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信息化建筑模型的图形平台研究
 网友评论  [进入论坛]  时间:2007-06-30  作者:  来源:中国建筑科技联盟
【导读】图形平台是影响信息化建筑模型的重要因素,本文归纳了AEC软件业所需图形平台的基本成分,指出了适应全寿命周期和协同工作要求的图形平台特性。分别介绍了AutoCAD二次开发平台下以及自主的AEC专业图形平台中建筑模型数据结构的定义。

1.信息化建筑模型对图形平台的基本要求
1.1 图形平台的基本组成成分
    在软件行业,人们对“图形平台”的含义理解是不统一的,例如人们同时把OpenGL、ACIS、AutoCAD都称作图形平台,本文用图形平台的基本构成成分限定讨论的范围:可称作图形平台的系统,应该至少包括以下三项内容。
(1) 图形硬件的软件接口:为系统提供显示、打印等图形输出设备所能够接受的图形数据,这一接口把2D、3D图形实体的几何描述数据,转换成图形显示数据,例如OpenGL就是这样一个接口。
(2) 几何运算工具集:包含几何坐标转换、矩阵算子、曲线及曲面方程运算、布尔运算等,线性代数运算工具性程序集。
(3) 几何体数据描述和结构:是描述基本几何体的数据结构,在典型的图形平台中,这些数据描述和结构一般具有面向对象的特征。
    在上述三项基本构成成分中,位于最顶层的数据定义是最终决定平台特性的主要体现者,同时也是决定建筑模型优劣的主要成分,后面的内容重点讨论数据定义部分。
1.2 构件的多种几何表达能力
    建筑空间是由大量的建筑构件构成的,在某些应用环境中,建筑构件要使用简化了的几何体来描述,而在另外的应用环境中,同一构件,需要使用详细而完善的几何体来描述。例如门窗,在大型的建筑物中,可能有上千个门窗,一个2m*2m的铝合金矩形窗,完善的几何描述需要大约15-30个六面体,这种描述在室内外装饰和门窗设计应用过程中是必要的,而在建筑模型的其它应用环境中,只用一个六面体简化描述即可。门的平面表达形式和立面、三维表达形式并不符合画法几何原则,需要使用两种不同的几何体来描述。对建筑模型的这种要求,实际上是要求图形平台具有同时采用不同的几何体描述同一个建筑构件的能力,这种能力是支持模型在项目全寿命周期获得应用的基础。

1.3 支持协同工作
    网络协同工作是一个过程问题,对于涉及建筑模型的协同工作过程,要求建筑模型必须具有概念完整、结构清晰的数据定义,以保证模型在任意时刻都是由概念完整的模型构成要素组成的,从而支持模型的版本管理,使用完全对象化的工程模型就可满足这种要求。


2.建筑模型的数据定义
2.1 AutoCAD图形平台
    以往,在AutoCAD平台上开发的建筑业应用软件以CAD软件居多,随着开发工具和应用需求的更新,特别是面向对象的开发工具ObjectARX的发行,为二次开发者开发出高层次的应用软件提供了有利的支持。在建筑工程量计算、施工技术设计、施工组织管理等领域,也可以见到以AutoCAD为图形平台进行二次开发的应用软件。
    早期的AutoCAD二次开发软件因一直延续由通用图形实体担当操作对象的设计思路,而把“建筑构件”的概念埋在通用图形实体的扩展数据“xdata”属性中,以这样的数据结构建立起来的建筑模型,是一种“伪”模型,模型中没有与实际建筑物的建筑构件所对应的对象,也未体现出面向对象的开发思想。按照这样的数据结构,最终用户所操作的对象始终是基本图形元素而非建筑构件,这种结构的建筑模型,会带来以下问题:
    A 一个建筑构件一般需要多个图形实体来描述,例如需要至少两条相互平行的直线来表达一段墙体,这些图形实体间一般存在某种形式的关联,而已经存在的针对通用图形实体的编辑命令,却无法识别这些关联,这一缺陷可造成某些通用命令失灵,产生许多令人不解的编辑结果。
    B 难以同时实现同一构件的多种几何表现。当需要另一种几何表现时,必须驱动专门的过程,这种过程将消耗大量时间,如图3所示,是笔者曾经开发的一款工程量计算软件的建筑模型,为了显示三维效果,临时生成选择集中“伪”构件的三维模型,在需要转入平面图状态时,又必须删除这些三维实体,以保证平面图的可编辑性。

