遲小羽 鄭國(guó)勤 王 琳 于貴友

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院建研科技股份有限公司，北京100013)

1 概述

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design)和計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering)領(lǐng)域至今經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從最開始的簡(jiǎn)單造型表達(dá)如貝塞爾曲線，到后來(lái)的參數(shù)化建模和三維實(shí)體加工技術(shù)，再到最近非常流行的直接建模、PLM、BIM等技術(shù)和概念。底層的數(shù)據(jù)表達(dá)處理、幾何描述、交互手段這些核心技術(shù)點(diǎn)上的創(chuàng)新一直為推動(dòng)CAD行業(yè)發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力。

從CAD行業(yè)發(fā)展之初至今，無(wú)論是在工業(yè)領(lǐng)域，還是在建筑領(lǐng)域，都是以輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等工作，并在這些環(huán)節(jié)中提高生產(chǎn)率為主要目的。尤其是在設(shè)計(jì)和加工流程和各環(huán)節(jié)，都需要對(duì)工作所涉及的實(shí)物進(jìn)行詳細(xì)的表達(dá)、描述和運(yùn)算等，CAD、CAE軟件將原來(lái)用圖紙進(jìn)行的工作，逐步轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)化的設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)等。而這個(gè)過(guò)程中CAD類軟件本身也經(jīng)歷了由二維到三維的轉(zhuǎn)變。尤其是在20世紀(jì)70年代到80年代期間，一系列基于三維的幾何內(nèi)核(如Romulus、Parasolid、ACIS)的產(chǎn)生以及一些基于參數(shù)化造型設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)軟件(如 Solidworks、Pro/E、CATIA)的推出，奠定了近二三十年CAD軟件行業(yè)的基本形態(tài)和工作方式。這些幾何內(nèi)核(Geometry Kernel)其最重要的功能是進(jìn)行復(fù)雜模型的幾何造型，因此它們同時(shí)也被稱為幾何造型器(Geometry Modeler)。

本文即主要研究和分析在CAD軟件領(lǐng)域中，尤其是建筑和BIM軟件中三維幾何內(nèi)核的應(yīng)用，以及這些應(yīng)用所帶來(lái)的生產(chǎn)力提高及對(duì)整個(gè)CAD行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)。

2 CAD、CAE軟件尤其是BIM軟件為何嚴(yán)重依賴幾何內(nèi)核

眾所周知，任何工業(yè)產(chǎn)品，無(wú)論是建筑還是機(jī)械零件在加工生產(chǎn)出來(lái)之前都需要使用圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)、表達(dá)和描述。而設(shè)計(jì)師、工程師和工人們通過(guò)閱讀這些二維圖紙，并根據(jù)規(guī)則將其翻譯成為三維實(shí)體的描述進(jìn)行加工生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)很難直接對(duì)二維的圖紙和表達(dá)進(jìn)行直接生產(chǎn)加工。從上世紀(jì)70、80年代開始，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提升，通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述和表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界中三維部件、三維實(shí)體，并由這些數(shù)據(jù)表達(dá)和描述驅(qū)動(dòng)數(shù)控加工設(shè)備(如數(shù)控機(jī)床)進(jìn)行全自動(dòng)化的實(shí)物加工和生產(chǎn)才成為了可能。

也正是在70年代末、80年代初，以英國(guó)劍橋?yàn)橹行牡囊恍┛蒲腥藛T們先后推出了Parasolid和ACIS這兩個(gè)現(xiàn)今使用最為普遍的幾何內(nèi)核。而現(xiàn)今我們熟悉的機(jī)械及建筑類的CAD、CAE軟件的底層幾何描述，幾乎都是基于這兩款幾何內(nèi)核之上。從名稱不難看出，Parasolid之命名就有參數(shù)化(parametric)設(shè)計(jì)及實(shí)體(solid)建模的意義。

