基于免費(fèi)組件的IFC數(shù)據(jù)三維圖形交互模塊研究

1、第三屆工程建設(shè)計算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新論壇論文集上海2011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 馬馬智亮清華大學(xué)土土木工程程系，北北京 10000884【摘要】基基于BIM的三維圖圖形交互互模塊的的開發(fā)需需解決BIM數(shù)據(jù)解解析及三三維模型型顯示兩個個問題，選擇價價格低廉廉甚至免免費(fèi)的組組件并且且能夠進(jìn)進(jìn)行高效效的開發(fā)發(fā)是研究究者進(jìn)行行研究的的最佳途途徑。本本研究基基于已有有的BIM應(yīng)用軟軟件研究究，針對IFC數(shù)據(jù)找到到了一種種能夠用用于快速速高效地地開發(fā)三維維圖形交交互模塊塊的免費(fèi)費(fèi)組件組組合，即即TNO公司的IFCC Ennginne DDLL（用用于BIM數(shù)據(jù)解解析）和和SIM公司的

2、Coiin 33D（兼容Oppen Invventtor，用用于三維維模型顯顯示）。然然后基于于該組合合，在C+語言開開發(fā)環(huán)境境下，研研制了可可以靈活活用于BIMM應(yīng)用軟軟件開發(fā)發(fā)的三維維圖形交交互模塊塊3DGGI，并進(jìn)進(jìn)行了實(shí)實(shí)際應(yīng)用用。本研研究為利利用免費(fèi)費(fèi)組件自自主研發(fā)發(fā)輕量級級的三維維圖形交交互模塊塊提供了了一種快快速高效效的解決決方案，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?！娟P(guān)鍵詞】BIM應(yīng)用軟件，三維圖形交互，IFC數(shù)據(jù)，免費(fèi)組件概述近年來，隨隨著BIM技術(shù)的的流行，相相關(guān)研究究逐漸增增多，特特別是關(guān)關(guān)于BIIM應(yīng)用軟軟件的研研究已經(jīng)經(jīng)成為BIM領(lǐng)域的的

3、研究熱熱點(diǎn)，對對BIMM技術(shù)在建建筑工程程中實(shí)際際應(yīng)用起起到了重重要的推推動作用用。三維維模型作作為BIM技術(shù)的的核心，可以直觀地存儲和表達(dá)BIM數(shù)據(jù)，方便對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)。三維圖形交交互模塊塊的開發(fā)發(fā)需要解決BIM數(shù)據(jù)解解析及三三維模型型顯示兩個個關(guān)鍵問題題。針對對這兩個個問題均均已有一些些商業(yè)化化和免費(fèi)費(fèi)的軟件件或組件件：BIM數(shù)據(jù)解解析主要要是針對IFC標(biāo)準(zhǔn)的的數(shù)

4、據(jù)解解析，可可使用商商業(yè)化的的EDM等軟件件或者免免費(fèi)的IFCCsvrr、 IFFC EEngiine DLLL等組件2-4；三維維模型顯顯示則可可使用商商業(yè)化的的AuttoCAAD等軟件件或者免免費(fèi)的OpeenGLL、Dirrectt3D等組件4-6。一般般地，商商業(yè)化軟軟件在開開發(fā)效率率、模型型質(zhì)量等等多個方面面有較大大的優(yōu)勢勢，但其其昂貴的的價格在在很大程程度上阻阻礙了其其在研究究中的使使用。相相比而言言，研究究者在研研究中更更愿意使使用免費(fèi)費(fèi)組件。然然而免費(fèi)費(fèi)組件相關(guān)關(guān)說明文文檔往往往不全，缺缺乏相關(guān)關(guān)咨詢服服務(wù)和技技術(shù)支持持，同時時在應(yīng)用用時一般般需要進(jìn)進(jìn)行大量量調(diào)研，然然后經(jīng)過過艱

5、苦的的嘗試和和大量的的編程工工作才能能實(shí)際利用用。為解決上述述問題，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+語言開發(fā)環(huán)境下，針對IFC數(shù)據(jù)找到了一種能夠用于快速高效地開發(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。免費(fèi)組件選選擇2.1

