門式剛架鋼結構三維動畫軟件的研究開發

季云軍

摘要： 門式剛架鋼結構內部結構復雜，空間連接關系和構造很難用語言和二維圖紙直觀地表現出來。本文針對土木工程專業鋼結構設計課程，基于Unity3D 和3DS MAX開發了門式剛架結構整體構件布置、重要構件節點組裝演示、 自定義構件組裝的輔助教學虛擬仿真三維動畫軟件，直觀生動地展示了門式剛架結構的三維構造和組裝過程。動畫的研究開發對鋼結構課程的課堂教學質量的提高有著促進作用。

Abstract： The internal structure of the steel structure building with gabled frames is complex， and the spatial connection relation and structure are difficult to be expressed intuitively by the language and the two-dimensional plan. Based on Unity3D and 3DS MAX， the author develops a virtual simulation of 3D animation software for the arrangement of integral components of steel structure building with gabled frames， the demonstration of the assembly of important component nodes and the assembly of user component. This software is suitable for the steel structure design courses of civil engineering professional. The development promotes the teaching quality of the courses.

關鍵詞： 三維動畫；門式剛架結構；節點構造；施工過程

Key words： 3D animation；steel structure building with gabled frames；joint construction；installation process

中圖分類號：TU33+7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0186-02

0 引言

門式剛架結構的構件布置復雜，構件種類繁多，節點構造隱蔽，依靠平面二維圖片的展示、抽象的文字講解，學生很難完全了解門式剛架結構的構件布置和節點構造。因此，利用三維虛擬現實的動畫軟件，更形象地把門式剛架的三維實體模型展現出來，從而使學生更直觀地了解門式剛架結構的布置和節點構造。

文章針對土木工程專業鋼結構設計課程，研究開發了基于建筑鋼結構門式剛架結構的三維虛擬仿真教學動畫軟件。主要是通過功能強大的三維建模軟件3DS MAX根據門式剛架結構二維圖紙建立三維模型[1]，然后把建好的模型導入綜合型開發平臺Unity3D軟件，利用Unity3D軟件完成對門式剛架結構布置的動畫設置和交互設計。

1 技術介紹

1.1 軟件開發工具 建筑鋼結構門式剛架結構三維動畫軟件主要用到的開發工具有3DS MAX建模軟件和Unity3D游戲開發軟件。3DS MAX 全稱為3D Studio Max，是Discreet公司開發的（后被Autodesk公司合并）基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，是目前建筑動畫設計、室內外設計、虛擬現實制作等方面運用最為廣泛的建模軟件。本鋼結構三維動畫軟件運用的虛擬交互設計開發平臺是Unity3D。Unity3D是由Unity Technologies開發的一個讓用戶輕松創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎，是目前比較流行的虛擬現實開發平臺。

1.2 動畫仿真原理 建筑鋼結構動畫軟件的開發基于三維建模和動畫制作兩個方面的技術。利用3DS MAX對照門式剛架結構的二維圖紙，建立同類構件相互獨立的結構整體模型。建好的模型可以直接導入Unity3D進行使用。在Unity3D中可以對整體模型中的細部構件進行調整和控制，添加特定的動畫效果，給整體組裝動畫的實現提供了巨大便利。Unity3D還可以制作360度縮放旋轉觀覽視角，給模型的整體和細部展示帶來了更直觀可控的觀覽體驗。同時，Unity3D可以導出為Windows和MAC系統下的可執行軟件，大大提高了本動畫軟件的可用性和共享性。3DS MAX與Unity3D相結合完成動畫軟件開發流程圖如圖1所示。

2 三維動畫軟件開發

2.1 動畫教學軟件總體思路 單層門式剛架鋼結構是由實腹式斜梁與實腹柱通過剛性節點所構成的平面剛架，通過檁條、支撐、墻梁等縱向構件連接而成的穩定結構體系，如圖2所示。本軟件總體思路是根據課堂教學仿真的需要，學生自主搭建模型；虛擬仿真實驗的需要，實現三維仿真單層門式剛架結構的結構布置流程、節點構造展示、節點構件組裝過程、自定義構件組裝演示等功能。

