BIM技术：三维几何建模基础理论

无论工具是否自动化,一个好的工匠都应该熟悉自己的工具。当代建筑建模工具是交互三维计算机工具设计40年研究与发展的结果,并在基于对象的参数化建模上达到顶峰。

(1)三维几何建模

三维数字技术在建筑工程领域的应用有效地改变了传统的以点、线、面等二维图元组成的工程图纸的信息表达缺陷,使计算机中的建筑产品模型更加接近现实世界,是BIM的重要技术支撑。三维数字技术的应用首先需要建立建筑产品的三维几何模型。三维几何模型有多种表达形式,总体上可以分为实体模型、表面模型和线框模型,三者有不同的应用领域与适用范围。目前,大部分基于BIM的建筑设计软件,应用先进的参数化建模技术,提供了功能较完善的实体建模功能。然而,面向其他一些应用,实体模型由于过于复杂并不适用,例如,虚拟施工、基于Web的协同工作等,表面模型是这些应用的理想选择。

按照建模方法的不同,计算机三维建模可以分为线框建模、表面建模和实体建模。线框建模是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架图,模型是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成,描述的是产品的轮廓外形。表面建模是通过对实体的各个表面或曲面进行描述而构造实体模型的一种建模方法。建模时,先将复杂的外表面分解成若干个组成面,然后定义出一块块的基本面素,基本面素可以是平面或二次曲面,通过面素的连接组成了组成面,各组成面的拼接就是所构成的模型。表面模型能够比较完整地定义三维立体的表面,生成逼真的彩色图像,以便直观地进行产品的外形设计,也可以用作有限元法分析中的网格的划分。实体建模是在计算机内部以实体描述客观事物,通过基本几何实体如长方体、圆柱体、球体、圆锥体、楔体和圆环体等实体模型来创建三维对象,然后对这些结合实体进行布尔运算形成更为复杂的几何实体。另外,实体模型也可以通过将平面对象沿路径拉伸或绕轴线旋转而得到。实体模型包含完整的几何拓扑信息,可以从其中提取实体的物理特性,如体积、表面积、惯性矩、重心等,导出实体数据进行有限元法分析,或者将实体模型退化为表面和线框对象^[1]。

(2)三维几何模型的特点及适用范围(www.xing528.com)

BIM的三维几何数据是BIM模型中重要的建筑产品数据,是贯穿于建筑生命期的核心数据,这些数据在建筑生命期的不同阶段被创建和利用,包含了丰富的工程信息,例如,通过对建筑三维几何数据的演算可以得出建筑构件的体积、空间位置、拓扑关系等工程信息。然而,建筑工程的不同阶段的不同应用对三维几何数据的处理需求是不一样的。表4-1对不同类型的三维几何模型的特点及适用范围进行了总结。在建筑设计阶段,设计软件创建三维几何数据,这些数据通常以实体模型的方式存在,实体模型记录了完整的几何拓扑信息,便于修改和编辑。然而,几何实体模型的处理是一个相当复杂的过程,涉及许多计算机图形学算法,通常需要借助专业的图形引擎实现。在结构分析阶段,通常采用线框模型便于各种结构计算分析,例如,对钢筋混凝土框架结构的力学分析。在施工阶段和运营阶段,由于不需要修改和编辑三维几何数据,其主要的应用是对三维几何数据的展现,因此表面模型更加适合。另外,对于特定的应用,表面模型具有更加便于处理的特点,例如,火灾模拟分析(FDS)、能耗分析、光照分析等。

表4-1　三维几何模型的特点及适用范围

由上述分析可以看出,设计阶段产生的三维几何实体模型处于BIM生命期数据的上游,这些数据作为核心的产品模型数据随着建筑工程的进展被下游的应用所使用。然而,由于对数据处理要求的不同,需要将实体几何模型演变为其他形式的三维几何模型,如线框模型或表面模型^[2]。