基于SketchUp和OSG的區(qū)域建筑震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化

摘要： 針對(duì)現(xiàn)有震害模擬可視化方法建模環(huán)節(jié)存在的不足，設(shè)計(jì)一種基于SketchUp草圖大師的區(qū)域建筑三維建模方法。該方法解決了傳統(tǒng)建模方法中過于依賴原始數(shù)據(jù)和模型維護(hù)困難的問題，實(shí)現(xiàn)區(qū)域建筑建模的靈活性和模型的可維護(hù)性。利用OSG三維渲染引擎和Qt框架搭建震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化平臺(tái)，完成區(qū)域建筑震害模擬的三維動(dòng)態(tài)可視化。以福建省福州市臺(tái)江區(qū)某區(qū)域?yàn)槔瑢?duì)該區(qū)域進(jìn)行三維建筑建模和震害模擬結(jié)果的動(dòng)態(tài)可視化展示。結(jié)果表明：所提建模方法和平臺(tái)具有可行性。

關(guān)鍵詞： 區(qū)域建筑三維建模；三維動(dòng)態(tài)可視化；震害模擬；草圖大師；OSG三維渲染引擎

中圖分類號(hào)： X 43；TP 391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1000-5013（2025）01-0038-08

Three-Dimensional Dynamic Visualization of Regional Building Seismic Damage Simulation Base on SketchUp and OSG

YAN Xueyuan¹，ZHENG Xinying¹，LIU Xuhong²，ZHAO Hanbin¹

（1. College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China；2. School of Civil Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350118，China）

Abstract： A regional building three-dimensional（3D） modeling method based on SketchUp sketch master is designed to solve the shortcomings in the modeling segment of existing seismic damage simulation visualization methods. The method overcomes the problems of traditional modeling methods overdependent on original data and model maintenance difficulties，the flexibility of regional building modeling and the maintainability of the models are achieved. A 3D dynamic visualization platform for seismic damage simulation is constructed using OSG 3D rendering engines and Qt framework，the 3D dynamic visualization of regional building damage simulation is accomplished. Taking Taijiang District，F(xiàn)uzhou City，F(xiàn)ujian Province as an example，3D building modeling and dynamic visualization displays of seismic damage outcomes are carried out. The results show that the modeling method and platform are feasible.

Keywords： regional building three-dimensional modeling；three-dimensional dynamic visualization；seismic damage simulation；sketch master；OSG three-dimensional rendering engine

目前，中國城市化程度已經(jīng)達(dá)到非常高的水平，大量人口和建筑集中在城鎮(zhèn)區(qū)域。一旦城鎮(zhèn)區(qū)域發(fā)生地震，勢(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失^［1］。經(jīng)驗(yàn)和理論表明，合理的震前規(guī)劃是城鎮(zhèn)區(qū)域抗震減災(zāi)最為有效的手段之一^［2］，而震害模擬可視化技術(shù)對(duì)建筑震害模擬結(jié)果進(jìn)行可視化展示，可有效評(píng)估震害預(yù)損失，輔助制定震前規(guī)劃。因此，利用計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)開展震害模擬可視化工作具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

靜態(tài)可視化方法^［3-6］采用顏色、破壞紋理貼圖、符號(hào)化等方式對(duì)建筑震害程度進(jìn)行可視化展示，是當(dāng)前震害模擬可視化中比較成熟的技術(shù)。然而，該方法僅對(duì)建筑的震害結(jié)果進(jìn)行靜態(tài)展示，不能體現(xiàn)震中建筑的實(shí)時(shí)變化情況及震害細(xì)節(jié)，不具備直觀性，致使建筑震害信息不能在震害損失評(píng)估及震前規(guī)劃中被充分利用。因此，需要一種更真實(shí)、直觀的建筑震害模擬可視化方案。動(dòng)態(tài)可視化方法通過表征在建筑體震害中動(dòng)態(tài)的晃動(dòng)現(xiàn)象，彌補(bǔ)靜態(tài)可視化不夠直觀的缺點(diǎn)，為制定震前規(guī)劃提供更為直觀的依據(jù)。

