從技術(shù)視域解析住宅設(shè)計(jì)軟件

從技術(shù)視域解析住宅設(shè)計(jì)軟件

1概述

針對(duì)我國村鎮(zhèn)基層設(shè)計(jì)人員根底薄弱、單位技術(shù)力氣缺乏、計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)技術(shù)缺乏等問題，通過對(duì)不同生產(chǎn)方式和生活模式下村鎮(zhèn)居住模式和典型住宅建筑的討論，以及對(duì)建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及建筑設(shè)計(jì)自身特點(diǎn)的討論，通過計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)及決策支持系統(tǒng)的討論開發(fā)，為村鎮(zhèn)住宅建筑設(shè)計(jì)人員供應(yīng)簡便、易于操作、功能強(qiáng)大、學(xué)問系統(tǒng)豐富的村鎮(zhèn)住宅計(jì)算機(jī)幫助建筑設(shè)計(jì)的成套技術(shù)。在此系統(tǒng)中，三維建筑設(shè)計(jì)軟件支撐系統(tǒng)平臺(tái)是根底平臺(tái)，其他學(xué)問庫系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)均在這個(gè)系統(tǒng)支撐平臺(tái)環(huán)境之上運(yùn)行。本文結(jié)合課題的研發(fā)實(shí)踐，對(duì)研發(fā)時(shí)遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)展探討，并闡述系統(tǒng)平臺(tái)的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。本系統(tǒng)平臺(tái)超越了傳統(tǒng)CAD的以點(diǎn)、線、面等根本幾何信息為根底的單一圖形技術(shù)，通過對(duì)參數(shù)化可編輯的建筑實(shí)體構(gòu)件按建筑設(shè)計(jì)的要求進(jìn)展規(guī)律搭建，利用計(jì)算機(jī)分析與計(jì)算功能自動(dòng)生成建筑平、立、剖面圖以及實(shí)時(shí)三維顯示和渲染，并在此根底上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手工的圖紙排布及滿意肯定深度要求的圖片渲染與動(dòng)畫展現(xiàn)。本系統(tǒng)包含根本構(gòu)件庫和擴(kuò)展構(gòu)件庫。根本構(gòu)件庫包含建筑通用的墻、梁、板、柱、屋頂、門窗、樓梯等根本構(gòu)件;在根本構(gòu)件庫的根底上，結(jié)合不同傳統(tǒng)與地域村鎮(zhèn)民居所常用的一些構(gòu)造單元、樣式等形成擴(kuò)展構(gòu)件庫。每一類構(gòu)件包含多種樣式，每一種樣式都是一個(gè)參數(shù)化的智能物體，它包含了構(gòu)件的系統(tǒng)規(guī)律屬性、幾何屬性、材料屬性、顯示屬性、生產(chǎn)制造與經(jīng)濟(jì)屬性等綜合信息。由于不同參數(shù)可以進(jìn)展組合，每一種構(gòu)件又可以衍生出多種不同形式的構(gòu)件，不僅能夠滿意正常的設(shè)計(jì)需求，而且大大豐富了設(shè)計(jì)手段。不同構(gòu)件在系統(tǒng)中放置后，通過系統(tǒng)內(nèi)核的規(guī)律計(jì)算，生成仿真的三維建筑模型。再通過系統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別與設(shè)計(jì)人員的指定，生成平、立、剖圖紙。全部構(gòu)件在放置后都可以進(jìn)展參數(shù)與屬性的修改，并自動(dòng)表達(dá)在相關(guān)的模型與圖紙上，以此完成對(duì)設(shè)計(jì)的修改。同時(shí)可以基于模型數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算功能與人工設(shè)定，實(shí)現(xiàn)圖像渲染等多種幫助功能。本系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)，關(guān)鍵要解決參數(shù)驅(qū)動(dòng)下的模型自動(dòng)生成的相關(guān)技術(shù)，其主要內(nèi)容包括:參數(shù)化構(gòu)件的開發(fā)與生成工具;參數(shù)驅(qū)動(dòng)的圖形生成與處理;圖形識(shí)別;構(gòu)件空間交接規(guī)律計(jì)算;三維模型與二維圖形間的轉(zhuǎn)化;模型視圖聯(lián)動(dòng);模型調(diào)用;文本加載與標(biāo)注;圖形繪制;圖像渲染與動(dòng)畫及其他相關(guān)的CAD幫助設(shè)計(jì)技術(shù)。通過對(duì)多種技術(shù)的討論、計(jì)算機(jī)代碼編制與集成應(yīng)用，形成最終的可操作的三維系統(tǒng)平臺(tái)。

2系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)的主要功能是接收用戶對(duì)圖形的操作命令和參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的圖形處理。如:圖形的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、實(shí)時(shí)預(yù)覽及3D圍繞等;繪制平、立、剖圖，3D軸測(cè)圖、透視圖，3D線框圖，3D著色圖等;把模型渲染為具有真實(shí)感的照片或動(dòng)畫;依據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的太陽變化模擬真實(shí)狀況下的建筑顏色、陰影等變化(日照分析);對(duì)根本構(gòu)件和擴(kuò)展構(gòu)件供應(yīng)支持等。

