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    村镇住宅三维建筑设计软件支撑系统平台的技术研究.pdf

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    村镇住宅三维建筑设计软件支撑系统平台的技术研究.pdf

    第3卷第4期 2011年12月 Vo1.3 No.4 Dec.2011 村镇住宅三维建筑设计软件 支撑系统平台的技术研究 余承飞 韦群跃 汤 娣 李楚舒 北京金土木软件技术有限公司,北京 100048 【摘要】本文介绍了村镇住宅三维建筑设计软件支撑系统平台的研究。本系统平台超越了传统CAD的以点、 线、面等基本几何信息为基础的单一图形技术,通过对参数化可编辑的建筑实体构件按建筑设计的要求进行逻辑 搭建,利用计算机分析与计算功能自动生成建筑平、立、剖面图以及实时三维视图,并在此基础上实现自动/手工的 图纸排布及满足一定深度要求的图片渲染与动画展示。 【关键词】参数化;建筑实体构件;扩展构件;建筑平、立、剖面图;三维显示和渲染;动画展示 【中图分类号】TU241.4 【文献标识码】B 【文章编号】16747461201104001605 1概述 针对我国村镇基层设计人员基础薄弱、单位技 术力量不足、计算机辅助设计技术缺乏等问题,通 过对不同生产方式和生活模式下村镇居住模式和 典型住宅建筑的研究,以及对建筑设计标准以及建 筑设计自身特点的研究,通过计算机辅助设计及决 策支持系统的研究开发,为村镇住宅建筑设计人员 提供简便、易于操作、功能强大、知识系统丰富的村 镇住宅计算机辅助建筑设计的成套技术。在此系 统中,三维建筑设计软件支撑系统平台是基础平 台,其他知识库系统和设计系统均在这个系统支撑 平台环境之上运行。本文结合课题的研发实践,对 研发时遇到的关键技术问题进行探讨,并阐述系统 平台的架构和实现方法。 本系统平台超越了传统CAD的以点、线、面等 基本几何信息为基础的单一图形技术,通过对参数 化可编辑的建筑实体构件按建筑设计的要求进行 逻辑搭建,利用计算机分析与计算功能自动生成建 筑平、立、剖面图以及实时三维显示和渲染,并在此 基础上实现自动/手工的图纸排布及满足一定深度 要求的图片渲染与动画展示。 本系统包含基本构件库和扩展构件库。基本 构件库包含建筑通用的墙、梁、板、柱、屋顶、门窗、 楼梯等基本构件;在基本构件库的基础上,结合不 同传统与地域村镇民居所常用的一些构造单元、样 式等形成扩展构件库。每一类构件包含多种样式, 每一种样式都是一个参数化的智能物体,它包含了 构件的系统逻辑属性、几何属性、材料属性、显示属 性、生产制造与经济属性等综合信息。由于不同参 数可以进行组合,每一种构件又可以衍生出多种不 同形式的构件,不仅能够满足正常的设计需求,而 且大大丰富了设计手段。不同构件在系统中放置 后,通过系统内核的逻辑计算,生成仿真的三维建 筑模型。再通过系统的自动识别与设计人员的指 定,生成平、立、剖图纸。所有构件在放置后都可以 进行参数与属性的修改,并自动体现在相关的模型 与图纸上,以此完成对设计的修改。同时可以基于 模型数据,通过系统内部的计算功能与人工设定, 实现图像渲染等多种辅助功能。 本系统利用计算机技术实现快速设计,关键要 解决参数驱动下的模型自动生成的相关技术,其主 要内容包括参数化构件的开发与生成工具;参数 驱动的图形生成与处理;图形识别;构件空间交接 【基金项目】 “十一五”国家科技支撑计划资助课题2008BAJ08B05 【作者简介】 余承飞1972一,男,工程师。主要从事工程软件、信息化、建筑信息模型等方面的研究与开发工作。 村镇住宅三维建筑设计软件支撑系统平台的技术研究 17 逻辑计算;三维模型与二维图形间的转化;模型视 图联动;模型调用;文本加载与标注;图形绘制;图 像渲染与动画及其他相关的CAD辅助设计技术。 通过对多种技术的研究、计算机代码编制与集成应 用,形成最终的可操作的三维系统平台。 2 系统架构 本系统平台的系统架构如图1所示。 本系统的主要功能是接收用户对图形的操作 命令和参数,执行相应的图形处理。