三維幾何模型在建筑工程中的應(yīng)用

三維幾何模型在建筑工程中的應(yīng)用

1物理模型的建立根據(jù)建模方法，三維模型可分為直方模型、表層模型和實(shí)體模型。線框建模是利用基本線素來定義設(shè)計(jì)對(duì)象的棱線而構(gòu)成的立體框架,模型是由一系列的直線、圓弧、點(diǎn)及自由曲線組成,描述的是產(chǎn)品的輪廓外型。表面建模是通過對(duì)實(shí)體的各個(gè)表面進(jìn)行描述而構(gòu)造模型。建模時(shí)先將復(fù)雜的外表面分解成若干個(gè)組成面,然后定義其基本面素?；久嫠乜梢允瞧矫婊蚨吻?通過面素連接成組成面,各組成面拼接成模型。表面模型能夠比較完整地定義三維立體的表面,生成逼真的彩色圖像,可以直觀地進(jìn)行產(chǎn)品的外型設(shè)計(jì),也可用作有限元法分析中的網(wǎng)格的劃分。實(shí)體建模是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部以實(shí)體描述客觀事物。通常通過長方體、圓柱體、球體、圓錐體、楔體和圓環(huán)體等基本體素來創(chuàng)建三維對(duì)象,然后對(duì)這些基本體素進(jìn)行布爾運(yùn)算形成更為復(fù)雜的幾何實(shí)體。另外,實(shí)體模型也可以通過將平面對(duì)象沿路徑拉伸或繞軸線旋轉(zhuǎn)而得到。實(shí)體模型包含完整的幾何拓?fù)湫畔?可以從其中提取實(shí)體的物理特性,如體積、表面積、慣性矩、重心等,導(dǎo)出實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元法分析,或者將實(shí)體模型退化為表面和線框?qū)ο?。在?jì)算機(jī)中創(chuàng)建和顯示三維模型,必須有三維圖形系統(tǒng)支持,常用的圖形系統(tǒng)有OpenGL、Direct3D、Java3D等。OpenGL由美國高級(jí)圖形和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司(SGI)開發(fā),適用于三維圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)接口,目前已成為開放式的國際三維圖形程序標(biāo)準(zhǔn)。Direct3D由微軟推出,廣泛應(yīng)用于Windows平臺(tái)及游戲開發(fā)。OpenGL和Direct3D均屬于底層圖形支撐系統(tǒng),僅支持對(duì)點(diǎn)、線、面基本圖元的渲染,對(duì)于復(fù)雜圖形的渲染需要通過各種算法轉(zhuǎn)化為對(duì)點(diǎn)、線、面的渲染。另外,由Sun公司開發(fā)的Java3D,具有平臺(tái)無關(guān)性,適合于網(wǎng)絡(luò)和單機(jī)圖形應(yīng)用程序的開發(fā)。Java3D采用面向?qū)ο蟮姆绞綄?duì)基本的圖形操作進(jìn)行了封裝,底層仍通過調(diào)用OpenGL或Direct3D進(jìn)行圖形渲染。2bim背景下的三維建模三維幾何模型是BIM建模的基礎(chǔ),是貫穿于建筑生命期的核心數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)在建筑生命期的不同階段被創(chuàng)建和利用,包含了豐富的工程信息,例如通過建筑三維幾何數(shù)據(jù)可以得出建筑構(gòu)件的體積、空間位置、拓?fù)潢P(guān)系等工程信息。然而,建筑工程不同階段的不同應(yīng)用對(duì)三維幾何數(shù)據(jù)的處理需求是不一樣的。表1對(duì)不同類型的三維模型的特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行了總結(jié)。在建筑設(shè)計(jì)階段,基于BIM的設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建的是三維實(shí)體模型。實(shí)體模型記錄了完整的幾何拓?fù)湫畔?便于修改和編輯。然而,實(shí)體模型的處理是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程,涉及到許多計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法,通常需要借助專業(yè)的圖形引擎實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)分析階段,通常采用線框模型便于各種結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。在施工階段和運(yùn)營階段,其主要應(yīng)用是通過對(duì)三維模型的展現(xiàn),實(shí)現(xiàn)施工和運(yùn)營過程的虛擬仿真,對(duì)模型的運(yùn)行效率和刷新時(shí)間要求很高,因此表面模型更加適合。