李 夢(mèng)，劉立峰，李爾康，孫 陽(yáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 引 言

BIM技術(shù)的應(yīng)用每年都在發(fā)生變化，隨著工程應(yīng)用實(shí)踐的不斷深入和應(yīng)用價(jià)值的不斷顯現(xiàn)，BIM應(yīng)用也從單純的技術(shù)應(yīng)用走向項(xiàng)目管理、企業(yè)管理、甚至應(yīng)用到項(xiàng)目建設(shè)的全鏈條應(yīng)用。在項(xiàng)目應(yīng)用過程中，為了展示三維模型的內(nèi)部細(xì)節(jié)，增強(qiáng)三維可視化瀏覽的直觀性與準(zhǔn)確性，需要對(duì)三維模型剖切處理，有利于觀察模型內(nèi)細(xì)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，研究者已經(jīng)提出了多種基于三維模型剖切的方法，比如：秦緒佳等[1]提出了采用平面及多面體對(duì)重構(gòu)模型剖切的立體剪裁算法；陳俊智等[2]提出利用OpenGL中的附加裁剪面實(shí)現(xiàn)平面切割；周翠英等[3]和郭圣文[4]實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維模型任意方向的平面切割，但不能任意方式切割；王成龍等[5]和陳學(xué)工[6]等提出了基于三維模型任意角度剖切算法，實(shí)現(xiàn)了基于平面的任意角度剖切；代欣位等[7]提出基于動(dòng)態(tài)四叉樹索引的三維地質(zhì)模型組合剖切算法；曹麗[8]等對(duì)四面體、六面體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型分別進(jìn)行剖切算法設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)；崔兆東[9]等提出1種基于地質(zhì)橫剖面輪廓線的歸一化三維地質(zhì)體模型重構(gòu)方法，對(duì)基于隧道橫斷面的三維建模及隧道與地質(zhì)模型合并過程中的模型切割、分層。以上研究者提出的方法大多基于多面體、平面，對(duì)于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布置走向非正南正北等不能快速有效找到合適的多面體、平面對(duì)模型進(jìn)行剖切，很難高效得到預(yù)期的模型剖切面。

目前，市場(chǎng)上主流BIM設(shè)計(jì)軟件及應(yīng)用平臺(tái)都是通過平面(XY、XZ、YZ)、六面體剖切盒等方式來對(duì)BIM三維模型進(jìn)行剖切，基本上都是基于選定平面生成剖切面來對(duì)三維模型進(jìn)行剖切，并且默認(rèn)的平面與大地坐標(biāo)系的X、Y、Z方向一致，大土木工程行業(yè)模型布置走向基本均為非正南正北布置(方向與大地坐標(biāo)系X、Y方向一致)，采用當(dāng)前已有的基于平面的剖切方法，需要對(duì)剖切面進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，才能達(dá)到預(yù)期效果，滿足工程實(shí)際應(yīng)用需要。本文以三維模型中的構(gòu)件外輪廓線為基礎(chǔ)，提出1種基于直線的三維模型剖切方法，該方法適用于任意布置走向的三維模型剖切，可高效、精準(zhǔn)達(dá)到預(yù)期剖切效果，并以某工程擋水建筑物為例，詳細(xì)介紹具體實(shí)現(xiàn)過程，與傳統(tǒng)剖切方法進(jìn)行對(duì)比分析，展示本方法的優(yōu)越性。

1 模型輕量化轉(zhuǎn)換

當(dāng)前BIM相關(guān)工程應(yīng)用主流技術(shù)基本都是基于Web端實(shí)現(xiàn)，因此，進(jìn)入Web端系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)必須是經(jīng)過模型輕量化轉(zhuǎn)換工具處理后的輕量化三維設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)信息，需要開發(fā)模型輕量化轉(zhuǎn)換工具，將三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的輕量化數(shù)據(jù)格式，并且可以將模型的幾何型體數(shù)據(jù)、非幾何數(shù)據(jù)信息、模型組織結(jié)構(gòu)等信息一并轉(zhuǎn)換到輕量化模型中，筆者已開發(fā)了支持當(dāng)前主流的三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)模型輕量化轉(zhuǎn)換工具1套，支持達(dá)索的CATIA、歐特克的Revit系列、奔特利的MicroStation，AVEVA的PDMS、西門子的UG等數(shù)據(jù)格式模型輕量化轉(zhuǎn)換，模型輕量化轉(zhuǎn)換工具見圖1。利用模型輕量化工具將三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為輕量化數(shù)據(jù)格式，上傳到Web端系統(tǒng)，在Web端系統(tǒng)中可瀏覽查看模型組織結(jié)構(gòu)以及模型屬性信息，在模型結(jié)構(gòu)樹上選擇或者在模型構(gòu)件上選擇，均能瀏覽該模型構(gòu)件的屬性信息以及與該模型構(gòu)件關(guān)聯(lián)的文檔信息，并且支持文檔在線打開瀏覽，有助于進(jìn)一步了解該部位模型相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，利用開發(fā)的模型輕量化轉(zhuǎn)換工具將某工程擋水建筑物三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換輕量化格式，并上傳Web端系統(tǒng)，見圖2。

