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)

1 概述

近年來(lái)，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(duì)BIM技術(shù)在建筑工程中實(shí)際應(yīng)用起到了重要的推動(dòng)作用。三維模型作為BIM技術(shù)的核心，可以直觀地存儲(chǔ)和表達(dá)BIM數(shù)據(jù)，方便對(duì)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，三維圖形交互模塊也因此成為BIM應(yīng)用軟件研究和開(kāi)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(kāi)發(fā)需要解決BIM數(shù)據(jù)解析及三維模型顯示兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)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(duì)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(kāi)發(fā)效率、模型質(zhì)量等多個(gè)方面有較大的優(yōu)勢(shì)，但其昂貴的價(jià)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(shuō)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(shí)在應(yīng)用時(shí)一般需要進(jìn)行大量調(diào)研，然后經(jīng)過(guò)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(wèn)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境下，針對(duì)IFC數(shù)據(jù)找到了一種能夠用于快速高效地開(kāi)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(kāi)發(fā)的三維圖形交互模塊3DGI，為利用免費(fèi)組件自主研發(fā)輕量級(jí)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。

2 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(guò)調(diào)研和分析常見(jiàn)的三維軟件以及已有的BIM應(yīng)用軟件，首先對(duì)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

2．2 IFC數(shù)據(jù)解析工具

由于C++語(yǔ)言在開(kāi)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?jī)?yōu)先考慮選擇支持C++語(yǔ)言的IFC數(shù)據(jù)解析工具。為此，本研究針對(duì)部分常用的支持C++語(yǔ)言開(kāi)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(duì)比，如表2所示。

表2 部分IFC數(shù)據(jù)解析工具對(duì)比

對(duì)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(wèn)題。相比其他工具，IFC 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(wú)需編程人員再進(jìn)行幾何算法的開(kāi)發(fā)。特別是，它能夠自動(dòng)處理常見(jiàn)的構(gòu)件開(kāi)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。

2．3 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(kāi)源的三維圖形引擎進(jìn)行了開(kāi)發(fā)應(yīng)用試驗(yàn)，包括 OpenGL、Direct3D、Coin3D 和 Open CASCADE，通過(guò)開(kāi)發(fā)過(guò)程及效果對(duì)它們進(jìn)行了比較，如表3所示。

表3 部分三維圖形引擎對(duì)比

圖1 3DGI模塊總體框架及其與BIM應(yīng)用軟件的集成

表3中的 OpenGL、Direct3D均屬于底層圖形庫(kù)，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(kāi)發(fā)者進(jìn)行大量的編程工作才能實(shí)現(xiàn)良好的顯示效果。而Open CASCADE雖然三維圖形功能非常強(qiáng)大，但是其針對(duì)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(jiǎn)單方便［12］。同時(shí)，其創(chuàng)建的所有圖形都作為三維對(duì)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(duì)象“結(jié)點(diǎn)”的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此本研究最終選用Coin3D作為三維圖形引擎。

3 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IFCEngine DLL以及三維圖形引擎Coin3D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(guò)調(diào)用IFCEngine 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(duì)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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了該模塊，所需的編程工作只有不到1000行代碼。

4 模塊應(yīng)用

本研究所開(kāi)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(kāi)發(fā)的兩個(gè)BIM應(yīng)用軟件中，即基于BIM技術(shù)的建筑成本預(yù)測(cè)軟件系統(tǒng)和基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)［3，14］。3DGI模塊在兩個(gè)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(dòng)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(guò)應(yīng)用該模塊，所開(kāi)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(jì)價(jià)、設(shè)計(jì)建筑構(gòu)件材料、進(jìn)行節(jié)能指標(biāo)檢查等操作，同時(shí)也可以直觀地校核成本預(yù)算和節(jié)能設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究為在C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境下自主研發(fā)輕量級(jí)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(guò)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(shì)。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(shí)間，提高工作效率。

［1］buildingSMART International Ltd．Model－ Industry Foundation Classes(IFC)［OL］．［2011-10-18］http://buildingsmart．com/standards/ifc/．

［2］Jotne EPM Technology．EDMmodelServerfor 3D and PLM［OL］．［2011-10-18］http://www．epmtech．jotne．com/getfile．php/409904．861．rvbrsqsprd/EPMtech-3D-PLM．pdf/．

［3］Ma Zhiliang，Zhao Yili．Model of next generation energyefficient design software for buildings［J］．Tsinghua Science and Technology．2008，13(S1):298-304．

［4］Wenpeng Liu，Bo Diao，Yinghua Ye．Durability evaluation software system of concrete structure based on BIM and 4D technology:Proceedings of the International Conference In Computing in Civil and Building Engineering，Nottingham，United Kingdom，2010［C］．United Kingdom，2010．

［5］曹銘．基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑工程信息集成及4D施工管理研究［D］．北京:清華大學(xué)土木工程系，2005．

［6］魏振華．基于BIM數(shù)據(jù)的OpenGL圖形交互模塊的研制［D］．北京:清華大學(xué)土木工程系，2008．

［7］TNO Building and Construction Research．IFC Engine DLL ［OL］．［2011-10-18］http://www．ifcbrowser．com/ifcenginedll．html/．

［8］SECOM CO．，LTD．Intelligent Systems Laboratory．IFCsvr ActiveX Component［OL］．［2011-10-18］http://tech．groups．yahoo．com/group/ifcsvr-users/．

［9］Open Source Observatory＆ Repository．IFCSDK．［2011-10-18］http://forge．osor．eu/plugins/wiki/index．php?id=175＆type=g/．

［10］Dave Shreiner．OpenGL programming guide:the official guide to learning OpenGL，versions 3．0 and 3．1［M］．Addison-Wesley，2010．

［11］李曄，等譯．Direct3D技術(shù)內(nèi)幕．北京:清華大學(xué)出版社，2001．

［12］閻鋒欣，侯增選，等．Open Inventor程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2007．

［13］Open CASCADE Technology．Technical overview［OL］．［2011-10-18］http://www．opencascade．org/occt/overview/．

［14］Ma Zhiliang，Zhang Xiude，etc．Framework design for BIM-based construction cost estimating software:Proceedings of CIB W78 2010 Conference，Cairo，Egypt，2010［C］．Egypt，2010．