另外,對(duì)于特定的應(yīng)用,表面模型具有更加便于處理的特點(diǎn),例如火災(zāi)模擬分析(FDS)、能耗分析、光照分析等。由上述分析可以看出,設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的三維實(shí)體模型處于BIM生命期的上游,作為核心的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)將隨著工程進(jìn)展被下游應(yīng)用所使用。由于對(duì)模型數(shù)據(jù)處理要求的不同,需要將實(shí)體模型演變?yōu)槠渌问降娜S幾何模型,例如支持虛擬施工的仿真軟件一般只能處理表面模型。一些學(xué)者對(duì)實(shí)體模型生成用于結(jié)構(gòu)計(jì)算的線框模型算法進(jìn)行了研究。本文則研究如何將實(shí)體模型轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺Ｐ偷姆椒?。目前三維模型的轉(zhuǎn)換和顯示有多種方法,每種方法各具特點(diǎn),這些方法主要包括如下。(1)b.采取兩種方法VRML是一種通用的圖形交換標(biāo)準(zhǔn),主要用于基于互聯(lián)網(wǎng)的幾何圖形顯示。對(duì)VRML模型的顯示通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器的插件實(shí)現(xiàn)。VineetR.Kamat、XiangyuWang等在其研究中便采用了這種方法。這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)。首先,VRML的模型顯示通過瀏覽器插件實(shí)現(xiàn),應(yīng)用程序能夠提供的對(duì)幾何模型的人機(jī)交互界面取決于瀏覽器插件的功能。通常VRML插件功能有限且不支持再開發(fā),致使功能無法定制。其次,由于VRML不支持布爾運(yùn)算,而無法進(jìn)行相應(yīng)的模型處理,如在構(gòu)件中開洞(墻中有窗的情況)等。(2)圖形引擎顯示模型通過開發(fā)實(shí)體模型轉(zhuǎn)換器,將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為表面模型,然后通過OpenGL、Direct3D等圖形引擎顯示模型。這種方法開發(fā)工作量大,而且轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一存儲(chǔ)格式,難以被其它應(yīng)用程序使用,數(shù)據(jù)的可重用性差。(3)處理復(fù)雜模型時(shí)的規(guī)則一些研究者通過開發(fā)輕量級(jí)圖形引擎,面向?qū)I(yè)應(yīng)用進(jìn)行三維實(shí)體模型處理。通常由于功能十分有限,僅能處理數(shù)量有限的簡單實(shí)體模型,對(duì)于包含需要布爾運(yùn)算的復(fù)雜模型處理則無能為力,而且不具有通用性。綜上所述,本文提出了一種基于AutoCAD圖形引擎的BIM三維實(shí)體建模以及轉(zhuǎn)換為三維表面模型的方法,克服了上述方法中用戶界面交互性不佳、模型轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)可重用性差、不具通用性等缺點(diǎn)。3sim的幾何數(shù)據(jù)的描述3.1表面模型的描述基于IFC的BIM可以存儲(chǔ)多種類型的幾何模型數(shù)據(jù),表2列出了支持的幾何模型類型。其中,Curve2D、GeometricSet、GeometricCurveSet用于描述由點(diǎn)、線、面基本圖元組成的模型。SurfaceModel用于描述表面模型。SolidModel用于描述實(shí)體模型,又可細(xì)分為SweptSolid、Brep、CSG、Clipping、AdvancedSweptSolid等多種類型。3.2建筑產(chǎn)品的幾何描述建筑產(chǎn)品包括建筑構(gòu)件、配電構(gòu)件、家具等,均由IfcProduct實(shí)體派生。IfcProduct是一個(gè)抽象基類型,定義了與幾何表達(dá)相關(guān)的屬性,如圖1所示。IfcProduct實(shí)體的ObjectPlacement屬性定義坐標(biāo)信息,坐標(biāo)信息既可以采用世界坐標(biāo)、相對(duì)坐標(biāo),也可采用相對(duì)于軸線網(wǎng)格的方式描述。通過坐標(biāo)變換矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換可以得到建筑產(chǎn)品在世界坐標(biāo)系的最終位置。IfcProduct實(shí)體的Representation屬性用于定義建筑產(chǎn)品的幾何模型,包括建筑產(chǎn)品的幾何描述和材料定義的幾何描述。