BIM及建筑CAD软件中几何造型内核的评估及应用研究.pdf

第 6卷第 3期 2 0 1 4年 6月 V 0 1 6 N o 3 J u n 2 0 1 4 B I M 及建筑 C A D软件 中几何造型 内核 的评估及应 用研 究 迟小羽 郑国勤 王 琳 于贵友 中国建筑科学研究院 建研科技股份有限公司 北京 1 0 0 0 1 3 摘要 三维建模和造型是 B I M及建筑 C A D类软件核心的产品功能之一 本文对以往及 当 今 市场最具影响力的 B I M及建 筑 C A D类软件 中使用的几何 内核造 型器进行 了调 查和研 究 并通过对三种主要 几何 内核 的评估 对比 测 试及使用 得出关于 B I M软件开发 中几何 内核选择及应用的规律及建议 能够在一定程度上指导未来 B I M类软件 的产品设计及开发工作 关键词 几何 内 核 造型器 B I M C A D G e o m e t r y K e rn e l M o d e l e r P a r a s o l i d A C I S O p e n C A S C A D E 中图分类号 T B 4 7 2 2 0 1 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 7 4 6 1 2 0 1 4 0 3 0 0 0 1 0 8 1 概述 计算机辅助设计 C o m p u t e r A id e d D e s ig n 和计 算机辅助工程 C o m p u t e r A id e d E n g i n e e r in g 领域至 今经历了数十年的发展 从最开始 的简单造型表达 如贝塞尔 曲线 到后来 的参数化建模 和三维实体加 工技术 再 到最近非 常流行的直接建 模 P L M B I M 等技术和概念 底 层的数据 表达处理 几何描述 交互手 段 这些 核 心技 术 点上 的创 新一 直 为 推 动 C A D行业发展提供源源不断的动力 从 C A D行业发展 之初至今 无论是在 工业 领 域 还是在建筑 领域 都是 以辅助设计 生产 施工 等工作 并 在这些环节 中提 高生产率 为主要 目的 尤其是在设计和加工流程和各环 节 都需要对工作 所涉及的实物进行详 细的表达 描述和运算等 C A D C A E软件将原来 用 图纸进行 的工作 逐步转 换到计算 机上 进行 自动化 的设计 加 工 生 产等 而这个过程 中 C A D类软件本身 也经历 了由二维 到 三维的转变 尤其是在 2 0世纪 7 O年代到 8 O年代 期间 一系列基于三维的几何 内核 如 R o m u l u s P a r a s o l i d A C I S 的产生以及一些基于参数化造型设计 的设计软件 如 S o l i d w o r k s P r o E C A T I A 的推出 奠定了近二三十年 C A D软件行业的基本形态和工 作方式 这些几何内核 G e o m e t r y K e r n e 1 其最重要 的功能是进行复杂模 型的几何造型 因此它们 同时 也被称为几何造型器 G e o me t ry Mo d e l e r 本文即主要研究和分析在 C A D软件领域中 尤 其是建筑和 B I M软件中三维几何 内核的应用 以及 这些应用所带来 的生产力提高及对整个 C A D行业 发展的推动 2 C AD C A E软件尤其是 B I M 软件为何 严重依赖几何内核 众所周知 任何 工业产 品 无 论是建筑还是机 械零件在加工生产 出来之前都需要 使用图纸进行 设计 表达和描述 而设 计师 工程师和工人们通 过阅读这些二维图纸 并根据规则将其翻译成为三 维实体的描述进行 加工生产 计算 机很难直接对 二维的图纸 和表 达进 行直接生产加工 从上世纪 7 0 8 O年代开始 随着计算机运算能力 的提升 通过 计算机内部 的数据结构描述 和表达 现实世界 中三 维部件 三维实体 并由这些数据表达和描述驱动 基金项目 中国建筑科学研究院自筹应用研究课题 B I M图形支撑平台研发 2 0 1 2 0 1 2 2 3 3 0 7 3 0 0 4 3 作者简介 迟小羽 1 9 8 0一 男 博士 工程师 主要研究方向 计算机图形学 虚拟现实及真实感渲染技术 C A D及 B I M 设计软件研发 2 数控加工设备 如数控机床 进行全 自动化 的实物 加工和生产才成为 了可能 也正是在 7 0年代末 8 0年代初 以英国剑桥为 中心的一些科研人员们先后推出了 P a r a s o l i d和 A C I S 这两个现今使用最为普遍的几何内核 而现今我们 熟悉的机械及建筑类 的 C A D C A E软件 的底层几何 描述 几乎都是基于这两款几何 内核之上 从名称不 难看出 P a r a s o l i d 之命名就有参数化 p a r a m e t r i c 