3擴(kuò)展構(gòu)件定義

系統(tǒng)平臺(tái)的核心數(shù)據(jù)構(gòu)造可分解為整體建筑模型數(shù)據(jù)和構(gòu)件數(shù)據(jù)。整體建筑模型數(shù)據(jù)包括模型位置、層高等信息;而每個(gè)樓層的數(shù)據(jù)則是由構(gòu)件信息組成的，每種構(gòu)件的定義則存放在構(gòu)件庫中。系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)件庫從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度看，可分為根本構(gòu)件和擴(kuò)展構(gòu)件。所謂根本構(gòu)件，是指在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的梁、柱、墻、板等構(gòu)件;而擴(kuò)展構(gòu)件是指在存放在擴(kuò)展構(gòu)件庫中的、可以由用戶依據(jù)需要自行添加的構(gòu)件。在課題工程中，擴(kuò)展構(gòu)件被用于表現(xiàn)村鎮(zhèn)民居使用的一些建筑構(gòu)件，如有地域特色的欄桿、屋頂裝飾等。構(gòu)件與系統(tǒng)平臺(tái)的各個(gè)局部都有關(guān)系。為了顯示構(gòu)件的三維模型，每個(gè)構(gòu)件在定義時(shí)都要將自身分解為可以用點(diǎn)、線、面等根本繪圖元素表達(dá)的圖形對(duì)象。例如矩形截面的直線梁構(gòu)件，在顯示時(shí)需要將其分解為4個(gè)側(cè)面和2個(gè)端面，如圖2所示。對(duì)于二維圖形(平面圖)的繪制，不是簡潔地生成三維圖形的二維投影，而是要依據(jù)建筑制圖標(biāo)準(zhǔn)的要求，另行繪制。對(duì)于以上處理，根本構(gòu)件是在系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的;擴(kuò)展構(gòu)件則是在定義構(gòu)件時(shí)實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)于每個(gè)擴(kuò)展構(gòu)件，都必需將其分解為點(diǎn)、線、面等根本圖形元素，以便讓底層3D圖形庫能夠繪制出構(gòu)件的3D模型;應(yīng)當(dāng)能夠自定義2D圖形的繪制方法，假如沒有定義，則根據(jù)投影的方法自動(dòng)生成2D圖形。為了實(shí)現(xiàn)以上要求，我們將擴(kuò)展構(gòu)件設(shè)計(jì)成為若干屬性和程序腳本的集合。每個(gè)構(gòu)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(gè)構(gòu)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(gòu)件的屬性作為參數(shù)，系統(tǒng)平臺(tái)會(huì)在使用擴(kuò)展構(gòu)件時(shí)調(diào)用這些程序腳本，如圖3所示。需要留意的是，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(shí)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(tǒng)平臺(tái)中支持?jǐn)U展構(gòu)件，系統(tǒng)平臺(tái)中包含了程序腳本解釋器，采納類似Basic語言的腳本語言。然后將底層圖形函數(shù)庫中的幾何造型、數(shù)學(xué)運(yùn)算等功能封裝成為腳本語言的功能函數(shù)。當(dāng)需要繪制擴(kuò)展構(gòu)件的平面圖時(shí)，調(diào)用其2D圖形繪制程序腳本;當(dāng)需要繪制擴(kuò)展構(gòu)件的三維或立面圖時(shí)，調(diào)用其3D圖形繪制程序腳本。圖形繪制腳本語言的功能函數(shù)概覽如圖4所示。

4圖形交互子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)用于與用戶進(jìn)展交互，接收用戶輸入的命令、設(shè)置的參數(shù)等，包括平移、縮放、圍繞(旋轉(zhuǎn))、行進(jìn)模式、3D掃瞄器預(yù)覽、繪圖掌握等。

5圖形繪制子系統(tǒng)

對(duì)于每一種構(gòu)件(如梁、墻、柱、板、屋頂、樓梯、門窗等)，均可依據(jù)其材質(zhì)、填充類型、顏色等，將每個(gè)構(gòu)件描述成根本圖元(點(diǎn)、線、面、多邊形、多邊體、圖像等)。每個(gè)構(gòu)件都有若干顯示狀態(tài)，如表1所示。繪制時(shí)可設(shè)置以下根本繪制參數(shù):

(1)平面圖顯示參數(shù)顯示樓層(所在樓層、全部樓層、與之相關(guān)的上下樓層、全部相關(guān)樓層等)，顯示方式(剪切、投影、僅輪廓等)，對(duì)于投影顯示，還可設(shè)置其投影范圍。

(2)構(gòu)造表現(xiàn)形式剪切填充類型(用于剖面圖)，優(yōu)先級(jí)(用于構(gòu)件重疊局部的消隱處理)。

(3)剪切面參數(shù)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(shù)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(hào)顯示參數(shù)線類型、線畫筆等。

(6)3D模型材質(zhì)不同構(gòu)件可能不同的面需要不同的材質(zhì)貼圖，可以對(duì)不同的側(cè)面設(shè)置不同的材質(zhì)。

(7)相關(guān)參數(shù)設(shè)置某些構(gòu)件主要顯示其文字描述的信息，需要有關(guān)于文字標(biāo)注信息相關(guān)的參數(shù)設(shè)置:如字體樣式、字高、文本畫筆等。本系統(tǒng)的根本圖形繪制規(guī)章如表2所示:對(duì)于2D的視圖，每種構(gòu)件的都有其特定的表現(xiàn)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(duì)于3D視圖，則供應(yīng)線框圖、消隱線框圖和著色圖三種表現(xiàn)形式，如圖6所示。在投影方式上，可以選擇軸測(cè)圖和透視圖兩種方式。

6圖形渲染子系統(tǒng)

本系統(tǒng)平臺(tái)可供應(yīng)模型的渲染圖，其參數(shù)包括渲染結(jié)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。本系統(tǒng)平臺(tái)還支持飛過動(dòng)畫渲染。首先創(chuàng)立一系列的平行投影或透視投影，在投影之間