    C 添加建筑构件的其它信息比较困难。对于应用于整个项目寿命周期的建筑模型而言,几何描述只是其中的一部分,还有大量信息需要添加到模型中,如造价信息、工程资源信息,这些信息一般都需要复杂的关系数据库支持才能得以实现,而几何实体中的xdata属性只是一个一维的链表,对其它信息的支持能力是有限的。
    在仅以出具施工图纸为目的的CAD软件中,建筑模型可以是不完善的模型,残缺的模型信息在最终产生的平、立、剖图纸中由文字或者图形元素补充,只要能以较高的效率产生合格的施工图纸就可以体现出二次开发的CAD软件的价值。另外,在施工图中以文字说明的形式作为施工图纸的重要内容,可以减少施工图纸的数量,降低出图的劳动强度,因此,以往多数的CAD软件并不苛求建筑模型的完善,这是“伪”模型数据结构仍然有继续使用价值的原因。但是,当把建筑模型的应用范围扩大到整个项目寿命周期以后,这样的数据结构显然是不能胜任的。为此,AutoDesk公司在首版发行的ObjectARX中就开始支持“自定义对象”,并在ObjectARX 2000版本中加强了对“自定义对象”的支持,所谓“自定义对象”是相对于AutoCAD的原有几何实体对象而言的,这一功能的扩展,为开发完善并且数据结构合理的建筑模型提供了有利的支持。主要体现在以两点:
    D 在ObjectARX 2000中AcGi、AcGe等基础类的完善,为自定义对象提供独立于固有几何实体的显示、编辑的开发支持,它允许二次开发者由抽象类“AcDBEltity ”继承而产生描述自定义对象的新的几何体,新几何体的显示由AcGi类负责。
    E 独立的ObjectDBX开发软件支持体系,为开发独立于AutoCAD环境的应用程序提供支持。由于自定义对象一般不再需要通用图形对象的编辑命令、环境支持,AutoCAD大量的命令和复杂的通用图形环境对这些自定义对象没有太大的意义,因此,开发在AutoCAD之外独立运行的应用程序,具有更广阔的应用空间。
    在自定义类的支持下,在AutoCAD平台上可以开发出完善的建筑模型。图4、图5分别是两种使用ObjectARX开发建筑模型的抽象数据结构。在图4所表示的建筑构件定义中,“具体构件类”由ObjectARX的抽象实体类AcDbEntity和“抽象构件类”双亲继承而生,对具体构件的几何描述,用“具体构件类”的属性和函数实现。显然,如果需要,你可以定义多种几何描述体。使用双亲继承模式可以减少类的数量从而简化类关系,但不得不把所有的几何描述都放在“具体构件类”中实现,其灵活性有一定的局限。图5则是一种单亲继承的建筑构件类定义,其中,“具体构件类”的几何描述使用独立定义的聚集类,灵活性更大。


    困扰AutoCAD二次开发者的主要原因并不是技术问题,而是所谓的“自主”问题,ObjectARX开发工具是免费提供给开发者的,AutoDesk公司的利益仅仅体现在二次开发软件对AutoCAD的价值和市场的延伸上。在二次开发软件中大量采用自定义类则使得这些二次开发软件对AutoCAD环境在技术上的依赖程度大幅降低,甚至使AutoCAD环境显得多余,使用ObjectDBX开发工具开发独立于AutoCAD之外的程序符合许多二次开发者的利益,然而遗憾的是AutoDesk公司多年来一直坚持不开放亚洲地区的ObjectDBX许可证发放,尽管这是无可厚非的,却使得许多具有高超AutoCAD二次开发能力的开发者望而止步,也使人们关注和研究ObjectARX、ObjectDBX开发技术的热情锐减。

2.2  AEC专业图形平台
2.2.1 平台构成
    许多AEC软件开发商自主开发的图形平台,在功能和性能上难以和AutoCAD、ACIS等通用的图形平台相比,但他们仍然使用这样的图形平台获得了最终产品的成功。在国内AEC软件开发领域,PKPM系列软件就是一个典型的例子,PKPM系列软件的CFG图形平台采用Windows API函数由底层做起,CFG基本上不具备面向对象的特征,也难以支持其他行业的应用软件。但是PKPM软件产品的成功,用事实证明,专业的自主图形平台也是AEC软件开发商的一种可选项。以下内容将介绍一种基于IFC国际数据标准的AEC专业图形平台,其基本构成如图6所示。