设 计及实体 s o l id 建模的意义 从 8 0年代后期开始 建筑类 C A D软件也紧随着 机械 C AD 软件行业之后开始应用三维几何造型内核 以辅助建筑的参数化造型 设计 以及部件的生产和加 工等工作 虽然与全 自动加工生产没有机械行业那么 紧密 但几何造型内核仍能在很多方面给予建筑领域 C A D软件在设计和表达描述上很大的提升和帮助 可以说没有三维几何内核 就没有最近三十年的 工业化生产 现在人们 日常生活中使用的产品 小到 手表 圆珠笔 手机 大到汽车 飞机 体育场 核电站 都离不开 C A D C A E类软件 而绝大部分 C A D C A E 软件背后 的三维几何表达都无一例外的依靠着三维 几何内核 毫不夸张地说 人类今天的生活正严重依 赖着 C A D软件中的几何内核 几何内核是所有 C A D C A E软件的最核心技术之一 3 国 内 外 主 流 C A D 软 件 几 何 内 核 应 用 情况 1 如前所述 现在工业领域 的 C A D C A E软件几 乎无一例 外地使 用几何 内核作 为三维 的设 计 表 达 运算工具 而现在的几何 内核主要分为三大产 品 他们分别是达索系统 D a s s a u h S y s t e m 旗下的 A C I S 西门子工业仿真 S ie me n s P L M 旗下 的 P a r a s o l id 以及 Ma t r a D a t a v is i o n旗下 的开源 内核 O p e n C A S C A D E 其 中 P ara s o l id和 A C I S是性能优秀且使 用广泛的商业 内核 而 O p e n C A S C A D E虽然性能稍 逊 但是由于其开源和免费 也拥有众多的用户 1 P ar a s o l i d 由于开发较早 1 9 8 6 年始 且性能 最快 大部分数据结构使用 C代码编写 同时又在 后来被 U G S ie m e n s P L M等大集团收购 其拥有众多 大型 C A D软件作为用户 如 S o l id w o r k s A u t o d e s k I n v e n t o r UG S o l id Ed g e Ne me t s ch e k Ve ct o r Wo r k s Be n t l e y Micr o S t a t io n T e k l a A N S Y S等 这些企业都是规模 较大 年软件销售额在2 亿美元以上的企业 2 A C I S由于推 出的略晚于 P a r a s o l id 由几乎 相 同的初创团队进行开发 并进行 了面向对象 的封 装 虽然其在速度 和效率上有所不及 但是功能性 易用性和售后支持在其 2 0 0 3年被达索系统收购之 后都有 了很大提升 现今众多主流 的 C A D软件也在 使用 A C I S作 为几何 内核 如 A u t o D e s k A u t o C A D D a s s a u h C a t ia P r o E S o l id Mo d e l e r T u r b o C A D 达索 A b a q u e s A n s y s F l u e n t I n t e r g r a p h系列产品等 3 O p e n C A S C A D E在 1 9 9 9年开源 虽然其在 布尔运算 的速度和稳定性上 明显逊 色于前两款商 业几 何 内核 但仍 拥有 众 多使用 者 如 4 M I n t e l i C A D S m a m t e ch Mid a s C iv il 后 改 用 A C I S A n y Wo r k s F r e e C A D等 类似于 8 O 9 0年代的机械加工业 C A D软件的三 维化和参数化造型化 最近几年 随着建筑行业对工 程规模 质量等方面的需求越来越高 精确的三维几 何造型 三维表达 三维部件加工已经越来越多地应 用在众多建筑工程之中 而 B I M的概念也类似于当 年制造业中 P L M P r o d u ct L if e cy cl e Ma n a g e me n t 概念 的推广和普及 慢慢地在建筑行业被人们所接受和熟 悉 如今建筑领域知名的大型 C A D软件 都无一例 外地使用了几何内核 据称 A u t o d e s k公司由于在 2 0 0 1 年前后永久买 断了 A C I S的代码使用权 其产 品 A u t o C A D 以及后 来收购的R e v i t 都使用 A C I S 作为几何内核 可以高 效地进行三维几何形体 的参 数化建模和编辑 并能 导出拥有拓扑信息和体数据的 s a t s a b 体模 型文件和 d w g 系列体模型文件 B e n t l e y的 Micr o s t a t io n一直以来都使用 P a r a s o l i d 作为几何内核 