如图形的平 移、缩放、旋转、实时预览及3D环绕等;绘制平、立、 剖图,3D轴测图、透视图,3D线框图,3D着色图等; 把模型渲染为具有真实感的照片或动画;根据一段 时间内的太阳变化模拟真实情况下的建筑色彩、阴 影等变化Et照分析;对基本构件和扩展构件提供 支持等。 3扩展构件定义 系统平台的核心数据结构可分解为整体建筑 模型数据和构件数据。整体建筑模型数据包括模 型位置、层高等信息;而每个楼层的数据则是由构 件信息组成的,每种构件的定义则存放在构件 库中。 系统平台的构件库从技术实现的角度看,可分 为基本构件和扩展构件。所谓基本构件,是指在系 统内部实现的梁、柱、墙、板等构件;而扩展构件是 指在存放在扩展构件库中的、可以由用户根据需要 自行添加的构件。在课题项目中,扩展构件被用于 表现村镇民居使用的一些建筑构件,如有地域特色 的栏杆、屋顶装饰等。 构件与系统平台的各个部分都有关系。为了 显示构件的三维模型,每个构件在定义时都要将自 身分解为可以用点、线、面等基本绘图元素表达的 图形对象。例如矩形截面的直线梁构件,在显示时 需要将其分解为4个侧面和2个端面,如图2所示。 对于二维图形平面图的绘制,不是简单地生 成三维图形的二维投影,而是要根据建筑制图标准 的要求,另行绘制。 对于以上处理,基本构件是在系统平台内部实现 的;扩展构件则是在定义构件时实现的。因此,对于 每个扩展构件,都必须将其分解为点、线、面等基本图 形元素,以便让底层3D图形库能够绘制出构件的3D 模型;应该能够自定义2D图形的绘制方法,如果没有 定义,则按照投影的方法自动生成2D图形。 为了实现以上要求,我们将扩展构件设计成为若 干屙J生和程序脚本的集合。每个构件都有它自己的 屙l生,这些屙f生是用户可以自行定义的。每个构件的 3D和2D绘制方法都可以通过程序自行定义,这些程 序脚本以构件的属性作为参数,系统平台会在使用扩 展构件时调用这些程序脚本,如图3所示。 图1 三维建筑设计软件支撑系统平台系统架构图 l8 图2矩形截面直线梁的三维图形基本绘图元素 图3扩展构件定义的调用逻辑 需要注意的是,2D图形绘制程序脚本是用于绘 制平面图的,而3D图形绘制程序脚本同时用于生成 立面图和3D图形,即立面图属于3D视图中的一种。 为了在系统平台中支持扩展构件,系统平台中 包含了程序脚本解释器,采用类似Basic语言的脚 本语言。然后将底层图形函数库中的几何造型、数 学运算等功能封装成为脚本语言的功能函数。当 需要绘制扩展构件的平面图时,调用其2D图形绘 制程序脚本;当需要绘制扩展构件的三维或立面图 时,调用其3D图形绘制程序脚本。 图形绘制脚本语言的功能函数概览如图4所示。 4图形交互子系统 本子系统用于与用户进行交互,接收用户输入 的命令、设置的参数等,包括平移、缩放、环绕旋 转、行进模式、3D浏览器预览、绘图控制等。 3D形状生成 2D形状生成 图4图形绘制脚本语言的功能函数 5图形绘制子系统 对于每一种构件如梁、墙、柱、板、屋顶、楼梯、门 窗等,均可根据其材质、填充类型、颜色等,将每个构 件描述成基本图元点、线、面、多边形、多边体、图像 等。每个构件都有若干显示状态,如表1所示。 绘制时可设置以下基本绘制参数 1平面图显示参数 显示楼层所在楼层、所有楼层、与之相关的上 下楼层、所有相关楼层等,显示方式剪切、投影、 仅轮廓等,对于投影显示,还可设置其投影范围。 表1构件的绘制状态 .,。 当需要拖动某个构件从一个位置到另一个位置的移动过程中,构件的显示状态 拖动状态 称为拖动状态。此时仅显示构件的外轮廓线和外轮廓线上热点。 村镇住宅三维建筑设计软件支撑系统平台的技术研究 19 2结构表现形式 剪切填充类型用于剖面图,优先级用于构 件重叠部分的消隐处理。 3剪切面参数 前景填充画笔、背景填充画笔、剪切线类型、剪 切线画笔等。 4轮廓显示参数 顶部线类型、顶部线画笔、未剪切线类型、未剪 切线画笔等。 52D符号显示参数 线类型、线画笔等。 63D模型材质 不同构件可能不同的面需要不同的材质贴图, 可以对不同的侧面设置不同的材质。 7相关参数设置 某些构件主要显示其文字描述的信息,需要有 关于文字标注信息相关的参数设置如字体样式、 字高、文本画笔等。 