    AEC专业图形平台的一个技术基础是图形硬件的软件接口OpenGL,目前,OpenGL已经成为Windows系统的组成成分,在建筑工程图形软件的应用领域,其强大的图形、图像显示能力,是此图形平台的得以实现的保障。
几何运算工具集除了包含通用图形平台的基本内容之外,还包括用于建筑模型处理的专用工具,例如:
1) 封闭环搜索工具:搜索、计算建筑平面图中墙体、梁所围成的封闭环的程序。
2)最佳位置计算工具:计算针对任意形状曲线、平面区域的最佳标注位置。
工具集部分的开发工作量也主要体现在专用工具的开发上。
    IFC数据标准是由国际协同联盟(International Alliance for Interoperability)制定的有关信息化建筑模型的基础类,它详细定义了建筑空间、建筑构件、建筑工程活动相关事件的基础类,其平台定义部分包括各类资源组、内核组、产品延展组以及共享建筑元素组,这一部分已经被ISO吸纳为国际标准:ISO/PAS 16739。IFC的整个定义体系概念清晰,并具有以下特点:
3) IFC中关于几何、拓扑、度量标准等具有平台性质的类定义,与ISO 的STEP标准保持一致。大量的平台性质的类定义直接转自ISO/CD 13030-41、ISO/CD 13030-42,IFC仅在各条目之后附加了自己的解释,个别条目对STEP标准作了适当的限制。
4) 将对象之间的关联关系定义成一系列关联类,关联类的使用将大幅度提高模型内部对象关系的可读性和规范性,这是IFC最具创造性的特点。
5) 类定义坚持使用单亲继承原则,允许软件开发者使用不支持多重继承的语言,如BASIC、Delphi、C#等。
6) 同一模型、同一个建筑构件中,允许同时存在多种不同用途的几何定义。这一特点是IFC能够支持模型的全寿命周期的基础。
7) IFC是一个开放的、不断发展的标准体系,在完整地定义了建筑模型的3D构成要素的基础,还在陆续增加与建筑事务活动相关的类,并允许在运用中添加自己的非标准定义。
    本文所讨论的建筑模型不是仅为某一个应用软件而定义的,它以完善描述真实建筑物模型为目的,可以适应于建筑工程项目的全寿命周期,因此,把建筑模型数据定义绑定在图形平台上,可以平台使开发者从全局着眼设计工程模型的数据结构,同时也赋予AEC专业图形平台充实的专业含义。
2.2.2 模型数据定义
    AEC图形平台中最富挑战性的内容,是建筑模型的数据定义部分,它占据主要的开发工作量。建筑模型的顶层数据定义如图7所示,它表达了建筑楼层(ifcBuildingStory)与墙体(ifcWall)、轴网(ifcGrid)、梁(ifcBeam)、楼板(ifcSlab)等建筑构件之间的关系,是由IFC所定义的关联类 ifcRelContainedInSpatialStructure建立起来的,不论是在楼层类还是构件类的内部,除了指向ifcRelContainedInSpatialStructure的索引之外,就不必设置与类名称所诠释的基本概念无关的其它因素了。同样,建筑构件之间的平面位置关联,通过关联类 ifcRelAssignsToProduct实现与建筑轴线 ifcGridAxis 的关联,关联类的定义在产品抽象父类 ifcProduct 中系统定义,建筑空间、建筑构件都继承自类 ifcProduct,这样的结构与自然概念非常吻合而易于理解。

2.2.3 平台性能分析
     AEC专业图形平台的数据定义层,依照IFC数据标准而定义,构成要素的自身概念与实际工程概念相吻合,特别是系统化的关联关系类的使用,是整个模型结构能够符合“高内聚、低耦合”原则的保障,“高内聚”特性可以通过图9所展示的墙体关联图来体现:

     实际工程中的“墙体1”与其他构件的几何关联,在模型中均由关联类负责建立,其中,与墙体2-墙体5、楼板、房间的关系,就是由图8所示的 ifcRelAssignsToProduct 通过建筑轴线类 ifcGridAxis建立的。“高内聚”的优势,表现在模型编辑过程中,则可以实现深度关联编辑,使编辑过程的人性化特征突出,表现在模型的显示上,则可以与施工工艺信息结合,动态显示模型状态的变化。 “低耦合”体现在类定义的严谨性上,既体现在类定义内容与实际工程中自然概念的高度统一上。这是从模型角度或者从专业图形平台角度,支持项目全寿命周期、以及协同工作的具体体现,标准化的优势则是在这样坚实的技术基础上建立起来的。

3.结语
     AEC软件开发企业在制定软件开发计划时,承载建筑模型的图形平台选用应该是灵活的,以出施工图为目的CAD软件,选用AutoCAD平台进行二次开发,是一种加快开发速度、降低开发成本、提高软件出图效率、适应设计人员长期养成的CAD使用习惯的选择,但同时,对AutoCAD的依赖也是一个降低开发者兴趣的现实问题。
在IFC标准和OpenGL的支持下,开发自主版权的AEC专业图形平台,在开发技术上是比较成熟的,能够在体系设计环节保障系统质量,专业化和标准化是其突出的优势,建筑模型以及AEC专业图形平台的全寿命周期的适应能力以及协同工作能力,对致力于AEC行业的软件开发商具有长远的意义。
参考文献
1.    AutoDesk, Ins, AutoCAD 2000 OBJECTARY DEVELOPER’S GUIDE. 1999
2.    邵俊昌,李旭东,AutoCAD ObjectARX 2000 开发技术指南,电子工业出版社,2000.3
3.    詹海生,李广鑫,马志欣,基于ACIS的几何造型技术与系统开发,清华大学出版社,2002.6
4.    International Alliance for Interoperability, Industry Foundation Classes, IFC2x Edition 2, 2004.7, 
5.    李云贵,邱奎宁,邹积林,张汉义,基于国际标准IFC的建筑业信息共享,第七届全国建设领域信息化与多媒体辅助工程学术交流会论文集,2004.7,P24-28

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