计问题的媒介，设计师的设计意图通过对基型和运行条件的选择体现。

这一点是创成式设计与改型设计及“再”设计的重要区别。

在香港科技大学王煜教授2012年对下一代CAD工具的讨论中，创成式设计是一种功能驱动的设计，重心在于设计概念的生成，是CAD\CAE\OPT技术的三合一。在设计空间探索中，体现对正向设计（AB-INITIO Designs）和常规方法难以触摸之设计（Difficult&Hard Design）的追求。在优化中，寻求设计结果的高性能和轻量化。在设计重用中寻求与现有设计组件的结合，以及对现有设计方案的修改和再设计。

图3 王煜教授提出的创成式设计技术概念

波音其实是老主顾

创成式设计领域的新秀FRUSIUM把创成式设计则另有描述：设计师创建的设计空间在应用场景、外力约束和设计师实时筛选三种因素共同作用下，这是一个缩减过程，设计师最终得到的设计方案是初始设计意图的强化。

图4 FRUSIUM的创成式设计原理图

目前FRUSIUM的Generate创成式设计云平台已经被集成进西门子新一代NX产品。值得一提的是，这个成立三年多的创业公司，其创始人来自AutoDesk和空客合作的创成式设计团队。

波音其实对创成式设计早有安排。波音家自用的Genesis创成式设计软件，从90年代中期即用来支持波音客机设计的流程，已经集成进波音公司基于知识的统一工程环境。

图5 波音公司使用Genesis/KIRIS软件设计波音767客机起落架传动系统

终于可以闪亮走到幕前了。Genesis作为衍生式设计系统，出现在Jeff的论文里，1992年就有了。但是，波音在2015年才正式对外公布它这个系统，提出了“使用创成式设计和自动化推理设计航空系统”的口号。在波音公司的定义中，创成式设计是以形状文法和空间文法概念为基础的交互式、自动化设计方法，支持自动化推理，能够生成设计方案并探索设计空间。

图6 波音“设计规则”是创成式设计的核心之一

在项目开始的二十三年之后，波音公司终于正式向外界公布了Genesis/KIRIS基于知识的集成设计基础环境，并宣称“创成式设计”和“基于知识的工程”是波音工程环境走向智能化时代的双翼。

而在数字艺术、建筑设计和结构设计领域，Generative Design常被翻译成“衍生式设计”或“生成式设计”。有建筑领域的学者对“衍生式”和“生成式”的语义差异进行了辨析，认为“生成”的过程，是“形态衍生”和“性能表现”两个因素主导的设计过程。“生成式设计”是“衍生式设计”和“性能驱动式设计”的合成。在机械制造领域，Generative Design被译作“创成式设计”，这一译名来源于“创成式工艺过程设计”，从1980年代开始沿用至今，这里面包括Bentley、大犀牛、甚至还有不出名的Form-Z这些公司。

后记：亿人亿面

其实还可以走的更远。意大利衍生设计工作室MHOX根据顾客体表特征定制的面甲和装饰壳，提出了“为70亿人定制70亿种产品”的响亮口号。

技术知识丰富了软件的想象力，而软件“自行”定义设计。设计结果是不可想象的，这一点颠覆了人们对于CAD的全部认知。这就是创成式设计的巨大魅力。

注：本词条将在《智能制造术语解读》一书集结发表，特别鸣谢中国电子信息产业发展研究院的支持。

作者：赵翰林（北京索为系统技术股份有限公司市场部，南山工业书院研究组）、宁振波（航空工业信息中心首席顾问），编审：林雪萍（北京联讯动力咨询有限公司，南山工业书院发起人）

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全球工业软件三座大山之CAD：美国军方开源CAD介绍

来自美国军方的BRL-CAD

在现代科技发展史上，BRL-CAD堪称军民融合的典范。1979年，美国陆军弹道研究实验室（BRL，后并入美国陆军研究实验室ARL）面对战车系统和环境计算机模拟及工程分析的需求，发现当时的商用CAD软件包无法满足其特殊要求。于是，BRL的软件开发团队，由Mike Muuss领导，开始了研发一套能够实现几何模型交互式显示、编辑和查询的工具集。这套工具集最终演化为BRL-CAD，一款强大的构造实体几何（CSG）建模系统。

BRL-CAD的开发历程见证了从1979年的初始构想到1983年作为统一软件包的成型，再到1984年的首次公开发布。随着技术的不断积累，BRL-CAD的源代码量已接近百万行，成为全球范围内超过2000个站点使用的软件包。2004年，BRL-CAD正式开源，标志着这款原本服务于军事需求的软件开始惠及全球的工程师和设计师，成为军民技术转化的杰出案例。

BRL-CAD：跨越时代的3D建模巨匠

BRL-CAD不仅是一款3D建模软件，更是一个集成了多种高级功能的综合平台，支持复杂的几何体创建、布尔运算、形状编辑、光线追踪、阴影计算等。它的强大之处在于处理大型数据集和复杂几何的能力，尤其在弹道和电磁分析领域展现出卓越性能。BRL-CAD采用CSG建模方式，这种建模理念虽不如边界表示（BREP）流行，但在分析物理现象方面有着独特优势。

作为开源项目，BRL-CAD鼓励用户参与到软件的开发和改进中，形成了一个活跃的社区。用户可以通过多种渠道寻求技术支持，如邮件列表、Zulip聊天室和GitHub的问题跟踪器。BRL-CAD的源代码遵循开放源代码许可证，确保了用户享有自由修改和分发的权利。

CAD全球市场概览与军民融合趋势

全球CAD市场正经历着前所未有的变革。随着制造业的数字化转型加速，CAD软件的需求日益增长，尤其是在汽车、航空航天、建筑等行业。然而，这个市场长期被少数几家国际巨头所主导，如Autodesk、Dassault Systèmes和Siemens PLM Software，它们凭借全面的产品线和技术优势占据主导地位。

军民融合的理念在全球范围内得到了广泛认同，特别是在技术创新领域。像BRL-CAD这样的项目，最初由美国军方资助和开发，最终以开源形式向社会开放，体现了技术从军事到民用的平滑过渡。这种趋势不仅促进了技术的普及，也推动了经济的发展，为更多企业提供了利用先进技术和创新成果的机会。

在国内，一些企业和个人通过借鉴、参考乃至某种程度上的模仿开源项目，结合本土市场需求进行二次开发，快速在国内市场取得了成功。虽然这种方式在促进技术传播方面起到了积极作用，但也引发了关于知识产权和原创性的讨论。尊重开源精神，明确引用来源，是维护健康技术生态的重要原则，也是推动国内软件产业持续进步的关键。

结语

BRL-CAD作为一款由美国军方开发并最终开源的CAD软件，不仅在军事领域发挥了重要作用，更在民用市场上展现了巨大潜力。它的开源策略促进了技术共享，为全球用户提供了高质量的建模工具。在全球CAD市场中，军民融合的实践证明了技术无国界，开源精神能够跨越军事与民用的界限，为人类科技进步贡献力量。

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