基于免费组件的IFC数据三维图形交互模块

第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集 上海·2011基于免费组件的的的IFC数据三维维图图形交互模块研究魏振华马智亮亮亮清华大学土木工工工程系，北北京京10000084【摘要】基于BBBIM的三维图形形交交互模块块的开开发需解解决BIM数据解析析及及三维模模型显显示两个个问题题，选择择价格格低廉甚甚至免免费的组组件并并且能够够进行行高效的的开发发是研究究者进进行研究究的最最佳途径径。本本研究基基于已已有的BIM应用软件件研研究，针对IFC数据找到了了一一种能够用用于于快速高效效地地开发三三维图图形交互互模块块的免费费组件件组合，即即TNO公司的IFCEEngiineeDLLL（用于BIM数据解析析）和和SIM公司的Coinn3D（兼容OpennInvvenntor，用于三三维维模型显显示）。然然然后基于于该组组合，在C++语言开发发环环境下，研研制制了可以灵灵活活用于BIM应用软件件开发发的三维图图形形交互模模块3DGI，并进行行了了实际应应用。本本研究为为利用用免费组组件自自主研发发轻量量级的三三维图图形交互互模块块提供了了一种种快速高高效的的解决方方案，从而而可帮助研研究者把更更多的精力力集中于进进行BIM应用软件件本身的研研究中。【关键词】BIIIM应用软件件，三三维图形形交互互，IFC数据，免免费费组件概述近年来，随着BBBIM技术的流流行行，相关关研究究逐渐增增多，特特别是关关于BIM应用软件件的的研究已已经成成为BIM领域的研研究究热点，对对BIM技术在建建筑筑工程中中实际际应用起起到了了重要的的推动动作用。三三维维模型作作为BIM技术的核核心心，可以以直观观地存储储和表表达BIM数据，方方便便对BIM技术应用用效效果的检检查，是BIM技术由理理论走向实实际应用的的关键，三维图形形交互模块块也因此成成为BIM应用软件件研究和开开发的重要要支撑。目目前，IFC标准已经经成为主流流的BIM数据标准准[1]，为为使研究成成果具有普普遍适用性性，在本研研究中考虑虑的BIM数据即为IFC数据。三维图形交互模模模块的开开发需需要解决BIM数据解析析及及三维模模型显显示两个个关键键问题。针针对对这两个个问题题均已有一些商商业业化和免免费的的软件或或组件件：BIM数据解析析主主要是针针对IFC标准的数数据据解析，可可使使用商业业化的的EDM等软件或或者者免费的IFCssvvr、IFCCEngginneDDLLL等组件[2-4]；三维模模型型显示则则可使使用商业业化的的AutooCCAD等软件或或者者免费的OpennGGL、Direecct3D等组件[4-6]。一般地地，商商业化软软件在在开发效效率、模模型质量量等多多个方面面有较较大的优优势，但但其昂贵贵的价价格在很很大程程度上阻阻碍了了其在研研究中中的使用用。相相比而言言，研研究者在研研究究中更愿意意使使用免费费组件件。然而而免费费组件相相关说说明文档档往往往不全，缺缺乏乏相关咨咨询服服务和技技术支支持，同同时在在应用时时一般般需要进进行大大量调研研，然然后经过过艰苦苦的尝试试和大大量的编编程工工作才能能实际际利用。为解决上述问题题题，本研研究基基于已有有的BIM应用软件件研研究，综综合比比较相关关免费费组件，在在C++语言开发发环环境下，针针对对IFC数据找到到了了一种能够够用用于快速高高效效地开发三维图图形形交互模模块的的免费组组件组组合，即TNO公司的IFCEEngiineeDLLL（用于BIM数据解析析）和和SIM公司的Coinn3D（兼容OpennInvvenntor，用于三三维维模型显显示），研研制了可以以灵活用于于BIM应用软件件开发的三三维图形交交互模块3DGI，为利用用免费组件件自主研发发轻量级的的三维图形形交互模块块提供了一一种快速高高效的解决决方案，从从而可帮助助研究者把把更多的精精力集中于于进行BIM应用软件件本身的研研究中。免费组件选择2.1三维图图图形交互互模块块的基本本需求求本研究通过调研研研和分析析常见见的三维维软件件以及已已有的的BIM应用软件件，首首先对三三维图图形交互互模块块的基本本需求求进行了了分析析，如表1所示。表1 三维图形形交互互模块的的基本需需求序号基本需求需求描述1IFC数据的双双双向传递递支持对IFC数数数据文件件的读读写支持与BIM应应应用软件件的双双向数据据传递递2三维模型的数据据据绑定三维模型实体需需需要包含属属性性信息三维模型实体需需需要绑定相相应应的BIM应用数据据3准确完整的三维维维模型显显示能够准确完整地地地解析IFC几何信息息能够将IFC数数数据转化成成可可用于三三维绘绘图的数数据格格式能够反映实际的的的建筑构构件之之间的位位置和和拓扑关关系4方便的用户交互互互操作提供实体选择、三三维浏览、模模型显示控制制等多种用户户交互操作5良好的三维显示示示效果提供模型的着色色色、材质质、光光照等真真实感感表现功能能IFC数据解析析析工具由于C++语言言在在开发大型型型BIM应用软件件中中的广泛泛应用用，为了了便于于实现本模块与BIM应用软件件的的集成，本本研研究优先先考虑虑选择支支持C++语言的IFC数据解析析工工具。