基于免費組件的IFC數據三維圖形交互模塊

第三屆工程建設計算機應用創(chuàng)新論壇論文集 上?！?011基于免費組件的的的IFC數據三維維圖圖形交互模塊研究魏振華馬智亮亮亮清華大學土木工工工程系，北北京京10000084【摘要】基于BBBIM的三維圖形形交交互模塊塊的開開發(fā)需解解決BIM數據解析析及及三維模模型顯顯示兩個個問題題，選擇擇價格格低廉甚甚至免免費的組組件并并且能夠夠進行行高效的的開發(fā)發(fā)是研究究者進進行研究究的最最佳途徑徑。本本研究基基于已已有的BIM應用軟件件研研究，針對IFC數據找到了了一一種能夠用用于于快速高效效地地開發(fā)三三維圖圖形交互互模塊塊的免費費組件件組合，即即TNO公司的IFCEEngiineeDLLL（用于BIM數據解析析）和和SIM公司的Coinn3D（兼容OpennInvvenntor，用于三三維維模型顯顯示）。然然然后基于于該組組合，在C++語言開發(fā)發(fā)環(huán)環(huán)境下，研研制制了可以靈靈活活用于BIM應用軟件件開發(fā)發(fā)的三維圖圖形形交互模模塊3DGI，并進行行了了實際應應用。本本研究為為利用用免費組組件自自主研發(fā)發(fā)輕量量級的三三維圖圖形交互互模塊塊提供了了一種種快速高高效的的解決方方案，從而而可幫助研研究者把更更多的精力力集中于進進行BIM應用軟件件本身的研研究中?！娟P鍵詞】BIIIM應用軟件件，三三維圖形形交互互，IFC數據，免免費費組件概述近年來，隨著BBBIM技術的流流行行，相關關研究究逐漸增增多，特特別是關關于BIM應用軟件件的的研究已已經成成為BIM領域的研研究究熱點，對對BIM技術在建建筑筑工程中中實際際應用起起到了了重要的的推動動作用。三三維維模型作作為BIM技術的核核心心，可以以直觀觀地存儲儲和表表達BIM數據，方方便便對BIM技術應用用效效果的檢檢查，是BIM技術由理理論走向實實際應用的的關鍵，三維圖形形交互模塊塊也因此成成為BIM應用軟件件研究和開開發(fā)的重要要支撐。目目前，IFC標準已經經成為主流流的BIM數據標準準[1]，為為使研究成成果具有普普遍適用性性，在本研研究中考慮慮的BIM數據即為IFC數據。三維圖形交互模模模塊的開開發(fā)需需要解決BIM數據解析析及及三維模模型顯顯示兩個個關鍵鍵問題。針針對對這兩個個問題題均已有一些商商業(yè)業(yè)化和免免費的的軟件或或組件件：BIM數據解析析主主要是針針對IFC標準的數數據據解析，可可使使用商業(yè)業(yè)化的的EDM等軟件或或者者免費的IFCssvvr、IFCCEngginneDDLLL等組件[2-4]；三維模模型型顯示則則可使使用商業(yè)業(yè)化的的AutooCCAD等軟件或或者者免費的OpennGGL、Direecct3D等組件[4-6]。一般地地，商商業(yè)化軟軟件在在開發(fā)效效率、模模型質量量等多多個方面面有較較大的優(yōu)優(yōu)勢，但但其昂貴貴的價價格在很很大程程度上阻阻礙了了其在研研究中中的使用用。相相比而言言，研研究者在研研究究中更愿意意使使用免費費組件件。然而而免費費組件相相關說說明文檔檔往往往不全，缺缺乏乏相關咨咨詢服服務和技技術支支持，同同時在在應用時時一般般需要進進行大大量調研研，然然后經過過艱苦苦的嘗試試和大大量的編編程工工作才能能實際際利用。為解決上述問題題題，本研研究基基于已有有的BIM應用軟件件研研究，綜綜合比比較相關關免費費組件，在在C++語言開發(fā)發(fā)環(huán)環(huán)境下，針針對對IFC數據找到到了了一種能夠夠用用于快速高高效效地開發(fā)三維圖圖形形交互模模塊的的免費組組件組組合，即TNO公司的IFCEEngiineeDLLL（用于BIM數據解析析）和和SIM公司的Coinn3D（兼容OpennInvvenntor，用于三三維維模型顯顯示），研研制了可以以靈活用于于BIM應用軟件件開發(fā)的三三維圖形交交互模塊3DGI，為利用用免費組件件自主研發(fā)發(fā)輕量級的的三維圖形形交互模塊塊提供了一一種快速高高效的解決決方案，從從而可幫助助研究者把把更多的精精力集中于于進行BIM應用軟件件本身的研研究中。