基于免費(fèi)組件的IFC數(shù)據(jù)三維圖形交互模塊研究

1、第三屆工程建設(shè)計算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新論壇論文集上海2011基于免費(fèi)組件的IFC數(shù)據(jù)三維圖形交互模塊研究魏振華 馬智亮清華大學(xué)土木工程系，北京 100084【摘要】基于BIM的三維圖形交互模塊的開發(fā)需解決BIM數(shù)據(jù)解析及三維模型顯示兩個問題，選擇價格低廉甚至免費(fèi)的組件并且能夠進(jìn)行高效的開發(fā)是研究者進(jìn)行研究的最佳途徑。本研究基于已有的BIM應(yīng)用軟件研究，針對IFC數(shù)據(jù)找到了一種能夠用于快速高效地開發(fā)三維圖形交互模塊的免費(fèi)組件組合，即TNO公司的IFC Engine DLL（用于BIM數(shù)據(jù)解析）和SIM公司的Coin 3D（兼容Open Inventor，用于三維模型顯示）。然后基于該組合，在C+語言開發(fā)環(huán)

2、境下，研制了可以靈活用于BIM應(yīng)用軟件開發(fā)的三維圖形交互模塊3DGI，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。本研究為利用免費(fèi)組件自主研發(fā)輕量級的三維圖形交互模塊提供了一種快速高效的解決方案，從而可幫助研究者把更多的精力集中于進(jìn)行BIM應(yīng)用軟件本身的研究中?！娟P(guān)鍵詞】BIM應(yīng)用軟件，三維圖形交互，IFC數(shù)據(jù)，免費(fèi)組件概述近年來，隨著BIM技術(shù)的流行，相關(guān)研究逐漸增多，特別是關(guān)于BIM應(yīng)用軟件的研究已經(jīng)成為BIM領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，對BIM技術(shù)在建筑工程中實(shí)際應(yīng)用起到了重要的推動作用。三維模型作為BIM技術(shù)的核心，可以直觀地存儲和表達(dá)BIM數(shù)據(jù)，方便對BIM技術(shù)應(yīng)用效果的檢查，是BIM技術(shù)由理論走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵，三維圖

3、形交互模塊也因此成為BIM應(yīng)用軟件研究和開發(fā)的重要支撐。目前，IFC標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為主流的BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)1，為使研究成果具有普遍適用性，在本研究中考慮的BIM數(shù)據(jù)即為IFC數(shù)據(jù)。三維圖形交互模塊的開發(fā)需要解決BIM數(shù)據(jù)解析及三維模型顯示兩個關(guān)鍵問題。針對這兩個問題均已有一些商業(yè)化和免費(fèi)的軟件或組件：BIM數(shù)據(jù)解析主要是針對IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)解析，可使用商業(yè)化的EDM等軟件或者免費(fèi)的IFCsvr、 IFC Engine DLL等組件2-4；三維模型顯示則可使用商業(yè)化的AutoCAD等軟件或者免費(fèi)的OpenGL、Direct3D等組件4-6。一般地，商業(yè)化軟件在開發(fā)效率、模型質(zhì)量等多個方面有較大的優(yōu)勢，

4、但其昂貴的價格在很大程度上阻礙了其在研究中的使用。相比而言，研究者在研究中更愿意使用免費(fèi)組件。然而免費(fèi)組件相關(guān)說明文檔往往不全，缺乏相關(guān)咨詢服務(wù)和技術(shù)支持，同時在應(yīng)用時一般需要進(jìn)行大量調(diào)研，然后經(jīng)過艱苦的嘗試和大量的編程工作才能實(shí)際利用。為解決上述問題，本研究基于已有的BIM應(yīng)用軟件研究，綜合比較相關(guān)免費(fèi)組件，在C+語言開發(fā)環(huán)境下，針對IFC數(shù)據(jù)找到了一種能夠用于快速高效地開發(fā)三維圖形交互模塊的免費(fèi)組件組合，即TNO公司的IFC Engine DLL（用于BIM數(shù)據(jù)解析）和SIM公司的Coin 3D（兼容Open Inventor，用于三維模型顯示），研制了可以靈活用于BIM應(yīng)用軟件開發(fā)的三維