6、三三維圖形形交互模模塊的基基本需求求本研究通過過調(diào)研和和分析常常見的三三維軟件件以及已已有的BIM應(yīng)用軟件件，首先對對三維圖圖形交互互模塊的的基本需求求進(jìn)行了了分析，如表1所示。表1三維維圖形交交互模塊塊的基本本需求序號基本需求需求描述1IFC數(shù)據(jù)據(jù)的雙向向傳遞支持對IFFC數(shù)據(jù)文文件的讀讀寫支持與BIIM應(yīng)用軟軟件的雙雙向數(shù)據(jù)據(jù)傳遞2三維模型的的數(shù)據(jù)綁綁定三維模型實(shí)實(shí)體需要要包含屬屬性信息息三維模型實(shí)實(shí)體需要要綁定相相應(yīng)的BIM應(yīng)用數(shù)數(shù)據(jù)3準(zhǔn)確完整的的三維模模型顯示示能夠準(zhǔn)確完完整地解析IFC幾何信信息能夠?qū)FFC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化化成可用用于三維維繪圖的的數(shù)據(jù)格格式能夠反映實(shí)實(shí)際的建建筑構(gòu)件件之間

7、的的位置和和拓?fù)潢P(guān)關(guān)系4方便的用戶戶交互操操作提供實(shí)體選選擇、三三維瀏覽覽、模型型顯示控控制等多多種用戶戶交互操操作5良好的三維維顯示效效果提供模型的的著色、材材質(zhì)、光光照等真真實(shí)感表表現(xiàn)功能能IFC數(shù)據(jù)據(jù)解析工工具由于C+語言在在開發(fā)大大型BIM應(yīng)用軟軟件中的的廣泛應(yīng)應(yīng)用，為為了便于于實(shí)現(xiàn)本本模塊與BIM應(yīng)用軟軟件的集集成，本本研究優(yōu)優(yōu)先考慮慮選擇支支持C+語言的IFC數(shù)據(jù)解解析工具具。為此此，本研研究針對對部分常常用的支支持C+語言開發(fā)發(fā)環(huán)境的的免費(fèi)IFFC數(shù)據(jù)解析析工具進(jìn)行行了調(diào)研研和對比比，如表表2所示。對IFC數(shù)數(shù)據(jù)解析析工具的的選擇還還需要考考慮IFFC數(shù)據(jù)與三三維圖形形引擎所所需

8、繪圖圖數(shù)據(jù)之之間的數(shù)數(shù)據(jù)交換換問題。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，無需編程人員再進(jìn)行幾何算法的開發(fā)。特別是，它能夠自動處理常見的構(gòu)件開洞等布爾運(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。表2部分分IFC數(shù)據(jù)解解析工具具對比序號解析工具數(shù)據(jù)解析功功能數(shù)據(jù)解析效效率圖形接口1IFC EEngiineDLL77提供對IFFC數(shù)據(jù)的的查詢、修修改等基基本功能能接口，采采用SDAAI接口晚綁定

9、，數(shù)數(shù)據(jù)讀取取效率高高能自動快速速獲得布布爾運(yùn)算算后的IIFC實(shí)實(shí)體三角角網(wǎng)格數(shù)數(shù)據(jù)2IFCsvvr8基于COMM環(huán)境提提供對IFC數(shù)據(jù)的的查詢、修修改等基基本功能能接口晚綁定，數(shù)數(shù)據(jù)讀取取效率高高僅能解析實(shí)實(shí)體的幾幾何表達(dá)達(dá)方式和和相關(guān)描描述信息息3IFC SSDK9對應(yīng)IFCC標(biāo)準(zhǔn)建建立起完完整的數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)，提供供對IFC數(shù)據(jù)的的創(chuàng)建、查查詢、修修改等基基本功能能接口早綁定，數(shù)數(shù)據(jù)讀取取效率較較晚綁定定低，但但運(yùn)行效效率高僅能解析實(shí)實(shí)體的幾幾何表達(dá)達(dá)方式和和相關(guān)描描述信息息三維圖形引引擎為選擇三維維圖形引引擎，本研究究利用四種常用用的免費(fèi)費(fèi)甚至開開源的三三維圖形形引擎進(jìn)進(jìn)行了開開發(fā)應(yīng)用用

10、試驗(yàn)，包包括OpeenGLL、Dirrectt3D、Coiin3DD和OpeenCAASCAADE，通通過開發(fā)發(fā)過程及及效果對對它們進(jìn)進(jìn)行了比比較，如表3所示。表3部分分三維圖圖形引擎擎對比序號圖形引擎基本功能繪圖效率交互功能顯示效果1OpenGGL10跨語言、跨跨平臺的的底層圖圖形庫高繪圖速度度提供了最基基礎(chǔ)性的的交互功功能高質(zhì)量和高高性能的的圖形顯顯示2Direcct3DD11微軟平臺CCOM接口的的底層三三維圖形形APII高繪圖速度度提供了最基基礎(chǔ)性的的交互功功能高質(zhì)量和高高性能的的圖形顯顯示3Coin33D12基于OpeenGLL的面向向?qū)ο笕S圖形形開發(fā)包包繪圖效率較較高豐富的交互