在動(dòng)態(tài)可視化研究中，區(qū)域建筑三維建模環(huán)節(jié)是主要部分，模型的準(zhǔn)確度和可維護(hù)性將直接影響震害模擬工作的意義與應(yīng)用價(jià)值。目前，基于建筑2D數(shù)據(jù)的豎向拉伸建模法^{［1，5-12］}是震害模擬可視化研究中應(yīng)用較多的方法。該方法將現(xiàn)有的建筑2D數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)源，直接通過建筑輪廓的豎向拉伸完成建模，并利用已有的建筑2D數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源廣泛，兼顧經(jīng)濟(jì)、快速、批量）建模，十分契合區(qū)域建筑震害模擬可視化快速、經(jīng)濟(jì)、大批量的建模需求。但這種方法建立的模型真實(shí)感不強(qiáng)，且過于依賴建筑2D數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，該方法建立的模型的真實(shí)感和準(zhǔn)確性往往不盡如人意。目前，研究人員的研究重點(diǎn)大都集中于增強(qiáng)模型的真實(shí)感^{［1，9-10，13］}，而對(duì)于解決該方法對(duì)建筑2D數(shù)據(jù)依賴性的研究較少。在眾多建筑建模方法中，基于三維軟件的建模法因其建模靈活、簡單、兼容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)^［14-17］，被廣泛應(yīng)用于建筑建模領(lǐng)域。因此，本文基于SketchUp和OSG的區(qū)域建筑震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化。

1 基于SketchUp的區(qū)域建筑三維建模

建筑2D數(shù)據(jù)拉伸建模能滿足三維模型快速和經(jīng)濟(jì)的要求，但存在過于依賴原始建筑2D數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)更新時(shí)間間隔較長、測(cè)量誤差較大等問題。若數(shù)據(jù)本身存在錯(cuò)誤，將導(dǎo)致建筑模型錯(cuò)誤，進(jìn)而直接影響震害模擬工作的意義與應(yīng)用價(jià)值。為解決此問題，研究在建筑2D數(shù)據(jù)拉伸建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維軟件建模靈活的優(yōu)點(diǎn)，引入SketchUp三維建模軟件，修正拉伸模型中數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的部分，提升模型的準(zhǔn)確度和可維護(hù)性。以福建省福州市臺(tái)江區(qū)某區(qū)域?yàn)槔?，?duì)該區(qū)域展開三維建筑建模，驗(yàn)證該方法的可行性?；赟ketchUp的區(qū)域建筑三維建模技術(shù)路線圖，如圖1所示。

1.1 建模數(shù)據(jù)獲取

區(qū)域建筑三維建模所需要的數(shù)據(jù)，一部分來源于現(xiàn)有建筑輪廓矢量數(shù)據(jù)（簡稱矢量數(shù)據(jù)），另一部分來源于實(shí)地調(diào)研測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，使用矢量數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)來源，用于初步生成建筑三維模型；使用實(shí)地調(diào)研測(cè)量獲得的修正數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)補(bǔ)充來源，用于錯(cuò)誤建筑的修正工作。

矢量數(shù)據(jù)是一種描述建筑物外部輪廓形狀和矢量圖形的2D數(shù)據(jù)，通常包括建筑的外形、尺寸、高度、地理坐標(biāo)和空間關(guān)系信息。采用地圖軟件獲取所需矢量數(shù)據(jù)，獲取的同時(shí)需將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成shp（shapfile）格式用于后續(xù)處理。矢量數(shù)據(jù)獲取及處理流程圖，如圖2所示。

修正數(shù)據(jù)采用實(shí)地調(diào)研測(cè)量的方式獲取。在實(shí)際調(diào)研中經(jīng)常出現(xiàn)道路過于狹窄、測(cè)量視線被遮擋等復(fù)雜情況（圖3）。因此，需要一種靈活、適應(yīng)復(fù)雜測(cè)量情況的測(cè)量方案?；诖?，選用手持激光測(cè)距儀（測(cè)距儀）和數(shù)顯電子角尺（電子角尺）作為距離及角度測(cè)量設(shè)備，用于獲取問題建筑的輪廓、尺寸和相對(duì)位置關(guān)系信息。調(diào)研主要工作如下：1） 測(cè)量獲取問題建筑的輪廓尺寸、高度、相對(duì)關(guān)系等數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)問題建筑的修正工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源；2） 收集并匯總區(qū)域內(nèi)所有建筑的建筑年代、結(jié)構(gòu)類型等基本信息，為后續(xù)建筑信息展示提供數(shù)據(jù)來源。

建筑高度修正前、后效果對(duì)比圖，如圖4所示。實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)及信息獲取流程圖，如圖5所示。

