基于免費組件的IFC數據三維圖形交互模塊研究

魏振華 馬智亮

(清華大學土木工程系，北京 100084)

1 概述

近年來，隨著BIM技術的流行，相關研究逐漸增多，特別是關于BIM應用軟件的研究已經成為BIM領域的研究熱點，對BIM技術在建筑工程中實際應用起到了重要的推動作用。三維模型作為BIM技術的核心，可以直觀地存儲和表達BIM數據，方便對BIM技術應用效果的檢查，是BIM技術由理論走向實際應用的關鍵，三維圖形交互模塊也因此成為BIM應用軟件研究和開發的重要支撐。目前，IFC標準已經成為主流的BIM數據標準［1］，為使研究成果具有普遍適用性，在本研究中考慮的BIM數據即為IFC數據。

三維圖形交互模塊的開發需要解決BIM數據解析及三維模型顯示兩個關鍵問題。針對這兩個問題均已有一些商業化和免費的軟件或組件:BIM數據解析主要是針對IFC標準的數據解析，可使用商業化的EDM等軟件或者免費的IFCsvr、IFC Engine DLL等組件［2-4］;三維模型顯示則可使用商業化的AutoCAD等軟件或者免費的OpenGL、Direct3D等組件［4-6］。一般地，商業化軟件在開發效率、模型質量等多個方面有較大的優勢，但其昂貴的價格在很大程度上阻礙了其在研究中的使用。相比而言，研究者在研究中更愿意使用免費組件。然而免費組件相關說明文檔往往不全，缺乏相關咨詢服務和技術支持，同時在應用時一般需要進行大量調研，然后經過艱苦的嘗試和大量的編程工作才能實際利用。

為解決上述問題，本研究基于已有的BIM應用軟件研究，綜合比較相關免費組件，在C++語言開發環境下，針對IFC數據找到了一種能夠用于快速高效地開發三維圖形交互模塊的免費組件組合，即TNO公司的IFC Engine DLL(用于BIM數據解析)和SIM公司的Coin 3D(兼容Open Inventor，用于三維模型顯示)，研制了可以靈活用于BIM應用軟件開發的三維圖形交互模塊3DGI，為利用免費組件自主研發輕量級的三維圖形交互模塊提供了一種快速高效的解決方案，從而可幫助研究者把更多的精力集中于進行BIM應用軟件本身的研究中。

2 免費組件選擇

2．1 三維圖形交互模塊的基本需求

本研究通過調研和分析常見的三維軟件以及已有的BIM應用軟件，首先對三維圖形交互模塊的基本需求進行了分析，如表1所示。

表1 三維圖形交互模塊的基本需求

2．2 IFC數據解析工具

由于C++語言在開發大型BIM應用軟件中的廣泛應用，為了便于實現本模塊與BIM應用軟件的集成，本研究優先考慮選擇支持C++語言的IFC數據解析工具。為此，本研究針對部分常用的支持C++語言開發環境的免費IFC數據解析工具進行了調研和對比，如表2所示。

表2 部分IFC數據解析工具對比

對IFC數據解析工具的選擇還需要考慮IFC數據與三維圖形引擎所需繪圖數據之間的數據交換問題。相比其他工具，IFC Engine DLL不僅能夠解析實體的幾何表達方式和描述信息，而且提供了將這些信息直接轉化為三維圖形引擎常用的三角網格的圖形接口，無需編程人員再進行幾何算法的開發。特別是，它能夠自動處理常見的構件開洞等布爾運算情形，并直接獲得布爾運算結果實體的三角網格。綜合這幾方面的因素，本研究最終選擇了IFC Engine DLL作為IFC數據解析工具。

2．3 三維圖形引擎

為選擇三維圖形引擎，本研究利用四種常用的免費甚至開源的三維圖形引擎進行了開發應用試驗，包括 OpenGL、Direct3D、Coin3D 和 Open CASCADE，通過開發過程及效果對它們進行了比較，如表3所示。

表3 部分三維圖形引擎對比

圖1 3DGI模塊總體框架及其與BIM應用軟件的集成

表3中的 OpenGL、Direct3D均屬于底層圖形庫，雖然提供了強大的三維圖形功能，但是其函數功能復雜多樣，往往需要開發者進行大量的編程工作才能實現良好的顯示效果。而Open CASCADE雖然三維圖形功能非常強大，但是其針對大量圖形元素低下的繪圖效率成為制約其應用的主要因素。與以上這三種圖形工具相比，Coin3D既繼承了OpenGL良好的三維圖形顯示性能和繪圖效率，又封裝了豐富的三維圖形交互控制功能，編程實現簡單方便［12］。同時，其創建的所有圖形都作為三維對象“結點”進行管理，其面向對象的思想與BIM理念又是相通的，故可以方便地建立起BIM實體與三維對象“結點”的對應關系。因此本研究最終選用Coin3D作為三維圖形引擎。

