三維幾何模型在建筑工程中的應用

三維幾何模型在建筑工程中的應用

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、表層模型和實體模型。線框建模是利用基本線素來定義設計對象的棱線而構成的立體框架,模型是由一系列的直線、圓弧、點及自由曲線組成,描述的是產(chǎn)品的輪廓外型。表面建模是通過對實體的各個表面進行描述而構造模型。建模時先將復雜的外表面分解成若干個組成面,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,可以直觀地進行產(chǎn)品的外型設計,也可用作有限元法分析中的網(wǎng)格的劃分。實體建模是在計算機內(nèi)部以實體描述客觀事物。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)建三維對象,然后對這些基本體素進行布爾運算形成更為復雜的幾何實體。另外,實體模型也可以通過將平面對象沿路徑拉伸或繞軸線旋轉(zhuǎn)而得到。實體模型包含完整的幾何拓撲信息,可以從其中提取實體的物理特性,如體積、表面積、慣性矩、重心等,導出實體數(shù)據(jù)進行有限元法分析,或者將實體模型退化為表面和線框?qū)ο?。在計算機中創(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由美國高級圖形和高性能計算機系統(tǒng)公司(SGI)開發(fā),適用于三維圖形應用程序設計接口,目前已成為開放式的國際三維圖形程序標準。Direct3D由微軟推出,廣泛應用于Windows平臺及游戲開發(fā)。OpenGL和Direct3D均屬于底層圖形支撐系統(tǒng),僅支持對點、線、面基本圖元的渲染,對于復雜圖形的渲染需要通過各種算法轉(zhuǎn)化為對點、線、面的渲染。另外,由Sun公司開發(fā)的Java3D,具有平臺無關性,適合于網(wǎng)絡和單機圖形應用程序的開發(fā)。Java3D采用面向?qū)ο蟮姆绞綄镜膱D形操作進行了封裝,底層仍通過調(diào)用OpenGL或Direct3D進行圖形渲染。2bim背景下的三維建模三維幾何模型是BIM建模的基礎,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)可以得出建筑構件的體積、空間位置、拓撲關系等工程信息。然而,建筑工程不同階段的不同應用對三維幾何數(shù)據(jù)的處理需求是不一樣的。表1對不同類型的三維模型的特點及適用范圍進行了總結(jié)。在建筑設計階段,基于BIM的設計軟件創(chuàng)建的是三維實體模型。實體模型記錄了完整的幾何拓撲信息,便于修改和編輯。然而,實體模型的處理是一個相當復雜的過程,涉及到許多計算機圖形學算法,通常需要借助專業(yè)的圖形引擎實現(xiàn)。在結(jié)構分析階段,通常采用線框模型便于各種結(jié)構計算分析。在施工階段和運營階段,其主要應用是通過對三維模型的展現(xiàn),實現(xiàn)施工和運營過程的虛擬仿真,對模型的運行效率和刷新時間要求很高,因此表面模型更加適合。另外,對于特定的應用,表面模型具有更加便于處理的特點,例如火災模擬分析(FDS)、能耗分析、光照分析等。由上述分析可以看出,設計階段產(chǎn)生的三維實體模型處于BIM生命期的上游,作為核心的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)將隨著工程進展被下游應用所使用。由于對模型數(shù)據(jù)處理要求的不同,需要將實體模型演變?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。一些學者對實體模型生成用于結(jié)構計算的線框模型算法進行了研究。本文則研究如何將實體模型轉(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,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準,主要用于基于互聯(lián)網(wǎng)的幾何圖形顯示。對VRML模型的顯示通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器的插件實現(xiàn)。VineetR.Kamat、XiangyuWang等在其研究中便采用了這種方法。這種方法有兩個缺點。首先,VRML的模型顯示通過瀏覽器插件實現(xiàn),應用程序能夠提供的對幾何模型的人機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不支持布爾運算,而無法進行相應的模型處理,如在構件中開洞(墻中有窗的情況)等。(2)圖形引擎顯示模型通過開發(fā)實體模型轉(zhuǎn)換器,將實體模型轉(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)一存儲格式,難以被其它應用程序使用,數(shù)據(jù)的可重用性差。(3)處理復雜模型時的規(guī)則一些研究者通過開發(fā)輕量級圖形引擎,面向?qū)I(yè)應用進行三維實體模型處理。通常由于功能十分有限,僅能處理數(shù)量有限的簡單實體模型,對于包含需要布爾運算的復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。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、線、面基本圖元組成的模型。SurfaceModel用于描述表面模型。SolidModel用于描述實體模型,又可細分為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)品包括建筑構件、配電構件、家具等,均由IfcProduct實體派生。IfcProduct是一個抽象基類型,定義了與幾何表達相關的屬性,如圖1所示。IfcProduct實體的ObjectPlacement屬性定義坐標信息,坐標信息既可以采用世界坐標、相對坐標,也可采用相對于軸線網(wǎng)格的方式描述。通過坐標變換矩陣進行坐標變換可以得到建筑產(chǎn)品在世界坐標系的最終位置。IfcProduct實體的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實體的Representations屬性為列表類型,可以為同一個建筑產(chǎn)品存儲多個幾何模型數(shù)據(jù),例如描述同一個建筑產(chǎn)品的實體模型、線框模型和表面模型。每一個幾何模型對應一個IfcRepresentation實體的實例,模型的類型為表2中所列類型,存儲在RepresentationType屬性中。