5、圖形交互模塊3DGI，為利用免費(fèi)組件自主研發(fā)輕量級的三維圖形交互模塊提供了一種快速高效的解決方案，從而可幫助研究者把更多的精力集中于進(jìn)行BIM應(yīng)用軟件本身的研究中。免費(fèi)組件選擇2.1 三維圖形交互模塊的基本需求本研究通過調(diào)研和分析常見的三維軟件以及已有的BIM應(yīng)用軟件，首先對三維圖形交互模塊的基本需求進(jìn)行了分析，如表1所示。表1三維圖形交互模塊的基本需求序號基本需求需求描述1IFC數(shù)據(jù)的雙向傳遞支持對IFC數(shù)據(jù)文件的讀寫支持與BIM應(yīng)用軟件的雙向數(shù)據(jù)傳遞2三維模型的數(shù)據(jù)綁定三維模型實(shí)體需要包含屬性信息三維模型實(shí)體需要綁定相應(yīng)的BIM應(yīng)用數(shù)據(jù)3準(zhǔn)確完整的三維模型顯示能夠準(zhǔn)確完整地解析IFC幾何信

6、息能夠?qū)FC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成可用于三維繪圖的數(shù)據(jù)格式能夠反映實(shí)際的建筑構(gòu)件之間的位置和拓?fù)潢P(guān)系4方便的用戶交互操作提供實(shí)體選擇、三維瀏覽、模型顯示控制等多種用戶交互操作5良好的三維顯示效果提供模型的著色、材質(zhì)、光照等真實(shí)感表現(xiàn)功能IFC數(shù)據(jù)解析工具由于C+語言在開發(fā)大型BIM應(yīng)用軟件中的廣泛應(yīng)用，為了便于實(shí)現(xiàn)本模塊與BIM應(yīng)用軟件的集成，本研究優(yōu)先考慮選擇支持C+語言的IFC數(shù)據(jù)解析工具。為此，本研究針對部分常用的支持C+語言開發(fā)環(huán)境的免費(fèi)IFC數(shù)據(jù)解析工具進(jìn)行了調(diào)研和對比，如表2所示。對IFC數(shù)據(jù)解析工具的選擇還需要考慮IFC數(shù)據(jù)與三維圖形引擎所需繪圖數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)交換問題。相比其他工具，IFC

7、 Engine DLL不僅能夠解析實(shí)體的幾何表達(dá)方式和描述信息，而且提供了將這些信息直接轉(zhuǎn)化為三維圖形引擎常用的三角網(wǎng)格的圖形接口，無需編程人員再進(jìn)行幾何算法的開發(fā)。特別是，它能夠自動處理常見的構(gòu)件開洞等布爾運(yùn)算情形，并直接獲得布爾運(yùn)算結(jié)果實(shí)體的三角網(wǎng)格。綜合這幾方面的因素，本研究最終選擇了IFC Engine DLL作為IFC數(shù)據(jù)解析工具。表2部分IFC數(shù)據(jù)解析工具對比序號解析工具數(shù)據(jù)解析功能數(shù)據(jù)解析效率圖形接口1IFC EngineDLL7提供對IFC數(shù)據(jù)的查詢、修改等基本功能接口，采用SDAI接口晚綁定，數(shù)據(jù)讀取效率高能自動快速獲得布爾運(yùn)算后的IFC實(shí)體三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)2IFCsvr8基于C

8、OM環(huán)境提供對IFC數(shù)據(jù)的查詢、修改等基本功能接口晚綁定，數(shù)據(jù)讀取效率高僅能解析實(shí)體的幾何表達(dá)方式和相關(guān)描述信息3IFC SDK9對應(yīng)IFC標(biāo)準(zhǔn)建立起完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提供對IFC數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、查詢、修改等基本功能接口早綁定，數(shù)據(jù)讀取效率較晚綁定低，但運(yùn)行效率高僅能解析實(shí)體的幾何表達(dá)方式和相關(guān)描述信息三維圖形引擎為選擇三維圖形引擎，本研究利用四種常用的免費(fèi)甚至開源的三維圖形引擎進(jìn)行了開發(fā)應(yīng)用試驗(yàn)，包括OpenGL、Direct3D、Coin3D和Open CASCADE，通過開發(fā)過程及效果對它們進(jìn)行了比較，如表3所示。表3部分三維圖形引擎對比序號圖形引擎基本功能繪圖效率交互功能顯示效果1OpenG

9、L10跨語言、跨平臺的底層圖形庫高繪圖速度提供了最基礎(chǔ)性的交互功能高質(zhì)量和高性能的圖形顯示2Direct3D11微軟平臺COM接口的底層三維圖形API高繪圖速度提供了最基礎(chǔ)性的交互功能高質(zhì)量和高性能的圖形顯示3Coin3D12基于OpenGL的面向?qū)ο笕S圖形開發(fā)包繪圖效率較高豐富的交互功能高質(zhì)量和高性能的圖形顯示4Open CASCADE13主要用于設(shè)計建模的面向?qū)ο髨D形工具大規(guī)模繪圖效率較低控制模型變換等交互功能可滿足BIM應(yīng)用軟件要求表3中的OpenGL、Direct3D均屬于底層圖形庫，雖然提供了強(qiáng)大的三維圖形功能，但是其函數(shù)功能復(fù)雜多樣，往往需要開發(fā)者進(jìn)行大量的編程工作才能實(shí)現(xiàn)良好的