并在此基础上支持各种三维建 模 编辑 运算和操作 N e m e t s ch e k的V e ct o r w o r k s 产品通过使用P a r a s o h d 作为几何内核 提高了三维表达能力和运算速度 D a s s a u h的 C A T I A软件也是基于 A C I S几何 内 核的产品 由于其积累 了大量大型工业项 目和产品 的设计经验 如大飞机 核电站等 最近 C A T I A也 进入了建筑 B I M市场 并参与 了鸟巢 银河 s o h o 上 海中心的一系列项 目 这些复杂形体 的设计 建模 与加工建设 都离不开其使用的 A C I S内核 特别 是在结构及仿 真领域 通用仿真软件 A N S Y S 和钢结构软件 T e k la 都使用 P ar a s o l i d作为几何 内核表达和运算工具 这样不仅能够很容易地导入其 他 C A D软件设计的含有三维实体信息的模型进行运 4 同时 建筑行业在进行建模的过程中需要涉及到 k l t 的几何布尔求交运算 如在墙上打孔安装窗户等 类似的建模和编辑过程中 需要正确的布尔运算 同 时 如果涉及到在圆弧或者复杂曲面上的模型 见 图 1 对运算的效率和正确性都有很大的要求 现在很 多建筑专业此类功能开发时 底层函数是 由专业人员 写的 算法的深度 广度都有局限性 如果能使用商业 几何内核 直接调用其 A P I 能大大提高 B I N产品的开 发效率和开发出软件产品的功能和稳定性 近几年为提高设计效率而来的族库 F a m i l y 也 能够对建筑设 计专业 提升工作效 率提供非常大 的 帮助 用有限的功能去实现用户无限的需求 见 图 2 中各式各样的凸窗 用参数描述复杂且有限 而族 库概念是建立在参数化造型设计和三维几何内核 应用的前提之上的 是可以发挥和扩展的 4 2 设备专业 水暖电ME P 对几何内核的需求 B I M概念的作用在建筑后期 的运营维护阶段会 更凸显出来 运营阶段对设备专业的设备管理将会 占很大比例 所以设备专业模型信息的建立 表达 描述就变得很重要 各设备专业需要 大量 的三维模型 图库 以解 放 设计师 毕竟建筑设备工程师们不是设备厂商 的设 计师 直接调用这些 图库 或者模 型库 省去 不必要 的建模工作 能够大量节省他们的工作量和劳动 量 为 B I N软件用户提供更高的工作效率 现在流行的建筑行业族库 主要使用参数化模 型描述 即通过一个基础模型和对此基础模 型的一 系列参数化编辑 能够生成一系列的模型组件 这 样 平台软件内不需要存储大量的几何建模结果 同时又能让设计师用最短 的时间获 得他们想要 的 部件模型 而对于族库的应用 需要三维底层几何 描述有强大的参数化模型描述和建模能力 以及正 确高效的布尔运算能力 同时 在进行设备布局和建筑设备设计的时候 尤 其是 M E P专业 中 会涉及到布局和管线走线等工作 从技术角度上需要使用几何模型的碰撞检测和一定的 路径规划来处理此类问题 这也是几何内核与其配套 的约束求解器的主要功能之一 见图3 4 3 结构平台对曲面造型 曲面网架构造的需求 作为对于建筑建造和安全最为重要的领域 结 构计算是 B I M中非常重要 但又非常难于整合实现 的一个专业性极强的工作 尤其是结构计算在有限元 图3 几何约束求解器路径规划和碰撞检测功能 网格划分和模型计算 的时候有一套 自身独特的优化 规律和规则 也正是 由于这些特殊性 导致至今为止 的 B I M系统都不能把结构计算性能做到最极致 作为结构领域知名软件之一 M I D A S 在模型数据 模型读取和转换上购买了 D a s s a u l t S p a t i a l 的 I n t e r O P 产品 可以处理和转换各种国际上处理的结构计算文 件格式 同时 其几何内核使用了O p e n C A S C A D E 进行 三维几何建模描述工作 后改用 A C S 能够进行一定 的曲面造型 建造曲面网架 并进行布尔运算 相应 地 钢结构的 T e l d a 使用了 P a r a s o l i d作为几何内核 未来平台需要有一定 的曲面造 型能力 才能构 造曲面网架 并进行曲面网架的构建运算等 同时 对更为复杂的建筑进行结构模拟和运算 同时 对于比较复杂的结构模型 B I M产品需要 足够的几何曲面造型能力和表达能力 才能生成真 正符合复杂建筑物结构的结构模型 而这对几何内 核的性能提出了较高的要求 见图4 4 4 B I M 中通用数据平台对几何内核的需求 同一套 B I M系统之下 数据平 台需要在各个专 业之间传输数据 并进行统一 的管理 需要统一 的 几何表达和描述格式 同时 由于 B I M产品系统平 台开放性的需求 需要未来在用户处 主要是各个 设计单位 需要能够读人各厂商软件格式的设计数 据 如 S A T D G N D WG J T I G E S C A T I A V 5 V 6 x