1.2 模型處理

模型處理工作分為模型前處理工作和模型后處理工作。前處理工作是利用操作引擎（FME）完成shp格式文件的讀取、豎向拉伸建模和從shp格式到skp格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作，建立區(qū)域的初始三維建筑模型。后處理工作利用SketchUp三維建模軟件完成，主要包括問題建筑的修正、建筑模型的分層、輸出3個(gè)環(huán)節(jié)。

在初始建筑三維模型的基礎(chǔ)上，利用SketchUp和實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)區(qū)域問題建筑進(jìn)行修正，解決基于2D建模法過于依賴原始數(shù)據(jù)的問題，提升建筑模型的準(zhǔn)確性，共包括3部分。首先，在初始三維建筑模型中，存在由于拆除而已經(jīng)不存在的建筑模型，利用SketchUp的刪除指令，結(jié)合實(shí)際調(diào)研情況，刪除多余的問題建筑；其次，對(duì)于實(shí)際高度與模型數(shù)據(jù)不同的建筑模型，利用SketchUp的移動(dòng)指令，結(jié)合實(shí)際調(diào)研的建筑高度數(shù)據(jù)，修正問題建筑的模型高度；最后，對(duì)于缺失及建筑輪廓錯(cuò)誤的建筑模型，綜合利用SketchUp的直線、旋轉(zhuǎn)、推拉等各項(xiàng)指令，結(jié)合實(shí)際調(diào)研的問題建筑輪廓、尺寸、高度、相對(duì)關(guān)系等信息，重建缺失及輪廓錯(cuò)誤建筑。具體流程有3步：1） 根據(jù)問題建筑與現(xiàn)有建筑的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)問題建筑進(jìn)行定位；2） 根據(jù)問題建筑的輪廓和尺寸數(shù)據(jù)重建問題建筑的2D平面輪廓；3） 根據(jù)問題建筑的高度信息拉伸建筑模型完成問題建筑的三維模型重建。示例區(qū)域修正前后效果對(duì)比如圖6所示。

在修正后建筑三維模型的基礎(chǔ)上，利用SketchUp對(duì)建筑模型進(jìn)行分層。SketchUp交錯(cuò)平面指令實(shí)現(xiàn)建筑模型的批量分層工作，用于配合建筑各層震害時(shí)程數(shù)據(jù)展示建筑各層層間位移，提升震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化的真實(shí)感。

分層后區(qū)域建筑局部三維模型效果圖，如圖7所示。分層后區(qū)域建筑三維模型效果圖，如圖8所示。在分層后建筑三維模型的基礎(chǔ)上，利用SketchUp將模型分組、命名并輸出為obj格式文件，以便后續(xù)導(dǎo)入?yún)^(qū)域建筑震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化平臺(tái)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)渲染。

2 區(qū)域建筑震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化平臺(tái)

2.1 需求分析及平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

震害模擬動(dòng)態(tài)可視化可通過更加直觀的方式幫助用戶獲取震害詳細(xì)信息，從而助力震前規(guī)劃。因此，對(duì)震害模擬可視化平臺(tái)提出了界面簡潔、操作簡單、實(shí)現(xiàn)用戶靈活、直觀地獲取全面的震害模擬信息的需求?；诖耍_發(fā)區(qū)域建筑震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化平臺(tái)的架構(gòu)，該架構(gòu)由基于OSG的可視化程序框架和基于Qt的圖形用戶界面框架搭建而成^［18］。

2.2 基于OSG的震害模擬可視化程序框架

基于OSG的震害模擬可視化程序框架總架構(gòu)，如圖9所示。該框架基于OSG開源圖形引擎搭建，由匹配模塊、三維動(dòng)態(tài)渲染模塊、用戶操作交互模塊組成。

匹配模塊負(fù)責(zé)識(shí)別區(qū)域建筑三維模型，與導(dǎo)入的震害模擬時(shí)程數(shù)據(jù)、建筑信息相匹配。震害模擬時(shí)程數(shù)據(jù)主要為層間位移角，區(qū)域建筑信息包括建筑面積、層數(shù)、用途、建設(shè)年代等。該模塊主要基于OSG中自帶的訪問者機(jī)制（NodeVisitor）開發(fā)，該機(jī)制主要用于對(duì)OSG場(chǎng)景樹中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的訪問和執(zhí)行預(yù)定操作。該模塊能夠遍歷區(qū)域建筑三維模型中的場(chǎng)景樹，識(shí)別每個(gè)建筑模型節(jié)點(diǎn)，并執(zhí)行預(yù)定的數(shù)據(jù)匹配操作，從而實(shí)現(xiàn)建筑模型識(shí)別，以及建筑信、息震害時(shí)程數(shù)據(jù)的匹配。