本系统的基本图形绘制规则如表2所示 表2基本图形绘制规则 平面图 荐 栗离翁 幕霎表现形式绘制,不同的 立面图 绘制构件在该立面图视角下的投影轮廓线 剖面图 凳 翼件在该剖面图中产生的剪切平面的填 基本3D模型图 绘制能够描述真实构件3D实体模型 对于2D的视图,每种构件的都有其特定的表 现形式,例如在平面图中,梁用其中线表示,柱用其 横截面轮廓及填充表示,如图5所示。 对于3D视图,则提供线框图、消隐线框图和着 色图三种表现形式,如图6所示。 在投影方式上,可以选择轴测图和透视图两种 方式。 6图形渲染子系统 本系统平台可提供模型的渲染图,其参数包括 渲染结果的照片的大小、照片背景、渲染图像亮度、 渲染范围、渲染光源、光线和材料效果等。渲染流 程如图7所示。 本系统平台还支持飞过动画渲染。首先创建 一系列的平行投影或透视投影,在投影之间创建一 个动画转换;然后在创建的投影处重建模型,生成 关键帧;最后应用一些技术生成中间画面。 7结束语 基于建筑信息模型的设计方式正在逐步取代 传统的以点、线、面为基础的绘图软件,而本系统平 台直接将基本建筑构件内置于系统中,并提供可扩 展的构件库,为村镇住宅建筑设计模块化技术与 软件开发课题提供了良好的支撑。 .一 一 ■● 梁用其中线表示 柱用其横截面轮廓及填充表示 图5梁和柱的平面图表示 线框图 消隐线框嘲 。 着色图 图6 3D视图 参考文献 图7 3D渲染流程 [1]Edward Angel and Dave Shreiner201 1Interactive Com puter GraphicsA Top-Down Approach with ShaderBased OpenGL6th Edition. [2]Donald Hearn and M.Pauline Baker2004Computer Graphics with OpenGL Third Edition. [3 j Farin G。1988Curves and Surface for Computer Aided Geometric DesignA Practical Guide. [4]杨联萍,潘钧俊,杨钦等.苏南农村住宅结构特点调研 [J].土木建筑工程信息技术,2011,3269-72. [5]刘永军,周静海,孟宪宏.村镇建筑抗洪性能评价系统 研究与开发[J].土木建筑工程信息技术,2011,31 57-62 Technology Research of the 3D Architectural Design Software Support System Plat for Rural House Yu Chengfei,Wei Qunyue,Tang Di,Li Chushu Beijing Civil King Software Technology Co.,Ltd.,Beijing 100048,China AbstractThis paper describes the 3D Architectural Design Software Support System Plat.This plat goes beyond traditional CAD graphics technology based on geometrical primitives.It constructs building models of parametric building members following the logic of architectural design,generates plans,elevations,sections and realtime 3 D view by computer analysis,and then implements automatic/manual drawing arrangement,image ren dering and animation base on er results. Key WordsParametric;Building Members;Extended Member;Architectural Plans,elevations,sections; 3 D View and rendering;Animation

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