10、顯示效果。而Open CASCADE雖然三維圖形功能非常強(qiáng)大，但是其針對大量圖形元素低下的繪圖效率成為制約其應(yīng)用的主要因素。與以上這三種圖形工具相比，Coin3D既繼承了OpenGL良好的三維圖形顯示性能和繪圖效率，又封裝了豐富的三維圖形交互控制功能，編程實(shí)現(xiàn)簡單方便12。同時，其創(chuàng)建的所有圖形都作為三維對象“結(jié)點(diǎn)”進(jìn)行管理，其面向?qū)ο蟮乃枷肱cBIM理念又是相通的，故可以方便地建立起B(yǎng)IM實(shí)體與三維對象“結(jié)點(diǎn)”的對應(yīng)關(guān)系。因此本研究最終選用Coin3D作為三維圖形引擎。模塊總體框架在三維圖形交互模塊的基本需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)選用的IFC數(shù)據(jù)解析工具IFC Engine DLL以及三維圖形引擎Co

11、in3D的數(shù)據(jù)需求和功能特點(diǎn)，本研究建立起了三維圖形交互模塊3DGI的總體框架，如圖1所示。3DGI模塊以IFC數(shù)據(jù)作為輸入條件。在3DGI模塊中，3DGI核心子模塊作為其核心，通過調(diào)用IFC Engine DLL，直接讀取IFC幾何信息并將其處理和轉(zhuǎn)化為三維圖形數(shù)據(jù)（三角網(wǎng)格）；之后調(diào)用Coin3D，利用生成的三維圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型顯示并實(shí)現(xiàn)對用戶交互操作的支持。因此，BIM應(yīng)用軟件的研究者可在其用戶界面模塊調(diào)用3DGI模塊以實(shí)現(xiàn)BIM應(yīng)用軟件的三維模型顯示和用戶交互操作，從而實(shí)現(xiàn)完整的BIM應(yīng)用軟件。按照該框架，作者等使用C+語言實(shí)現(xiàn)了該模塊，所需的編程工作只有不到1000行代碼。圖1

12、3DGI模塊總體框架及其與BIM應(yīng)用軟件的集成模塊應(yīng)用本研究所開發(fā)的三維圖形交互模塊3DGI已經(jīng)成功地集成在本研究組開發(fā)的兩個BIM應(yīng)用軟件中，即基于BIM技術(shù)的建筑成本預(yù)測軟件系統(tǒng)和基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計軟件系統(tǒng)3,14。3DGI模塊在兩個BIM應(yīng)用軟件中的實(shí)際應(yīng)用表明，所采用的IFC Engine DLL可以為BIM應(yīng)用軟件準(zhǔn)確完整地提供IFC三維圖形數(shù)據(jù)，其高效性也保證了系統(tǒng)啟動和運(yùn)行的流暢性；所采用的Coin3D既實(shí)現(xiàn)了高效的三維模型顯示和用戶交互控制，又實(shí)現(xiàn)了建筑產(chǎn)品與BIM應(yīng)用數(shù)據(jù)之間的直觀綁定。通過應(yīng)用該模塊，所開發(fā)的BIM應(yīng)用軟件能夠高效地實(shí)現(xiàn)編制工程量清單、進(jìn)行工程計價

13、、設(shè)計建筑構(gòu)件材料、進(jìn)行節(jié)能指標(biāo)檢查等操作，同時也可以直觀地校核成本預(yù)算和節(jié)能設(shè)計結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)語本研究為在C+語言開發(fā)環(huán)境下自主研發(fā)輕量級的三維圖形交互模塊提供了一種免費(fèi)組件的組合，并通過實(shí)際研制和在BIM應(yīng)用軟件中應(yīng)用證實(shí)了該組合的優(yōu)勢。該模塊的編程實(shí)現(xiàn)表明，使用該組合，僅需幾百行代碼即可實(shí)現(xiàn)從IFC數(shù)據(jù)解析到三維模型顯示的功能，并能夠提供友好的用戶交互操作，從而有助于研究者將主要的精力集中于BIM應(yīng)用軟件本身的研究中，節(jié)約研究時間，提高工作效率。致謝本研究受“十一五”國家科技支撐課題“基于BIM技術(shù)的下一代建筑工程應(yīng)用軟件研究”（2007BAF23B02）資助。參考文獻(xiàn)1 buildi

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