2.2 鋼結構門式剛架結構整體組裝動畫實現 用三維建模軟件3D MAX構建門式剛架結構的整體模型。建模過程中，依據實際結構結構施工圖紙，等比例建模，并對每個構件進行編號和分類。將編號和分類后的模型導入到Unity3D軟件中，建立模型庫。根據一般單層門式剛架結構的構件安裝順序，先吊裝豎向構件，后吊裝平面構件。門式剛架結構的組裝順序依次為：基礎、普通柱、剛架、支撐、連系梁（吊車梁）、抗風柱、檁條、墻梁、面板[2]。如圖3，整個組裝過程中，構件依次飛入視野，可在組裝過程和組裝完成后，對結構進行鳥瞰及三維旋轉觀覽。

2.3 門式剛架結構節點構造和節點組裝展示

為了讓學生更加了解門式剛架結構的節點構造，在制作整體組裝動畫時，課題組開發了一套基于預覽攝像機位置變化的判斷系統。教師通過鍵盤上WASD和鼠標控制視角在整體模型中運動，可以更自由地觀覽結構的細部構造。當視角移動到結構的重要節點部位時，軟件自動判斷攝像機控制點與節點的三維空間距離是否足夠靠近。若滿足設定條件，將會在屏幕上提示“按下B鍵播放節點組裝動畫”，節點處相連的構件將單獨演示組裝過程，結構的其他部位構件不發生變化。以柱腳節點為例（圖4所示），攝像機控制點移動到柱腳節點位置，按下B鍵播放節點組裝動畫。與柱腳有關的周圍構件全部消失，然后基礎、柱底板和柱子、螺帽、加勁肋等依次飛入視野進行細部組裝?？稍诮M裝過程和組裝完成后，對節點進行鳥瞰及三維旋轉觀覽。

2.4 自定義節點或構件組裝動畫

為了滿足學生自主搭建模型，虛擬仿真實驗的需要，對整體門式剛架結構模型的所有構件進行編號和分類，并按類擺放在Unity3D創建的一個特定場景中。每個分類中擁有多種不同構造形式的同類型構件。例如，柱子分類中包括綴條格構式柱、綴板格構式柱、工字型柱、變截面柱等。整體模型中的柱腳節點默認是工字型柱柱腳節點，要演示格構式柱柱腳節點的組裝構成，學生可以點擊自定義組裝動畫按鈕，然后通過軟件界面右邊的模型庫，點擊格構式柱，替換，如圖5所示。程序自動生成與格構式柱相配套的整體組裝動畫和細部組裝動畫，播放方式和替換前的動畫播放方式一致。學生可在組裝過程和組裝完成后，對整體構件進行鳥瞰及三維旋轉觀覽。

3 動畫軟件應用

該動畫軟件已經在江蘇科技大學2013級土木工程專業鋼結構課堂上運用。根據任課老師的反饋，鋼結構結構的布置、支撐體系、節點構造等知識點在以往的教學中，往往很難講解清楚。通過鋼結構動畫軟件的使用，可以更加直觀、清楚地展現這些難點，學生也更加容易接受。

通過對開發思路的深入探索，本軟件可用于多高層、重型結構等鋼結構的三維動畫模擬。開發人員還看到了該動畫軟件在其他專業教學領域的應用前景，例如，模擬船舶工業的建造和組裝、模擬機器（汽車等）制造的過程、模擬家具裝修過程等，應用前景廣泛。

4 結語

文章基于計算機三維模擬，以鋼結構門式剛架結構為主要對象，研究開發了建筑鋼結構三維動畫軟件，涵蓋了單層門式剛架結構的結構布置、節點展示以及自定義節點構件組裝等功能。本三維動畫軟件具有可以由用戶自由控制的遠近鳥瞰、細部推進、三維旋轉功能，可以全方位觀覽門式剛架結構的布置和重要節點的構造及組裝。

參考文獻

[1]李靜，李眾立，李培亮.基于虛擬現實技術的建筑施工動態仿真研究[J].計算機與現代化，2012（8）：80-83.

[2]羅曉群，張其林，楊彬，吳明兒，李元齊，劉沈如.建筑鋼結構設計動畫課件開發研究[J].高等建筑教育，2012，21（1）：77-80.

[3]羅玲，黃飛.輕型門式剛架結構的設計[J].鋼結構，2012（07）.