4幾何構建和幾何操作AutoCAD是廣泛使用的CAD軟件,具有強大的二次開發(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,采用C#語言和.Net托管函數(shù)庫,實現(xiàn)重建實體模型和將其轉(zhuǎn)換為表面模型,使用ObjectARX中的Acbr函數(shù)庫處理實體模型的三角形網(wǎng)格劃分。為了清楚闡述其實現(xiàn)過程,本節(jié)以一個IfcProduct派生類實例的幾何實體模型重建作為研究對象,由于方法對于任何IfcProduct派生類實例是通用的,因此通過遍歷全部實例便可以實現(xiàn)對整個BIM模型的幾何數(shù)據(jù)處理。重建幾何實體模型的流程如圖2所示。首先,讀取幾何實體模型數(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的實體幾何數(shù)據(jù)以IFC幾何資源實體表達,實體分為表示運算符的實體和表示幾何圖元的實體,構成由運算符和幾何圖元組成的二叉樹結(jié)構,最終表示的實體模型便是通過遍歷該二叉樹并進行坐標變換得到的結(jié)果。因此需要通過分析幾何實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系,對于一個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)進行運算。因此,判斷當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幾何圖元對應的幾何類,如表3所示,通過實例化對應的AutoCAD幾何類,實現(xiàn)幾何圖元的重建。實體的幾何操作通過調(diào)用相應的成員函數(shù)實現(xiàn),表3列出了與IFC實體對應的AutoCAD成員函數(shù)。以上兩個步驟便生成了局部的幾何模型。然后需要根據(jù)BIM實體的坐標信息描述,對生成的局部實體模型進行坐標變換。首先需要生成坐標變換矩陣,通常坐標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,便可以對實體進行坐標變換。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任意的IFC幾何實體模型進行重建,在圖形引擎中生成相應的對象。然而,若要基于創(chuàng)建的實體模型生成BIM表面模型,則在建立最終的幾何模型后需要記錄當前生成的幾何模型所屬IfcProduct實例的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值對應的AutoCAD組,并將已建立的實體模型添加到該AutoCAD組中,從而實現(xiàn)對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模型中已有的實體模型數(shù)據(jù),在三維圖形引擎中進行處理,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計階段創(chuàng)建,與實體屬性、工程信息等集成為BIM模型。幾何模型的描述應用了IFC模型的資源實體,這些實體不能獨立用于信息交換。將實體模型通過三維圖形引擎進行處理的過程,需要追蹤GlobalId值。當返回處理結(jié)果時,可以通過GlobalId值定位到對應的建筑產(chǎn)品實體實例,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)建分為三個主要步驟:首先,進行上一節(jié)介紹的幾何實體重建;然后,對建立的實體模型進行三角形網(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)的三角形劃分對實體模型的三角形網(wǎng)格劃分通過調(diào)用AutoCADAcbr函數(shù)庫實現(xiàn),流程如圖4所示。對上節(jié)中建立的AutoCAD組進行遍歷,逐一處理組中的幾何實體模型。首先,打開組中的幾何實體,使其處于可讀取狀態(tài)。然后,調(diào)用Acbr函數(shù)對實體進行三角形網(wǎng)格劃分,形成由三角形頂點數(shù)據(jù)組成的頂點集合Pts。這一過程通過調(diào)用Get3dSolidMeshVertices函數(shù)實現(xiàn),該函數(shù)以表示實體模型的objId為輸入?yún)?shù),將計算生成的三角形網(wǎng)格數(shù)據(jù)以點數(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三角形面對象。最后,為了記錄GlobalId,將這些三角形面對象添加到與GlobalId對應的AutoCAD組中。5.3bim表面模型結(jié)構將三角形網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表面模型的流程如圖5所示。對AutoCAD組進行遍歷,逐一處理組中的3DFace面數(shù)據(jù)。首先打開當前組中的3DFace表面對象,對頂點數(shù)據(jù)進行訪問。然后,生成基于BIM的表面模型描述。最后,獲取當前組的GlobalId,通過GlobalId在BIM模型中定位對應的IfcProduct實例,從而將表面模型集成到BIM模型中。為實現(xiàn)基于BIM的表面模型描述,首先需要對BIM的表面模型結(jié)構進行研究。BIM表面模型的描述通過多個實體實現(xiàn),如圖6所示。IfcFaceBasedSurfaceModel用于描述表面模型。表面模型的數(shù)據(jù)按照層次關系組成,分別是面集合(IfcConnectedFaceSet)-面(IfcFace)-面的邊(IfcFaceBound)-多邊形(IfcPolyLoop)-點(IfcCartesianPoint)。這些所需的數(shù)據(jù)已經(jīng)在上個步驟中準備好,需要按照上述層子結(jié)構轉(zhuǎn)化為BIM表面模型的格式。最后將IfcFaceBasedSurfaceModel實例賦值給IfcShapeRepresentation實例并集成到BIM模型中,為了標識所創(chuàng)建的幾何模型類型為表面模型,將其RepresentationIdentifier屬性設置為“FaceBody”,RepresentationType屬性設置為“SurfaceModel”。6bim模型的建立為了驗證提出的BIM表面模型創(chuàng)建方法的可行性,本文選取基于BIM的建筑設計軟