为此此，本研究究针对部部分常常用的支支持C++语言开发环境的的免免费IFC数据解析析工工具进行行了调调研和对对比，如如表2所示。对IFC数据解解解析工具的的选选择还需要考虑虑IFFC数据与三维维图图形引擎擎所需需绘图数数据之之间的数数据交交换问题题。相相比其他他工具具，IFCEEngiineeDLLL不仅能够够解解析实体的的几何表达方方式式和描述信信息息，而且且提供供了将这些些信信息直接转转化化为三维维图形形引擎常常用的的三角网网格的的图形接接口，无无需编程程人员员再进行行几何何算法的的开发发。特别别是，它它能够自自动处处理常见见的构构件开洞洞等布布尔运算算情形形，并直直接获获得布尔尔运算算结果实实体的的三角网网格。综综合这几几方面面的因素素，本本研究最最终选选择了IFCEEngiineeDLLL作为IFC数据解析析工工具。表2 部分IFFC数据解析工工具具对比序号解析工具数据解析功能数据解析效率图形接口1IFCEngggineeDLL[7]提供对IFC数数数据的查查询、修修改等基基本功功能接口口，采采用SDAI接口晚绑定，数据读读读取效率率高能自动快速获得得得布尔运运算后后的IFC实体三角角网网格数据据2IFCsvr[[[8]基于COM环境境提提供对IFC数据的查查询询、修改改等基基本功能能接口口晚绑定，数据读读读取效率率高仅能解析实体的的的几何表表达方方式和相相关描描述信息息3IFCSDKKK[9]对应IFC标准准建建立起完整整整的数据据结构构，提供供对IFC数据的创创建建、查询询、修修改等基基本功功能接口口早绑定，数据读读读取效率率较晚晚绑定低低，但但运行效效率高高仅能解析实体的的的几何表表达方方式和相相关描描述信息息三维图形引擎为选择三维图形形形引擎，本本研研究利用用四种常用的的免免费甚至至开源源的三维维图形形引擎进进行了了开发应应用试试验，包包括OpennGGL、Direecct3D、Coinn33D和OpennCCASCCADDE，通过开开发发过程及及效果果对它们进进行行了比较较，如如表3所示。表3 部分三维维图形形引擎对对比序号图形引擎基本功能绘图效率交互功能显示效果1OpenGL[[[10]]跨语言、跨平台台台的底层层图形形库高绘图速度提供了最基础性性性的交互互功能能高质量和高性能能能的图形形显示示2Direct333D[111]]微软平台COMMM接口的底底层层三维图图形API高绘图速度提供了最基础性性性的交互互功能能高质量和高性能能能的图形形显示示3Coin3D[[[12]]基于OpenGGLL的面向对对象象三维图图形开开发包绘图效率较高丰富的交互功能能能高质量和高性能能能的图形形显示示4OpenCAAASCAADEE[13]]主要用于设计建建建模的面面向对对象图形形工具具大规模绘图效率率率较低控制模型变换等等等交互功功能可满足BIM应应应用软件件要求求表3中的OpeenGLL、Direecct3D均属于底底层层图形库库，虽虽然提供供了强强大的三三维图图形功能能，但但是其函函数功功能复杂杂多样样，往往往需要要开发者者进行行大量的编编程程工作才才能实实现良好好的显显示效果果。而而OpennCASSCAADE虽然三维维图图形功能能非常常强大，但但是是其针对对大量量图形元元素低低下的绘绘图效效率成为制约其其应应用的主主要因因素。与以上这三种图形形工工具相比，Coinn33D既继承了OpennGGL良好的三维维图图形显示示性能能和绘图图效率率，又封装装了了丰富的三维维图图形交互控控制制功能，编编程程实现简简单方方便[122]]。同时，其其其创建的的所有有图形都都作为为三维对对象“结点”进行管理理，其其面向对对象的的思想与BIM理念又是相通的的，故故可以方便便地地建立起BIM实体与三三维维对象“结点”的对应关关系系。因此此本研研究最终终选用用Coinn33D作为三维维图图形引擎擎。模块总体框架在三维图形交互互互模块的的基本本需求的的基础础上，根根据选选用的IFC数据解析析工工具IFCEEngiineeDLLL以及三维维图图形引擎Coinn33D的数据需需求求和功能能特点点，本研研究建建立起了了三维维图形交交互模模块3DGI的总体框框架架，如图1所示。3DGI模块以以以IFC数据作为为输输入条件件。在在3DGI模块中，3DGI核心子模模块块作为其其核心心，通过过调用用IFCEEngiineeDLLL，直接读取IFC几何何信信息并将其处理理和和转化为三三维维图形数数据（三三角网格格）；；之后调调用Coinn33D，利用生生成成的三维维图形形数据进进行三三维模型型显示示并实现现对用用户交互互操作作的支持持。因因此，BIM应用软件件的的研究者者可在在其用户户界面面模块调调用3DGI模块以实实现BIM应用软件件的的三维模模型显显示和用用户交交互操作作，从从而实现现完整整的BIM应用软件件。按按照该框框架，作作者等使使用C++语言实现现了了该模块块，所所需的编编程工工作只有有不到到1000行代码。