11、互功能高質(zhì)量和高高性能的的圖形顯顯示4Open CASSCADDE13主要用于設(shè)設(shè)計建模模的面向向?qū)ο髨D圖形工具具大規(guī)模繪圖圖效率較較低控制模型變變換等交交互功能能可滿足BIIM應(yīng)用用軟件要要求表3中的OOpennGL、Dirrectt3D均均屬于底底層圖形形庫，雖雖然提供供了強(qiáng)大大的三維維圖形功功能，但但是其函函數(shù)功能能復(fù)雜多多樣，往往往需要要開發(fā)者者進(jìn)行大量量的編程程工作才才能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)良好的的顯示效效果。而而Opeen CCASCCADEE雖然三三維圖形形功能非非常強(qiáng)大大，但是是其針對對大量圖圖形元素素低下的的繪圖效效率成為為制約其其應(yīng)用的的主要因素素。與以上這三種圖圖形工具具相比，Coii

12、n3DD既繼承承了OpeenGLL良好的三維圖圖形顯示示性能和和繪圖效效率，又又封裝了了豐富的的三維圖圖形交互互控制功功能，編編程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)簡單方方便12。同時時，其創(chuàng)創(chuàng)建的所所有圖形形都作為為三維對對象“結(jié)點(diǎn)”進(jìn)行管管理，其其面向?qū)ο蟮乃妓枷肱cBIM理念又是相通通的，故故可以方方便地建建立起B(yǎng)IM實(shí)體與與三維對對象“結(jié)點(diǎn)”的對應(yīng)應(yīng)關(guān)系。因因此本研研究最終終選用CCoinn3D作作為三維維圖形引引擎。模塊總體框框架在三維圖形形交互模模塊的基基本需求求的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，根根據(jù)選用用的IFC數(shù)據(jù)解解析工具具IFCC Ennginne DDLL以及三三維圖形形引擎Coiin3DD的數(shù)據(jù)據(jù)需求和和功能特特點(diǎn)，

13、本本研究建建立起了三維維圖形交交互模塊塊3DGGI的總總體框架架，如圖1所示。3DGI模模塊以IFCC數(shù)據(jù)作作為輸入入條件。在3DGGI模塊中中，3DGGI核心子子模塊作作為其核核心，通通過調(diào)用用IFCC Ennginne DDLL，直接讀讀取IFCC幾何信信息并將其處理理和轉(zhuǎn)化化為三維維圖形數(shù)數(shù)據(jù)（三三角網(wǎng)格格）；之之后調(diào)用用Coiin3DD，利用用生成的三三維圖形形數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行三維維模型顯顯示并實(shí)實(shí)現(xiàn)對用用戶交互互操作的的支持。因此，BIM應(yīng)用軟軟件的研研究者可可在其用用戶界面面模塊調(diào)調(diào)用3DGGI模塊以實(shí)實(shí)現(xiàn)BIM應(yīng)用軟軟件的三三維模型型顯示和和用戶交交互操作作，從而而實(shí)現(xiàn)完整整的BIM應(yīng)

14、用軟軟件。按按照該框框架，作作者等使使用C+語言實(shí)實(shí)現(xiàn)了該該模塊，所所需的編編程工作作只有不不到10000行代碼碼。圖1 3DDGI模模塊總體體框架及其與BIM應(yīng)用軟軟件的集集成模塊應(yīng)用本研究所開開發(fā)的三三維圖形形交互模塊塊3DGGI已經(jīng)經(jīng)成功地地集成在在本研究究組開發(fā)發(fā)的兩個個BIMM應(yīng)用軟軟件中，即即基于BIM技術(shù)的的建筑成成本預(yù)測測軟件系系統(tǒng)和基基于BIMM技術(shù)的建建筑節(jié)能能設(shè)計軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)3,14。3DGGI模塊塊在兩個BIM應(yīng)用軟軟件中的實(shí)際際應(yīng)用表表明，所采用用的IFCC Ennginne DDLL可以為BIM應(yīng)用軟軟件準(zhǔn)確確完整地地提供IFCC三維圖圖形數(shù)據(jù)據(jù)，其高高效性也也保證