J S T E P等 而这些格式的文件 中有可能含有复 杂曲面建模的和 C S G体表达的数据等 为能够读取和处理这些国际上通用 的 C A D标 准文件 B I N产 品需要有足够的几何描述表达能力 8 核 但是正是 由于其开源和免费的缘故 在高校和 科研领域 以及 中小企 业 中间有相 当大 的影 响力 为节省开发成本 众多 中小企业都选择使用 O p e n C A S C A D E作为底层几 何 内核实现 并整合 到他们 的产品和系统中 但是 作 为非 商 业 内核 O p e n C A S C A D E在 性 能 效率 稳定性上 的劣势 在软件规模逐渐加大的 时候会严重影响软件 品质 和性 能 因此 对产品品 质有严格要求 的企业会 更加倾 向于 P a r a s o l id或者 A C I S 这类商业内核 仅建议初次接触三维几何内 核的中小企业使用 O p e n C A S C A D E作为内核进行开 发 并在 软件构架 及接 口设 计 时保 留未来转 换到 P a r a s o l i d或 A C I S内核的可能 6结论 从本文的分析中不难看 出 虽然 大部分 C A D C A E软件的实际使用者 设计师和工程师并没 有关注 但实际上 现今任何一款成功的商业 C A D C A E软件 无论机械制造业 C A D软件还是建筑领 域的B I M软件 都离不开几何内核的应用和支持 无论 是 使用 P a r a s o l id 还 是 A C I S 或 是 O p e n C A S C A D E作为三维几何内核和造型器 使用三维几何 内核 已经成为 C A D软件成功的必备条件 未来若干年必将继续蓬勃发展的 B I M 也 因其 自身对于三维 图形显示 协调 模拟等方 面的技术 需求 将会更加依赖以几何内核为代表的底层核心 技术 无论是 自主开发还是通过购买商业授权库 都需要大量持久的人员和研发工作投入 才能做好 B I M软件底层基础 以支撑起上层 的应用 希望通 过本文的研究结果和应用指导 能够帮助 B I M软件 厂商选择适合的底层技术 和产 品组建 开发 出性能 更好的 B I M类软件产品 参考文献 1 百度文库 A C I S内核和 p a r a s o l id内核的来龙去脉与 比较 h t t p w e n k u b a i d u c o r n 2 邓雪原 C A D B I M与协同研究 J 土木建筑工程信 息技术 2 0 1 3 5 5 2 0 2 4 3 何波 B I M软件与 B I M应用环境和方法研究 J 土 木建筑工程信息技术 2 0 1 3 5 5 1 1 0 4 何关培 B I M总论 中国建筑工业出版社 2 0 1 1 5 孙家广 胡事民 计算机图形学基础教程 清华大 学出版社 2 0 0 9 6 张雷 姜立 于贵有 郑国勤 P K P M3 D图形平台的未 来发展方向 c B I M与工程建设信息化 第三 届工程建设计算机应用创新论坛论文集 2 0 1 1 7 郑国勤 邱奎宁 B I M国内外标准综述 J 土木建筑 工程信息技术 2 0 1 2 1 1 3 2 3 4 8 E a s t m a n C h a r l e s F is h e r D a v i d L a f u e G il l e s and o t h e r s An O u t l in e o f t h e B u il d in g De s c r ip t io n S y s t e m I n s t it u t e o f P h y s ic a l P l a n n in g C a r n e g ie Me l l o n Un iv e r s it y 1 9 7 4 9 O p e n C A S C A D E T e c h n o l o g y O p e n C A S C A D E O v e r V ie w 2 01 3 1 0 S i e m e n s P L M D C u b e d D C M O v e r v i e w 2 0 1 3 1 1 S i e m e n s P L M P a r a s o l id a n d D C u b e d f o r A E C s o f t w ar e Whit e Pa pe r 201 3 Ev a l u a t io n a n d Ap p l y in g I n v e s t ig a t io n o f Ge o me t r y M o d e l e r Ke r n e l in BI M a n d Ar c h i t e c t u r e CAD S o f t wa r e Ch i Xia o y u Z h e n g Guo q in W a n g L in Yu Gu iy o u C