村鎮住宅三維建筑設計軟件支撐系統平臺的技術研究

余承飛 韋群躍 湯 娣 李楚舒

(北京金土木軟件技術有限公司，北京 100048)

1 概述

針對我國村鎮基層設計人員基礎薄弱、單位技術力量不足、計算機輔助設計技術缺乏等問題，通過對不同生產方式和生活模式下村鎮居住模式和典型住宅建筑的研究，以及對建筑設計標準以及建筑設計自身特點的研究，通過計算機輔助設計及決策支持系統的研究開發，為村鎮住宅建筑設計人員提供簡便、易于操作、功能強大、知識系統豐富的村鎮住宅計算機輔助建筑設計的成套技術。在此系統中，三維建筑設計軟件支撐系統平臺是基礎平臺，其他知識庫系統和設計系統均在這個系統支撐平臺環境之上運行。本文結合課題的研發實踐，對研發時遇到的關鍵技術問題進行探討，并闡述系統平臺的架構和實現方法。

本系統平臺超越了傳統CAD的以點、線、面等基本幾何信息為基礎的單一圖形技術，通過對參數化可編輯的建筑實體構件按建筑設計的要求進行邏輯搭建，利用計算機分析與計算功能自動生成建筑平、立、剖面圖以及實時三維顯示和渲染，并在此基礎上實現自動/手工的圖紙排布及滿足一定深度要求的圖片渲染與動畫展示。

本系統包含基本構件庫和擴展構件庫。基本構件庫包含建筑通用的墻、梁、板、柱、屋頂、門窗、樓梯等基本構件;在基本構件庫的基礎上，結合不同傳統與地域村鎮民居所常用的一些構造單元、樣式等形成擴展構件庫。每一類構件包含多種樣式，每一種樣式都是一個參數化的智能物體，它包含了構件的系統邏輯屬性、幾何屬性、材料屬性、顯示屬性、生產制造與經濟屬性等綜合信息。由于不同參數可以進行組合，每一種構件又可以衍生出多種不同形式的構件，不僅能夠滿足正常的設計需求，而且大大豐富了設計手段。不同構件在系統中放置后，通過系統內核的邏輯計算，生成仿真的三維建筑模型。再通過系統的自動識別與設計人員的指定，生成平、立、剖圖紙。所有構件在放置后都可以進行參數與屬性的修改，并自動體現在相關的模型與圖紙上，以此完成對設計的修改。同時可以基于模型數據，通過系統內部的計算功能與人工設定，實現圖像渲染等多種輔助功能。

本系統利用計算機技術實現快速設計，關鍵要解決參數驅動下的模型自動生成的相關技術，其主要內容包括:參數化構件的開發與生成工具;參數驅動的圖形生成與處理;圖形識別;構件空間交接邏輯計算;三維模型與二維圖形間的轉化;模型視圖聯動;模型調用;文本加載與標注;圖形繪制;圖像渲染與動畫及其他相關的CAD輔助設計技術。通過對多種技術的研究、計算機代碼編制與集成應用，形成最終的可操作的三維系統平臺。

2 系統架構

本系統平臺的系統架構如圖1所示。

本系統的主要功能是接收用戶對圖形的操作命令和參數，執行相應的圖形處理。如:圖形的平移、縮放、旋轉、實時預覽及3D環繞等;繪制平、立、剖圖，3D軸測圖、透視圖，3D線框圖，3D著色圖等;把模型渲染為具有真實感的照片或動畫;根據一段時間內的太陽變化模擬真實情況下的建筑色彩、陰影等變化(日照分析);對基本構件和擴展構件提供支持等。

3 擴展構件定義

系統平臺的核心數據結構可分解為整體建筑模型數據和構件數據。整體建筑模型數據包括模型位置、層高等信息;而每個樓層的數據則是由構件信息組成的，每種構件的定義則存放在構件庫中。

系統平臺的構件庫從技術實現的角度看，可分為基本構件和擴展構件。所謂基本構件，是指在系統內部實現的梁、柱、墻、板等構件;而擴展構件是指在存放在擴展構件庫中的、可以由用戶根據需要自行添加的構件。在課題項目中，擴展構件被用于表現村鎮民居使用的一些建筑構件，如有地域特色的欄桿、屋頂裝飾等。

構件與系統平臺的各個部分都有關系。為了顯示構件的三維模型，每個構件在定義時都要將自身分解為可以用點、線、面等基本繪圖元素表達的圖形對象。例如矩形截面的直線梁構件，在顯示時需要將其分解為4個側面和2個端面，如圖2所示。