免費組件選擇2.1三維圖圖圖形交互互模塊塊的基本本需求求本研究通過調研研研和分析析常見見的三維維軟件件以及已已有的的BIM應用軟件件，首首先對三三維圖圖形交互互模塊塊的基本本需求求進行了了分析析，如表1所示。表1 三維圖形形交互互模塊的的基本需需求序號基本需求需求描述1IFC數據的雙雙雙向傳遞遞支持對IFC數數數據文件件的讀讀寫支持與BIM應應應用軟件件的雙雙向數據據傳遞遞2三維模型的數據據據綁定三維模型實體需需需要包含屬屬性性信息三維模型實體需需需要綁定相相應應的BIM應用數據據3準確完整的三維維維模型顯顯示能夠準確完整地地地解析IFC幾何信息息能夠將IFC數數數據轉化成成可可用于三三維繪繪圖的數數據格格式能夠反映實際的的的建筑構構件之之間的位位置和和拓撲關關系4方便的用戶交互互互操作提供實體選擇、三三維瀏覽、模模型顯示控制制等多種用戶戶交互操作5良好的三維顯示示示效果提供模型的著色色色、材質質、光光照等真真實感感表現功能能IFC數據解析析析工具由于C++語言言在在開發(fā)大型型型BIM應用軟件件中中的廣泛泛應用用，為了了便于于實現本模塊與BIM應用軟件件的的集成，本本研研究優(yōu)先先考慮慮選擇支支持C++語言的IFC數據解析析工工具。為此此，本研究究針對部部分常常用的支支持C++語言開發(fā)環(huán)境的的免免費IFC數據解析析工工具進行行了調調研和對對比，如如表2所示。對IFC數據解解解析工具的的選選擇還需要考慮慮IFFC數據與三維維圖圖形引擎擎所需需繪圖數數據之之間的數數據交交換問題題。相相比其他他工具具，IFCEEngiineeDLLL不僅能夠夠解解析實體的的幾何表達方方式式和描述信信息息，而且且提供供了將這些些信信息直接轉轉化化為三維維圖形形引擎常常用的的三角網網格的的圖形接接口，無無需編程程人員員再進行行幾何何算法的的開發(fā)發(fā)。特別別是，它它能夠自自動處處理常見見的構構件開洞洞等布布爾運算算情形形，并直直接獲獲得布爾爾運算算結果實實體的的三角網網格。綜綜合這幾幾方面面的因素素，本本研究最最終選選擇了IFCEEngiineeDLLL作為IFC數據解析析工工具。表2 部分IFFC數據解析工工具具對比序號解析工具數據解析功能數據解析效率圖形接口1IFCEngggineeDLL[7]提供對IFC數數數據的查查詢、修修改等基基本功功能接口口，采采用SDAI接口晚綁定，數據讀讀讀取效率率高能自動快速獲得得得布爾運運算后后的IFC實體三角角網網格數據據2IFCsvr[[[8]基于COM環(huán)境境提提供對IFC數據的查查詢詢、修改改等基基本功能能接口口晚綁定，數據讀讀讀取效率率高僅能解析實體的的的幾何表表達方方式和相相關描描述信息息3IFCSDKKK[9]對應IFC標準準建建立起完整整整的數據據結構構，提供供對IFC數據的創(chuàng)創(chuàng)建建、查詢詢、修修改等基基本功功能接口口早綁定，數據讀讀讀取效率率較晚晚綁定低低，但但運行效效率高高僅能解析實體的的的幾何表表達方方式和相相關描描述信息息三維圖形引擎為選擇三維圖形形形引擎，本本研研究利用用四種常用的的免免費甚至至開源源的三維維圖形形引擎進進行了了開發(fā)應應用試試驗，包包括OpennGGL、Direecct3D、Coinn33D和OpennCCASCCADDE，通過開開發(fā)發(fā)過程及及效果果對它們進進行行了比較較，如如表3所示。