從80年代后期開始，建筑類CAD軟件也緊隨著機(jī)械CAD軟件行業(yè)之后開始應(yīng)用三維幾何造型內(nèi)核以輔助建筑的參數(shù)化造型、設(shè)計(jì)，以及部件的生產(chǎn)和加工等工作。雖然與全自動(dòng)加工生產(chǎn)沒有機(jī)械行業(yè)那么緊密，但幾何造型內(nèi)核仍能在很多方面給予建筑領(lǐng)域CAD軟件在設(shè)計(jì)和表達(dá)描述上很大的提升和幫助。

可以說(shuō)沒有三維幾何內(nèi)核，就沒有最近三十年的工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫漠a(chǎn)品，小到手表、圓珠筆、手機(jī)，大到汽車、飛機(jī)、體育場(chǎng)、核電站，都離不開CAD、CAE類軟件，而絕大部分CAD、CAE軟件背后的三維幾何表達(dá)都無(wú)一例外的依靠著三維幾何內(nèi)核。毫不夸張地說(shuō)，人類今天的生活正嚴(yán)重依賴著CAD軟件中的幾何內(nèi)核。幾何內(nèi)核是所有CAD、CAE軟件的最核心技術(shù)之一。

3 國(guó)內(nèi)外主流CAD軟件幾何內(nèi)核應(yīng)用情況[1][3]

如前所述，現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域的CAD、CAE軟件幾乎無(wú)一例外地使用幾何內(nèi)核作為三維的設(shè)計(jì)、表達(dá)、運(yùn)算工具。而現(xiàn)在的幾何內(nèi)核主要分為三大產(chǎn)品。他們分別是達(dá)索系統(tǒng)(Dassault System)旗下的ACIS，西門子工業(yè)仿真(Siemens PLM)旗下的Parasolid，以及Matra Datavision旗下的開源內(nèi)核Open-CASCADE。其中Parasolid和ACIS是性能優(yōu)秀且使用廣泛的商業(yè)內(nèi)核，而OpenCASCADE雖然性能稍遜，但是由于其開源和免費(fèi)，也擁有眾多的用戶。

(1)Parasolid由于開發(fā)較早(1986年始)，且性能最快(大部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用C代碼編寫)，同時(shí)又在后來(lái)被UG、Siemens PLM等大集團(tuán)收購(gòu)，其擁有眾多大型CAD軟件作為用戶，如Solidworks、Autodesk Inventor、UG Solid Edge、Nemetschek VectorWorks、Bentley MicroStation、Tekla、ANSYS 等，這些企業(yè)都是規(guī)模較大，年軟件銷售額在2億美元以上的企業(yè)。

(2)ACIS由于推出的略晚于Parasolid，由幾乎相同的初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行開發(fā)，并進(jìn)行了面向?qū)ο蟮姆庋b，雖然其在速度和效率上有所不及，但是功能性、易用性和售后支持在其2003年被達(dá)索系統(tǒng)收購(gòu)之后都有了很大提升，現(xiàn)今眾多主流的CAD軟件也在使用ACIS作為幾何內(nèi)核，如AutoDesk AutoCAD、Dassault Catia、Pro/E、Solid Modeler、TurboCAD、達(dá)索Abaques、Ansys Fluent、Intergraph 系列產(chǎn)品等。

(3)OpenCASCADE在1999年開源，雖然其在布爾運(yùn)算的速度和穩(wěn)定性上明顯遜色于前兩款商業(yè)幾何內(nèi)核，但仍擁有眾多使用者，如4M Inteli-CAD、Smamtech、Midas Civil(后改用 ACIS)、Any-Works、FreeCAD 等。

類似于80、90年代的機(jī)械加工業(yè)CAD軟件的三維化和參數(shù)化造型化，最近幾年，隨著建筑行業(yè)對(duì)工程規(guī)模、質(zhì)量等方面的需求越來(lái)越高，精確的三維幾何造型、三維表達(dá)、三維部件加工已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用在眾多建筑工程之中，而BIM的概念也類似于當(dāng)年制造業(yè)中PLM(Product Lifecycle Management)概念的推廣和普及，慢慢地在建筑行業(yè)被人們所接受和熟悉。如今建筑領(lǐng)域知名的大型CAD軟件，都無(wú)一例外地使用了幾何內(nèi)核。