IfcProductRepresentation實(shí)體的Representations屬性為列表類型,可以為同一個(gè)建筑產(chǎn)品存儲(chǔ)多個(gè)幾何模型數(shù)據(jù),例如描述同一個(gè)建筑產(chǎn)品的實(shí)體模型、線框模型和表面模型。每一個(gè)幾何模型對(duì)應(yīng)一個(gè)IfcRepresentation實(shí)體的實(shí)例,模型的類型為表2中所列類型,存儲(chǔ)在RepresentationType屬性中。4幾何構(gòu)建和幾何操作AutoCAD是廣泛使用的CAD軟件,具有強(qiáng)大的二次開發(fā)接口,可以將AutoCAD作為三維幾何圖形引擎使用。隨著.Net技術(shù)的不斷成熟,AutoCAD的二次開發(fā)不僅可以使用傳統(tǒng)的ObjectARX函數(shù)庫,也可以使用基于.Net的AutoCAD托管函數(shù)庫。本文基于AutoCAD2007平臺(tái),采用C#語言和.Net托管函數(shù)庫,實(shí)現(xiàn)重建實(shí)體模型和將其轉(zhuǎn)換為表面模型,使用ObjectARX中的Acbr函數(shù)庫處理實(shí)體模型的三角形網(wǎng)格劃分。為了清楚闡述其實(shí)現(xiàn)過程,本節(jié)以一個(gè)IfcProduct派生類實(shí)例的幾何實(shí)體模型重建作為研究對(duì)象,由于方法對(duì)于任何IfcProduct派生類實(shí)例是通用的,因此通過遍歷全部實(shí)例便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)BIM模型的幾何數(shù)據(jù)處理。重建幾何實(shí)體模型的流程如圖2所示。首先,讀取幾何實(shí)體模型數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可以來自IFC文件也可以來自BIM數(shù)據(jù)庫。BIM的實(shí)體幾何數(shù)據(jù)以IFC幾何資源實(shí)體表達(dá),實(shí)體分為表示運(yùn)算符的實(shí)體和表示幾何圖元的實(shí)體,構(gòu)成由運(yùn)算符和幾何圖元組成的二叉樹結(jié)構(gòu),最終表示的實(shí)體模型便是通過遍歷該二叉樹并進(jìn)行坐標(biāo)變換得到的結(jié)果。因此需要通過分析幾何實(shí)體將其解析成幾何操作和幾何圖元。由于二叉樹具有多層嵌套關(guān)系,對(duì)于一個(gè)上層的幾何操作可能需要首先調(diào)用底層的幾何操作,將其返回的結(jié)果作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行運(yùn)算。因此,判斷當(dāng)前幾何操作是否為可直接執(zhí)行的操作,如果為“否”則繼續(xù)執(zhí)行分解幾何操作和幾何圖元步驟,如果為“是”則重建幾何圖元并執(zhí)行幾何操作。AutoCAD托管函數(shù)庫提供了與BIM幾何圖元對(duì)應(yīng)的幾何類,如表3所示,通過實(shí)例化對(duì)應(yīng)的AutoCAD幾何類,實(shí)現(xiàn)幾何圖元的重建。實(shí)體的幾何操作通過調(diào)用相應(yīng)的成員函數(shù)實(shí)現(xiàn),表3列出了與IFC實(shí)體對(duì)應(yīng)的AutoCAD成員函數(shù)。以上兩個(gè)步驟便生成了局部的幾何模型。然后需要根據(jù)BIM實(shí)體的坐標(biāo)信息描述,對(duì)生成的局部實(shí)體模型進(jìn)行坐標(biāo)變換。首先需要生成坐標(biāo)變換矩陣,通常坐標(biāo)變換由多次變換組成,可以通過矩陣相乘獲得最終的變換矩陣,便可以對(duì)實(shí)體進(jìn)行坐標(biāo)變換。最后判斷是否得到了最終的幾何模型,如果“是”則按照上述方法執(zhí)行整體坐標(biāo)變換,如果“否”則將局部的幾何模型返回,激活掛起的操作,繼續(xù)流程圖中的步驟。上述幾何流程可以對(duì)任意的IFC幾何實(shí)體模型進(jìn)行重建,在圖形引擎中生成相應(yīng)的對(duì)象。然而,若要基于創(chuàng)建的實(shí)體模型生成BIM表面模型,則在建立最終的幾何模型后需要記錄當(dāng)前生成的幾何模型所屬IfcProduct實(shí)例的GlobalId值,以便將生成的表面模型集成到BIM模型中。在AutoCAD中可通過AutoCAD組(Group)記錄GlobalId值,即建立與GlobalId值對(duì)應(yīng)的AutoCAD組,并將已建立的實(shí)體模型添加到該AutoCAD組中,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GlobalId的追蹤。