表3 部分三維維圖形形引擎對對比序號圖形引擎基本功能繪圖效率交互功能顯示效果1OpenGL[[[10]]跨語言、跨平臺臺臺的底層層圖形形庫高繪圖速度提供了最基礎性性性的交互互功能能高質量和高性能能能的圖形形顯示示2Direct333D[111]]微軟平臺COMMM接口的底底層層三維圖圖形API高繪圖速度提供了最基礎性性性的交互互功能能高質量和高性能能能的圖形形顯示示3Coin3D[[[12]]基于OpenGGLL的面向對對象象三維圖圖形開開發(fā)包繪圖效率較高豐富的交互功能能能高質量和高性能能能的圖形形顯示示4OpenCAAASCAADEE[13]]主要用于設計建建建模的面面向對對象圖形形工具具大規(guī)模繪圖效率率率較低控制模型變換等等等交互功功能可滿足BIM應應應用軟件件要求求表3中的OpeenGLL、Direecct3D均屬于底底層層圖形庫庫，雖雖然提供供了強強大的三三維圖圖形功能能，但但是其函函數功功能復雜雜多樣樣，往往往需要要開發(fā)者者進行行大量的編編程程工作才才能實實現良好好的顯顯示效果果。而而OpennCASSCAADE雖然三維維圖圖形功能能非常常強大，但但是是其針對對大量量圖形元元素低低下的繪繪圖效效率成為制約其其應應用的主主要因因素。與以上這三種圖形形工工具相比，Coinn33D既繼承了OpennGGL良好的三維維圖圖形顯示示性能能和繪圖圖效率率，又封裝裝了了豐富的三維維圖圖形交互控控制制功能，編編程程實現簡簡單方方便[122]]。同時，其其其創(chuàng)建的的所有有圖形都都作為為三維對對象“結點”進行管理理，其其面向對對象的的思想與BIM理念又是相通的的，故故可以方便便地地建立起B(yǎng)IM實體與三三維維對象“結點”的對應關關系系。因此此本研研究最終終選用用Coinn33D作為三維維圖圖形引擎擎。模塊總體框架在三維圖形交互互互模塊的的基本本需求的的基礎礎上，根根據選選用的IFC數據解析析工工具IFCEEngiineeDLLL以及三維維圖圖形引擎Coinn33D的數據需需求求和功能能特點點，本研研究建建立起了了三維維圖形交交互模模塊3DGI的總體框框架架，如圖1所示。3DGI模塊以以以IFC數據作為為輸輸入條件件。在在3DGI模塊中，3DGI核心子模模塊塊作為其其核心心，通過過調用用IFCEEngiineeDLLL，直接讀取IFC幾何何信信息并將其處理理和和轉化為三三維維圖形數數據（三三角網格格）；；之后調調用Coinn33D，利用生生成成的三維維圖形形數據進進行三三維模型型顯示示并實現現對用用戶交互互操作作的支持持。因因此，BIM應用軟件件的的研究者者可在在其用戶戶界面面模塊調調用3DGI模塊以實實現BIM應用軟件件的的三維模模型顯顯示和用用戶交交互操作作，從從而實現現完整整的BIM應用軟件件。按按照該框框架，作作者等使使用C++語言實現現了了該模塊塊，所所需的編編程工工作只有有不到到1000行代碼。圖13DGIII模塊總體體框框架及其與BIM應用軟件件的的集成模塊應用本研究所開發(fā)的的的三維圖圖形交交互模塊3DGI已經成功功地地集成在本研研究究組開發(fā)發(fā)的兩兩個BIM應用軟件件中中，即基基于BIM技術的建建筑筑成本預預測軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)和基基于BIM技術的建建筑筑節(jié)能設設計軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)[33,14]。3DGII模塊塊在兩個BIM應用軟件件中中的實際際應用用表明，所采用的IFCEEngiineeDLLL可以為BIM應用軟件件準準確完整整地提提供IFC三維圖形形數數據，其其高效效性也保保證了了系統(tǒng)啟啟動和和運行的的流暢暢性；所所采用用的Coinn33D既實現了高效的三三維維模型顯顯示和和用戶交交互控控制，又實實現現了建筑筑產品品與BIM應用數據據之之間的直直觀綁綁定。通過過應應用該模模塊，所所開發(fā)的BIM應用軟件件能能夠高效地地實實現編制工程量量清清單、進進行工工程計價價、設設計建筑筑構件件材料、進進行行節(jié)能指指標檢檢查等操操作，同同時也可可以直直觀地校校核成成本預算算和節(jié)節(jié)能設計計結果果的準確確性。結語本研究為在C++++語言開開發(fā)發(fā)環(huán)境下自自主主研發(fā)輕輕量級級的三維維圖形形交互模模塊提提供了一一種免免費組件件的組組合，并并通過過實際研制制和在BIM應用軟件件中中應用證實實了該組合合的優(yōu)勢勢。