15、了了系統(tǒng)啟啟動和運(yùn)運(yùn)行的流流暢性；所采用用的Cooin33D既實(shí)實(shí)現(xiàn)了高效的的三維模模型顯示示和用戶戶交互控控制，又實(shí)現(xiàn)了了建筑產(chǎn)產(chǎn)品與BBIM應(yīng)用數(shù)數(shù)據(jù)之間間的直觀觀綁定。通過應(yīng)應(yīng)用該模模塊，所所開發(fā)的的BIM應(yīng)用軟軟件能夠夠高效地地實(shí)現(xiàn)編編制工程程量清單單、進(jìn)行行工程計計價、設(shè)設(shè)計建筑筑構(gòu)件材材料、進(jìn)進(jìn)行節(jié)能能指標(biāo)檢檢查等操操作，同同時也可可以直觀觀地校核核成本預(yù)預(yù)算和節(jié)節(jié)能設(shè)計計結(jié)果的的準(zhǔn)確性性。結(jié)語本研究為在在C+語言開發(fā)發(fā)環(huán)境下下自主研研發(fā)輕量量級的三三維圖形形交互模模塊提供供了一種種免費(fèi)組組件的組組合，并并通過實(shí)實(shí)際研制制和在BIM應(yīng)用軟軟件中應(yīng)應(yīng)用證實(shí)實(shí)了該組合合的優(yōu)勢勢。該模模

16、塊的編編程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)表明，使使用該組組合，僅僅需幾百百行代碼碼即可實(shí)實(shí)現(xiàn)從IFCC數(shù)據(jù)解解析到三三維模型型顯示的的功能，并并能夠提提供友好好的用戶戶交互操操作，從從而有助助于研究究者將主要的的精力集集中于BBIM應(yīng)用軟軟件本身身的研究究中，節(jié)約約研究時時間，提高工工作效率率。致謝本研究受“十一五”國家科科技支撐撐課題“基于BIM技術(shù)的的下一代代建筑工工程應(yīng)用用軟件研研究”（20007BAAF233B022）資助助。參考文獻(xiàn)1 bbuilldinngSMMARTT Innterrnattionnal Ltdd. MModeel - Inndusstryy Foounddatiion Claassee

17、s (IFCC) OL.20111-100-188 hhttpp:/buiildiingssmarrt.ccom/staandaardss/iffc/.2 JJotnne EEPM Tecchnoologgy. EDMMmoddelSServverffor 3D andd PLLMOOL. 20111-100-188htttp:/wwww.epmmtecch.jjotnne.ccom/gettfille.pphp/40999044.8661.rrvbrrsqssprdd/EPPMteech-3D-PLMM.pddf/.3 MMa ZZhillianng, Zhaao YYilii. Moode

18、ll off neext genneraatioon eenerrgy-effficiientt deesiggn ssofttwarre ffor buiildiingss JJ. Tsiinghhua Sciiencce aand Tecchnoologgy. 20008, 13(S1): 2298-3044.4 WWenppengg Liiu, Bo Diaao, Yinnghuua YYe. Durrabiilitty eevalluattionn sooftwwaree syysteem oof cconccrette sstruuctuure bassed on BIMM annd

19、 44D ttechhnollogyy: PProcceeddinggs oof tthe Intternnatiionaal CConffereencee Inn Coompuutinng iin CCiviil aand Buiildiing Enggineeeriing, Noottiinghham, Unniteed KKinggdomm, 220100C. UUnitted Kinngdoom, 20110.5 曹曹銘. 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的的建筑工工程信息息集成及及4D施工管管理研究究D. 北京: 清華大大學(xué)土木木工程系系, 220055.6 魏魏振華. 基于BIM數(shù)據(jù)的OpeenGL

20、L圖形交交互模塊塊的研制制D. 北京: 清華大大學(xué)土木木工程系系, 220088.7 TTNO Buiildiing andd Coonsttrucctioon RReseearcch. IFCC Ennginne DDLL OLL. 20111-100-188 hhttpp:/m/iffcennginnedlll.hhtmll/.8 SSECOOM CCO.,LTDD. IInteelliigennt SSysttemss Laaborratoory. IFFCsvvr AActiiveXX Coompoonennt OL. 20111-100-188 hhttpp:/m/grroupp/iffcsvvr-uuserrs/.9 OOpenn Soourcce OObseervaatorry & Reepossitoory. IFFC SSDK.20111-100-188 hhttpp:/forrge.osoor.eeu/pplu