5pm表面模型的生成5.1生成模型的創(chuàng)建BIM表面模型建模是通過讀取BIM模型中已有的實(shí)體模型數(shù)據(jù),在三維圖形引擎中進(jìn)行處理,最終將生成的表面模型數(shù)據(jù)集成到BIM模型中的過程,如圖3所示。建筑產(chǎn)品的幾何模型通常在設(shè)計(jì)階段創(chuàng)建,與實(shí)體屬性、工程信息等集成為BIM模型。幾何模型的描述應(yīng)用了IFC模型的資源實(shí)體,這些實(shí)體不能獨(dú)立用于信息交換。將實(shí)體模型通過三維圖形引擎進(jìn)行處理的過程,需要追蹤GlobalId值。當(dāng)返回處理結(jié)果時(shí),可以通過GlobalId值定位到對(duì)應(yīng)的建筑產(chǎn)品實(shí)體實(shí)例,然后將新創(chuàng)建的表面模型集成到BIM模型中。表面模型的創(chuàng)建分為三個(gè)主要步驟:首先,進(jìn)行上一節(jié)介紹的幾何實(shí)體重建;然后,對(duì)建立的實(shí)體模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分;最后,將三角形網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為表面模型數(shù)據(jù)并重新集成到BIM模型中。5.2基于acbr函數(shù)的三角形劃分對(duì)實(shí)體模型的三角形網(wǎng)格劃分通過調(diào)用AutoCADAcbr函數(shù)庫實(shí)現(xiàn),流程如圖4所示。對(duì)上節(jié)中建立的AutoCAD組進(jìn)行遍歷,逐一處理組中的幾何實(shí)體模型。首先,打開組中的幾何實(shí)體,使其處于可讀取狀態(tài)。然后,調(diào)用Acbr函數(shù)對(duì)實(shí)體進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分,形成由三角形頂點(diǎn)數(shù)據(jù)組成的頂點(diǎn)集合Pts。這一過程通過調(diào)用Get3dSolidMeshVertices函數(shù)實(shí)現(xiàn),該函數(shù)以表示實(shí)體模型的objId為輸入?yún)?shù),將計(jì)算生成的三角形網(wǎng)格數(shù)據(jù)以點(diǎn)數(shù)組的形式返回給參數(shù)pts。然后,根據(jù)Pts數(shù)據(jù)在AutoCAD中創(chuàng)建3DFace三角形面對(duì)象。最后,為了記錄GlobalId,將這些三角形面對(duì)象添加到與GlobalId對(duì)應(yīng)的AutoCAD組中。5.3bim表面模型結(jié)構(gòu)將三角形網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表面模型的流程如圖5所示。對(duì)AutoCAD組進(jìn)行遍歷,逐一處理組中的3DFace面數(shù)據(jù)。首先打開當(dāng)前組中的3DFace表面對(duì)象,對(duì)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。然后,生成基于BIM的表面模型描述。最后,獲取當(dāng)前組的GlobalId,通過GlobalId在BIM模型中定位對(duì)應(yīng)的IfcProduct實(shí)例,從而將表面模型集成到BIM模型中。為實(shí)現(xiàn)基于BIM的表面模型描述,首先需要對(duì)BIM的表面模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。BIM表面模型的描述通過多個(gè)實(shí)體實(shí)現(xiàn),如圖6所示。IfcFaceBasedSurfaceModel用于描述表面模型。表面模型的數(shù)據(jù)按照層次關(guān)系組成,分別是面集合(IfcConnectedFaceSet)-面(IfcFace)-面的邊(IfcFaceBound)-多邊形(IfcPolyLoop)-點(diǎn)(IfcCartesianPoint)。這些所需的數(shù)據(jù)已經(jīng)在上個(gè)步驟中準(zhǔn)備好,需要按照上述層子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為BIM表面模型的格式。最后將IfcFaceBasedSurfaceModel實(shí)例賦值給IfcShapeRepresentation實(shí)例并集成到BIM模型中,為了標(biāo)識(shí)所創(chuàng)建的幾何模型類型為表面模型,將其RepresentationIdentifier屬性設(shè)置為“FaceBody”,RepresentationType屬性設(shè)置為“SurfaceModel”。6bim模型的建立為了驗(yàn)證提出的BIM表面模型創(chuàng)建方法的可行性,本文選取基于BIM的建筑設(shè)計(jì)軟