該該模塊的的編程程實現表表明，使使用該組組合，僅僅需幾百百行代代碼即可可實現現從IFC數據解析析到到三維模模型顯顯示的功功能，并并能夠提提供友友好的用用戶交交互操作作，從從而有助助于研研究者將將主要要的精力力集中中于BIM應用軟件件本本身的研研究中中，節(jié)約約研究究時間，提高工作作效效率。致謝本研究受“十一一一五”國家科技技支支撐課題“基于BIM技術的下下一一代建筑筑工程程應用軟軟件研研究”（20077BBAF223BB02）資助。參考文獻[1]buiilldingggSMAARTTInnteernaatiionaalLtdd.Moddell-InndusstrryFFouundaatiionCllasssess(IIFCC)[[OLL].[2011-1110-118]]htttpp:///buuilddinngsmmarrt.ccomm/sttanndarrdss/iffc//.[2]JottnneEPPPMTTecchnooloogy..EEDMmmoddelSSerrverrfoor33DanddPPLM[[OLL].[2011-1110-118]]htttp:://m/ggetffille.pphpp/40099904..8661.rrvbbrsqqspprd//EPPMteechh-3DD-PPLM..pddf/.[3]MaZhiiliiangg,ZhaaoYilli..Moddeeloofnexxtgennerratiionnennerrgy--effficcieentdeesiggnsofftwwareefforbuuilddinngs[[JJ].TTssingghuuaSSciiencceanddTTechhnoologgy..200088,113((S1)::2988-3304.[4]WennppengLiuu,BoDiiao,,YYingghuuaYYe..DuuraabillittyeevaaluaatiionsooftwwarressysstemmoofcconncreeteesttruuctuureebaaseedoonBIMMaand4DDteechhnolloggy:PrroceeeddinggsofthheIIntternnattionnallCoonffereencceIInCommpuutinnginCiivillaandBuuilddinngEEnggineeerringg,Notttiinghhamm,UUniiteddKKinggdoom,20010[[C]].UUniiteddKKinggdoom,20010..[5]曹銘..基于于IFC標準的建建筑筑工程信信息集集成及4D施工管理理研研究[D]..北京:清華大學學土土木工程程系,200005.[6]魏振華華.基基于BIM數據的OpennGGL圖形交互互模模塊的研研制[D]..北京:清華大學學土土木工程程系,200008.[7]TNOOOBuuilldinnganddCConsstrructtioonRRessearrchh.IIFCCEnngiineDLLL[[OLL].[2011-1110-118]]htttpp:///wwww.iifccbroowsser..coom/iifccengginnedlll..htmml//.[8]SECCCOMCOO.,LLTDD.IInttellliggenttSSysttemmsLLabboraatoory..IIFCssvrrAcctiiveXXCCompponnentt[[OL]].[2011-1110-118]]htttpp:///teech..grroupps..yahhooo.coom//grooupp/iffcssvr--usserss/..[9]OpeeenSSouurceeOObseervvatooryy&Reepossittoryy.IFCCSSDK..[2011-1110-118]]htttpp:///foorgee.oosorr.eeu/ppluuginns//wikki//inddexx.phh