3 模塊總體框架

在三維圖形交互模塊的基本需求的基礎上，根據選用的IFC數據解析工具IFCEngine DLL以及三維圖形引擎Coin3D的數據需求和功能特點，本研究建立起了三維圖形交互模塊3DGI的總體框架，如圖1所示。

3DGI模塊以IFC數據作為輸入條件。在3DGI模塊中，3DGI核心子模塊作為其核心，通過調用IFCEngine DLL，直接讀取IFC幾何信息并將其處理和轉化為三維圖形數據(三角網格);之后調用Coin3D，利用生成的三維圖形數據進行三維模型顯示并實現對用戶交互操作的支持。因此，BIM應用軟件的研究者可在其用戶界面模塊調用3DGI模塊以實現BIM應用軟件的三維模型顯示和用戶交互操作，從而實現完整的BIM應用軟件。按照該框架，作者等使用C++語言實現了該模塊，所需的編程工作只有不到1000行代碼。

4 模塊應用

本研究所開發的三維圖形交互模塊3DGI已經成功地集成在本研究組開發的兩個BIM應用軟件中，即基于BIM技術的建筑成本預測軟件系統和基于BIM技術的建筑節能設計軟件系統［3，14］。3DGI模塊在兩個BIM應用軟件中的實際應用表明，所采用的IFC Engine DLL可以為BIM應用軟件準確完整地提供IFC三維圖形數據，其高效性也保證了系統啟動和運行的流暢性;所采用的Coin3D既實現了高效的三維模型顯示和用戶交互控制，又實現了建筑產品與BIM應用數據之間的直觀綁定。通過應用該模塊，所開發的BIM應用軟件能夠高效地實現編制工程量清單、進行工程計價、設計建筑構件材料、進行節能指標檢查等操作，同時也可以直觀地校核成本預算和節能設計結果的準確性。

5 結語

本研究為在C++語言開發環境下自主研發輕量級的三維圖形交互模塊提供了一種免費組件的組合，并通過實際研制和在BIM應用軟件中應用證實了該組合的優勢。該模塊的編程實現表明，使用該組合，僅需幾百行代碼即可實現從IFC數據解析到三維模型顯示的功能，并能夠提供友好的用戶交互操作，從而有助于研究者將主要的精力集中于BIM應用軟件本身的研究中，節約研究時間，提高工作效率。

［1］buildingSMART International Ltd．Model－ Industry Foundation Classes(IFC)［OL］．［2011-10-18］http://buildingsmart．com/standards/ifc/．

［2］Jotne EPM Technology．EDMmodelServerfor 3D and PLM［OL］．［2011-10-18］http://www．epmtech．jotne．com/getfile．php/409904．861．rvbrsqsprd/EPMtech-3D-PLM．pdf/．

［3］Ma Zhiliang，Zhao Yili．Model of next generation energyefficient design software for buildings［J］．Tsinghua Science and Technology．2008，13(S1):298-304．

［4］Wenpeng Liu，Bo Diao，Yinghua Ye．Durability evaluation software system of concrete structure based on BIM and 4D technology:Proceedings of the International Conference In Computing in Civil and Building Engineering，Nottingham，United Kingdom，2010［C］．United Kingdom，2010．

［5］曹銘．基于IFC標準的建筑工程信息集成及4D施工管理研究［D］．北京:清華大學土木工程系，2005．

［6］魏振華．基于BIM數據的OpenGL圖形交互模塊的研制［D］．北京:清華大學土木工程系，2008．

［7］TNO Building and Construction Research．IFC Engine DLL ［OL］．［2011-10-18］http://www．ifcbrowser．com/ifcenginedll．html/．

［8］SECOM CO．，LTD．Intelligent Systems Laboratory．IFCsvr ActiveX Component［OL］．［2011-10-18］http://tech．groups．yahoo．com/group/ifcsvr-users/．

［9］Open Source Observatory＆ Repository．IFCSDK．［2011-10-18］http://forge．osor．eu/plugins/wiki/index．php?id=175＆type=g/．

［10］Dave Shreiner．OpenGL programming guide:the official guide to learning OpenGL，versions 3．0 and 3．1［M］．Addison-Wesley，2010．

［11］李曄，等譯．Direct3D技術內幕．北京:清華大學出版社，2001．

［12］閻鋒欣，侯增選，等．Open Inventor程序設計從入門到精通［M］．北京:清華大學出版社，2007．

［13］Open CASCADE Technology．Technical overview［OL］．［2011-10-18］http://www．opencascade．org/occt/overview/．

［14］Ma Zhiliang，Zhang Xiude，etc．Framework design for BIM-based construction cost estimating software:Proceedings of CIB W78 2010 Conference，Cairo，Egypt，2010［C］．Egypt，2010．