對于二維圖形(平面圖)的繪制，不是簡單地生成三維圖形的二維投影，而是要根據建筑制圖標準的要求，另行繪制。

對于以上處理，基本構件是在系統平臺內部實現的;擴展構件則是在定義構件時實現的。因此，對于每個擴展構件，都必須將其分解為點、線、面等基本圖形元素，以便讓底層3D圖形庫能夠繪制出構件的3D模型;應該能夠自定義2D圖形的繪制方法，如果沒有定義，則按照投影的方法自動生成2D圖形。

為了實現以上要求，我們將擴展構件設計成為若干屬性和程序腳本的集合。每個構件都有它自己的屬性，這些屬性是用戶可以自行定義的。每個構件的3D和2D繪制方法都可以通過程序自行定義，這些程序腳本以構件的屬性作為參數，系統平臺會在使用擴展構件時調用這些程序腳本，如圖3所示。

圖1 三維建筑設計軟件支撐系統平臺系統架構圖

需要注意的是，2D圖形繪制程序腳本是用于繪制平面圖的，而3D圖形繪制程序腳本同時用于生成立面圖和3D圖形，即立面圖屬于3D視圖中的一種。

為了在系統平臺中支持擴展構件，系統平臺中包含了程序腳本解釋器，采用類似Basic語言的腳本語言。然后將底層圖形函數庫中的幾何造型、數學運算等功能封裝成為腳本語言的功能函數。當需要繪制擴展構件的平面圖時，調用其2D圖形繪制程序腳本;當需要繪制擴展構件的三維或立面圖時，調用其3D圖形繪制程序腳本。圖形繪制腳本語言的功能函數概覽如圖4所示。

4 圖形交互子系統

本子系統用于與用戶進行交互，接收用戶輸入的命令、設置的參數等，包括平移、縮放、環繞(旋轉)、行進模式、3D瀏覽器預覽、繪圖控制等。

圖4 圖形繪制腳本語言的功能函數

5 圖形繪制子系統

對于每一種構件(如梁、墻、柱、板、屋頂、樓梯、門窗等)，均可根據其材質、填充類型、顏色等，將每個構件描述成基本圖元(點、線、面、多邊形、多邊體、圖像等)。每個構件都有若干顯示狀態，如表1所示。

繪制時可設置以下基本繪制參數:

(1)平面圖顯示參數

顯示樓層(所在樓層、所有樓層、與之相關的上下樓層、所有相關樓層等)，顯示方式(剪切、投影、僅輪廓等)，對于投影顯示，還可設置其投影范圍。

表1 構件的繪制狀態

(2)結構表現形式

剪切填充類型(用于剖面圖)，優先級(用于構件重疊部分的消隱處理)。

(3)剪切面參數

前景填充畫筆、背景填充畫筆、剪切線類型、剪切線畫筆等。

(4)輪廓顯示參數

頂部線類型、頂部線畫筆、未剪切線類型、未剪切線畫筆等。

(5)2D符號顯示參數

線類型、線畫筆等。

(6)3D模型材質

不同構件可能不同的面需要不同的材質貼圖，可以對不同的側面設置不同的材質。

(7)相關參數設置

某些構件主要顯示其文字描述的信息，需要有關于文字標注信息相關的參數設置:如字體樣式、字高、文本畫筆等。

本系統的基本圖形繪制規則如表2所示:

表2 基本圖形繪制規則

對于2D的視圖，每種構件的都有其特定的表現形式，例如在平面圖中，梁用其中線表示，柱用其橫截面輪廓及填充表示，如圖5所示。

對于3D視圖，則提供線框圖、消隱線框圖和著色圖三種表現形式，如圖6所示。

在投影方式上，可以選擇軸測圖和透視圖兩種方式。

6 圖形渲染子系統

本系統平臺可提供模型的渲染圖，其參數包括渲染結果的照片的大小、照片背景、渲染圖像亮度、渲染范圍、渲染光源、光線和材料效果等。渲染流程如圖7所示。

圖7 3D渲染流程

本系統平臺還支持飛過動畫渲染。首先創建一系列的平行投影或透視投影，在投影之間創建一個動畫轉換;然后在創建的投影處重建模型，生成關鍵幀;最后應用一些技術生成中間畫面。

7 結束語

基于建筑信息模型的設計方式正在逐步取代傳統的以點、線、面為基礎的繪圖軟件，而本系統平臺直接將基本建筑構件內置于系統中，并提供可擴展的構件庫，為《村鎮住宅建筑設計模塊化技術與軟件開發》課題提供了良好的支撐。

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