三維動(dòng)態(tài)渲染模塊根據(jù)震害模擬時(shí)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新建筑模型，繪制建筑震害模擬動(dòng)畫。將區(qū)域建筑破壞狀態(tài)劃分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、毀壞5個(gè)等級(jí)。對(duì)于多層常規(guī)結(jié)構(gòu)^［19］，完好狀態(tài)下應(yīng)保持彈性狀態(tài)，并規(guī)定彈性位移角限值取1/550；有輕微塑性變形時(shí)，變形應(yīng)小于2倍彈性位移限值；中等破壞狀態(tài)下的層間位移限值應(yīng)取彈性限值和彈塑性限值的平均值；嚴(yán)重破壞狀態(tài)下的層間位移限值應(yīng)取90%的不倒塌彈塑性變形限值。因此，將基本完好狀態(tài)下位移角限值取為1/550，輕微破壞的位移角限值取0.004 0，中等破壞下位移角限值取1/120，嚴(yán)重破壞狀態(tài)下的位移角限值取0.016。對(duì)于毀壞狀態(tài)下的位移角限值則取值為0.033 3^［20］。

位移判定準(zhǔn)則，如表1所示。表1中：θ為層間位移角建議值。

三維動(dòng)態(tài)渲染模塊主要基于OSG中自帶的更新回調(diào)機(jī)制（UpdateCallback）開發(fā)，該機(jī)制主要用于完成需要在每幀繪制時(shí)執(zhí)行的工作。該模塊能夠在每幀繪制時(shí)訪問震害時(shí)程位移數(shù)據(jù)，并根據(jù)位移數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新建筑模型，通過顏色展示建筑震害，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)震害模擬時(shí)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新建筑模型，繪制建筑震害模擬動(dòng)畫。

用戶操作交互模塊負(fù)責(zé)接收并響應(yīng)用戶對(duì)三維場(chǎng)景操作，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)場(chǎng)景的漫游及建筑信息的瀏覽功能。該模塊主要基于OSG中自帶的事件更新回調(diào)機(jī)制（EventCallback）開發(fā)，該機(jī)制主要完成用戶臨時(shí)定義需要執(zhí)行的工作。該模塊能夠接收用戶對(duì)三維場(chǎng)景的拖拽、縮放等視角操作和單擊建筑模型的鼠標(biāo)操作，并根據(jù)操作切換場(chǎng)景照相機(jī)視角或彈出建筑信息展示窗口，從而實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景漫游和建筑信息瀏覽功能。

2.3 基于Qt的圖形用戶界面框架

基于Qt的圖形用戶界面框架總架構(gòu)，如圖10所示。該框架基于Qt圖形用戶界面開發(fā)框架搭建，由三維場(chǎng)景交互模塊、程序數(shù)據(jù)交互模塊和程序窗口界面模塊組成。

三維場(chǎng)景交互模塊負(fù)責(zé)將OSG三維場(chǎng)景嵌入Qt開發(fā)的用戶界面中。該模塊主要基于Qt中自帶的信號(hào)與槽機(jī)制和OSG中自帶的osgQOpenGLwidget類開發(fā)。其中，信號(hào)與槽機(jī)制涉及到信號(hào)與槽兩個(gè)概念，前者是指對(duì)象發(fā)出的事件或狀態(tài)變化情況的通知；后者是指對(duì)象中被用來響應(yīng)該通知的函數(shù)，可以執(zhí)行特定的操作。二者通過QObject：：connect（）函數(shù)進(jìn)行連接，當(dāng)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的事件發(fā)生時(shí)，對(duì)象會(huì)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，與之連接的槽函數(shù)將自動(dòng)被調(diào)用，執(zhí)行用戶自定義的操作。osgQOpenGLwidget類中添加了Qt與OSG交互所需的功能與接口。在該模塊中，使用osgQOpenGLwidget類對(duì)象完成三維場(chǎng)景的初始化操作，即準(zhǔn)備接收繪制指令并渲染OSG三維場(chǎng)景。這時(shí)，osgQOpenGLwidget類對(duì)象會(huì)發(fā)出初始化完成的信號(hào)，并連接到自行設(shè)計(jì)的槽函數(shù)中執(zhí)行其中三維場(chǎng)景嵌入用戶界面的操作，從而實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景與用戶界面的交互。