圖1 模型輕量化轉(zhuǎn)換工具圖

圖2 某工程擋水建筑物輕量化模型圖

2 剖切方法設(shè)計(jì)

筆者在React框架下，采用WebGL技術(shù)在HTML5頁(yè)面上開發(fā)了基于輕量化模型的直線剖切方法，建成了Web端系統(tǒng)平臺(tái)。

剖切方法設(shè)計(jì)的邏輯鏈條較長(zhǎng)，且環(huán)環(huán)相扣，其邏輯關(guān)系見圖3，剖切方法執(zhí)行以下主要步驟：

圖3 剖切方法流程圖

(1) 三維設(shè)計(jì)模型輕量化轉(zhuǎn)換，將利用三維設(shè)計(jì)軟件制作的三維設(shè)計(jì)模型，利用本文開發(fā)的模型輕量化轉(zhuǎn)換工具對(duì)三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行輕量化轉(zhuǎn)換，可以將不同三維設(shè)計(jì)軟件制作的三維設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)成果的集成融合應(yīng)用。

(2) 將轉(zhuǎn)換后的三維輕量化模型上傳到本文開發(fā)Web端系統(tǒng)平臺(tái)。

(3) 在Web端系統(tǒng)平臺(tái)中打開三維輕量化模型，在模型上移動(dòng)鼠標(biāo)，Web端系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)算法，自動(dòng)計(jì)算鼠標(biāo)與模型中輪廓直線之間的距離，即鼠標(biāo)距模型中直線中心點(diǎn)之間的距離。

(4) 設(shè)定閾值，Web系統(tǒng)設(shè)置的閾值為顯示器分辨率×0.02×0.5像素，系統(tǒng)自動(dòng)捕捉選定鼠標(biāo)與模型中直線之間的距離小于閾值的任意一條直線，來生成法平面對(duì)輕量化模型進(jìn)行剖切。

(5) 根據(jù)選定直線的法向量和選定直線的中心點(diǎn)創(chuàng)建法平面，Web系統(tǒng)選定的任一條直線后，將沿選定直線重新繪制一條與選定直線相同的直線，以繪制的直線創(chuàng)建直線的法平面。

(6) Web系統(tǒng)根據(jù)法平面對(duì)輕量化模型進(jìn)行剖切，剖切后系統(tǒng)自動(dòng)隱藏法平面，得到輕量化模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖切面，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的剖切。

3 剖切方法效果對(duì)比與分析

以某工程擋水建筑物為例對(duì)傳統(tǒng)剖切方法與本文提出的剖切方法效果進(jìn)行對(duì)比分析，擋水建筑物軸線布置方向?yàn)槟掀?2.02°，工程應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)用到沿?fù)跛ㄖ镙S線生成的剖切面，進(jìn)一步分析擋水建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前，市場(chǎng)上主流BIM設(shè)計(jì)軟件及應(yīng)用平臺(tái)的剖切效果見圖4，傳統(tǒng)的剖切方法是基于平面生成剖切面，在水電工程建筑物造型復(fù)雜情況下，很難找到與擋水建筑物軸線相垂直的平面來生成剖切面，并且傳統(tǒng)BIM設(shè)計(jì)軟件及應(yīng)用平臺(tái)所生成的剖切面、剖切盒自動(dòng)與大地坐標(biāo)系的正南正北方向相平行或相垂直。因此，需要反復(fù)調(diào)整剖切面的角度來實(shí)現(xiàn)預(yù)期剖切效果，并且也不一定精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)與擋水建筑物軸線相垂直的剖切面來剖切擋水建筑物。運(yùn)用本文提出的基于直線的三維模型剖切方法見圖5，在擋水建筑物三維模型中很容易找到與擋水建筑物軸線相平行的輪廓線來生成與之垂直的法平面對(duì)三維模型進(jìn)行剖切，可以一次性高效、精準(zhǔn)地生成與擋水建筑物軸線相垂直的平面對(duì)擋水建筑物進(jìn)行剖切。在大型土木工程行業(yè)，類似于水電工程擋水建筑物布置非正南正北(采用大地坐標(biāo)系)的建筑比比皆是，采用本文提出的基于直線法平面的三維模型剖切方法，有效解決了現(xiàn)有三維模型剖切技術(shù)對(duì)于模型布置非正南正北的模型剖切需要反復(fù)調(diào)整的問題，同時(shí)適用于任意模型布置走向的剖切應(yīng)用，提高了模型剖切效率和準(zhǔn)確率，同時(shí)提升，BIM技術(shù)應(yīng)用工作的便捷性。

圖4 傳統(tǒng)的剖切效果圖

圖5 基于直線的三維模型剖切圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)三維輕量化模型，提出了1種基于直線的三維模型剖切方法。該方法不僅實(shí)現(xiàn)了基于三維模型任意直線法平面的剖切，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維模型進(jìn)行多個(gè)剖切面的聯(lián)合剖切，適用于任意布置走向的三維模型剖切，增強(qiáng)了工程實(shí)際應(yīng)用的實(shí)用性和靈活性；該方法不僅簡(jiǎn)單、高效、精準(zhǔn)、適用性強(qiáng)，而且精準(zhǔn)地描述了模型的剖切面。通過實(shí)際工程項(xiàng)目驗(yàn)證了該方法的有效性、便捷性。