图13DGIII模块总体体框框架及其与BIM应用软件件的的集成模块应用本研究所开发的的的三维图图形交交互模块3DGI已经成功功地地集成在本研研究究组开发发的两两个BIM应用软件件中中，即基基于BIM技术的建建筑筑成本预预测软软件系统统和基基于BIM技术的建建筑筑节能设设计软软件系统统[33,14]。3DGII模块块在两个BIM应用软件件中中的实际际应用用表明，所采用的IFCEEngiineeDLLL可以为BIM应用软件件准准确完整整地提提供IFC三维图形形数数据，其其高效效性也保保证了了系统启启动和和运行的的流畅畅性；所所采用用的Coinn33D既实现了高效的三三维维模型显显示和和用户交交互控控制，又实实现现了建筑筑产品品与BIM应用数据据之之间的直直观绑绑定。通过过应应用该模模块，所所开发的BIM应用软件件能能够高效地地实实现编制工程量量清清单、进进行工工程计价价、设设计建筑筑构件件材料、进进行行节能指指标检检查等操操作，同同时也可可以直直观地校校核成成本预算算和节节能设计计结果果的准确确性。结语本研究为在C++++语言开开发发环境下自自主主研发轻轻量级级的三维维图形形交互模模块提提供了一一种免免费组件件的组组合，并并通过过实际研制制和在BIM应用软件件中中应用证实实了该组合合的优势势。该该模块的的编程程实现表表明，使使用该组组合，仅仅需几百百行代代码即可可实现现从IFC数据解析析到到三维模模型显显示的功功能，并并能够提提供友友好的用用户交交互操作作，从从而有助助于研研究者将将主要要的精力力集中中于BIM应用软件件本本身的研研究中中，节约约研究究时间，提高工作作效效率。致谢本研究受“十一一一五”国家科技技支支撑课题“基于BIM技术的下下一一代建筑筑工程程应用软软件研研究”（20077BBAF223BB02）资助。参考文献[1]buiilldingggSMAARTTInnteernaatiionaalLtdd.Moddell-InndusstrryFFouundaatiionCllasssess(IIFCC)[[OLL].[2011-1110-118]]htttpp:///buuilddinngsmmarrt.ccomm/sttanndarrdss/iffc//.[2]JottnneEPPPMTTecchnooloogy..EEDMmmoddelSSerrverrfoor33DanddPPLM[[OLL].[2011-1110-118]]htttp:://m/ggetffille.pphpp/40099904..8661.rrvbbrsqqspprd//EPPMteechh-3DD-PPLM..pddf/.[3]MaZhiiliiangg,ZhaaoYilli..Moddeeloofnexxtgennerratiionnennerrgy--effficcieentdeesiggnsofftwwareefforbuuilddinngs[[JJ].TTssingghuuaSSciiencceanddTTechhnoologgy..200088,113((S1)::2988-3304.[4]WennppengLiuu,BoDiiao,,YYingghuuaYYe..DuuraabillittyeevaaluaatiionsooftwwarressysstemmoofcconncreeteesttruuctuureebaaseedoonBIMMaand4DDteechhnolloggy:PrroceeeddinggsofthheIIntternnattionnallCoonffereencceIInCommpuutinnginCiivillaandBuuilddinngEEnggineeerringg,Notttiinghhamm,UUniiteddKKinggdoom,20010[[C]].UUniiteddKKinggdoom,20010..[5]曹铭..基于于IFC标准的建建筑筑工程信信息集集成及4D施工管理理研研究[D]..北京:清华大学学土土木工程程系,200005.[6]魏振华华.基基于BIM数据的OpennGGL图形交互互模模块的研研制[D]..北京:清华大学学土土木工程程系,200008.[7]TNOOOBuuilldinnganddCConsstrructtioonRRessearrchh.IIFCCEnngiineDLLL[[OLL].[2011-1110-118]]htttpp:///wwww.iifccbroowsser..coom/iifccengginnedlll..htmml//.[8]SECCCOMCOO.,LLTDD.IInttellliggenttSSysttemmsLLabboraatoory..IIFCssvrrAcctiiveXXCCompponnentt[[OL]].[2011-1110-118]]htttpp:///teech..grroupps..yahhooo.coom//grooupp/iffcssvr--usserss/..[9]OpeeenSSouurceeOObseervvatooryy&Reepossittoryy.IFCCSSDK..[2011-1110-118]]htttpp:///foorgee.oosorr.eeu/ppluuginns//wikki//inddexx.phh