程序數(shù)據(jù)交互模塊負(fù)責(zé)用戶界面功能的邏輯實(shí)現(xiàn)和封裝用戶界面對(duì)震害模擬可視化程序框架中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問和操作，實(shí)現(xiàn)文件導(dǎo)入，以及對(duì)三維場(chǎng)景渲染控制和子窗口呼出的控制。該模塊主要基于C⁺⁺的全局變量和信號(hào)與槽機(jī)制開發(fā)。全局變量是指在函數(shù)外部定義，可以被本程序所有對(duì)象或函數(shù)引用的變量。在該模塊中，將基于OSG的震害模擬可視化程序中需要與用戶界面交互的關(guān)鍵變量統(tǒng)一設(shè)置為全局變量，并設(shè)計(jì)用戶界面邏輯，實(shí)現(xiàn)操作關(guān)鍵全局變量。在用戶對(duì)界面進(jìn)行操作時(shí)，利用信號(hào)與槽機(jī)制觸發(fā)信號(hào)，連接槽函數(shù)執(zhí)行其中對(duì)全局變量或其余變量的操作。

程序窗口界面模塊負(fù)責(zé)繪制程序所需的主窗口和子窗口的用戶界面及其控件。該模塊主要基于Qt中自帶的QWidget類及其子類開發(fā)。在該模塊中，設(shè)計(jì)主窗口和子窗口的用戶界面及其控件，并繪制其布局。

3 示例及平臺(tái)介紹

選取福建省福州市臺(tái)江區(qū)某區(qū)域?yàn)槭纠?，使用區(qū)域建筑震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化平臺(tái)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行震害模擬結(jié)果的三維動(dòng)態(tài)可視化展示，驗(yàn)證該可視化平臺(tái)的可行性。

3.1 示例區(qū)域概述

福州市臺(tái)江區(qū)共有100余棟多高層城市建筑，涵蓋了包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、底部框架上部磚混結(jié)構(gòu)在內(nèi)的多種結(jié)構(gòu)類型，覆蓋范圍廣泛，具有很強(qiáng)的普適性和參考價(jià)值。

3.2 平臺(tái)環(huán)境概述

區(qū)域建筑震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化平臺(tái)的開發(fā)和運(yùn)行借助Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境（IDE）、OSG等軟件和CPU、顯卡等硬件的配合。平臺(tái)開發(fā)環(huán)境，如表2所示。

3.3 平臺(tái)功能介紹

區(qū)域建筑震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化平臺(tái)功能包括文件導(dǎo)入模塊、渲染控制模塊和建筑信息展示模塊。其中，文件導(dǎo)入模塊負(fù)責(zé)導(dǎo)入和解析平臺(tái)展示所需的區(qū)域建筑三維模型文件、震害模擬時(shí)程數(shù)據(jù)和區(qū)域建筑信息文件；渲染控制模塊負(fù)責(zé)控制渲染的開始與暫停、渲染的幀率及不同的震害動(dòng)畫展示模式；建筑信息展示模塊負(fù)責(zé)展示具體建筑的建造年代、建筑類型、震害程度等信息。各模塊的控制界面，如圖11～14所示。

4 結(jié)論

基于SketchUp三維軟件、OSG開源圖形引擎和Qt圖形用戶界面開發(fā)框架，實(shí)現(xiàn)區(qū)域建筑的三維建模和其震害模擬結(jié)果的三維動(dòng)態(tài)可視化展示，并對(duì)福州市臺(tái)江區(qū)某區(qū)域建筑的震害模擬結(jié)果進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)可視化展示。

1） 提出基于SketchUp的區(qū)域建筑三維建模方法。該方法解決了傳統(tǒng)震害模擬可視化建模方法中過于依賴原始數(shù)據(jù)和模型更新維護(hù)困難的問題，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、靈活、精確、輕量的區(qū)域建筑三維建模，適用于區(qū)域建筑震害模擬結(jié)果的三維動(dòng)態(tài)可視化展示。

2） 開發(fā)區(qū)域建筑震害模擬三維動(dòng)態(tài)可視化平臺(tái)。該平臺(tái)界面簡潔，操作簡單，能夠全面展示區(qū)域建筑震害的過程，輔助用戶更加靈活、直觀地獲取區(qū)域建筑震害信息。

3） 研究結(jié)果能夠用于震前規(guī)劃制定、震后救災(zāi)開展和地震安全教育等方面工作，為提高城鎮(zhèn)區(qū)域建筑韌性和抗震減災(zāi)工作提供技術(shù)支持。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：陳志賢 英文審校：方德平）