據(jù)稱，Autodesk公司由于在2001年前后永久買斷了ACIS的代碼使用權(quán)，其產(chǎn)品AutoCAD，以及后來(lái)收購(gòu)的Revit都使用ACIS作為幾何內(nèi)核，可以高效地進(jìn)行三維幾何形體的參數(shù)化建模和編輯，并能導(dǎo)出擁有拓?fù)湫畔⒑腕w數(shù)據(jù)的“.sat”、“.sab”體模型文件和“.dwg”系列體模型文件。

Bentley的Microstation一直以來(lái)都使用Parasolid作為幾何內(nèi)核，并在此基礎(chǔ)上支持各種三維建模、編輯、運(yùn)算和操作。

Nemetschek的Vectorworks產(chǎn)品通過(guò)使用Parasolid作為幾何內(nèi)核，提高了三維表達(dá)能力和運(yùn)算速度。

Dassault的CATIA軟件也是基于ACIS幾何內(nèi)核的產(chǎn)品，由于其積累了大量大型工業(yè)項(xiàng)目和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)(如大飛機(jī)、核電站等)，最近CATIA也進(jìn)入了建筑BIM市場(chǎng)，并參與了鳥巢、銀河soho、上海中心的一系列項(xiàng)目。這些復(fù)雜形體的設(shè)計(jì)、建模與加工建設(shè)，都離不開其使用的ACIS內(nèi)核。

特別是在結(jié)構(gòu)及仿真領(lǐng)域，通用仿真軟件ANSYS和鋼結(jié)構(gòu)軟件Tekla都使用Parasolid作為幾何內(nèi)核表達(dá)和運(yùn)算工具，這樣不僅能夠很容易地導(dǎo)入其他CAD軟件設(shè)計(jì)的含有三維實(shí)體信息的模型進(jìn)行運(yùn)算，在本軟件進(jìn)行仿真模擬運(yùn)算之后的結(jié)果也可以直接輸出進(jìn)行制造和加工。在建筑部件越來(lái)越多地被工廠化加工和生產(chǎn)的未來(lái)，這幾乎成為BIM或建筑類CAD軟件所必須具備的能力。

與國(guó)際上主流的建筑類CAD和BIM軟件深度使用幾何內(nèi)核形成鮮明對(duì)比的是，國(guó)內(nèi)同行業(yè)的企業(yè)們還處在相對(duì)初級(jí)的階段。除了主要面向機(jī)械制造領(lǐng)域的CAXA使用了Parasolid和ACIS雙內(nèi)核之外，幾何內(nèi)核的使用在國(guó)內(nèi)則主要停留在科研和一些項(xiàng)目層面，很少有國(guó)內(nèi)CAD類軟件直接使用三維幾何內(nèi)核。如一些廠商的產(chǎn)品主要定位是出平面施工圖;以工程預(yù)算和造價(jià)為主要產(chǎn)品的企業(yè)，其造價(jià)和算量軟件產(chǎn)品也是基于二維圖紙信息;國(guó)內(nèi)相當(dāng)數(shù)量的CAD軟件公司更是直接把自己的軟件產(chǎn)品做在AutoCAD或者Revit平臺(tái)之上。從現(xiàn)在的市場(chǎng)和技術(shù)情況分析，國(guó)內(nèi)一些機(jī)械制造領(lǐng)域CAD廠商在開發(fā)和使用幾何內(nèi)核，而建筑領(lǐng)域CAD廠商仍然需要一段時(shí)間來(lái)適應(yīng)建筑類CAD軟件的BIM化和三維化。

4 建筑類CAD軟件，尤其BIM系統(tǒng)對(duì)幾何內(nèi)核的應(yīng)用的特殊需求

BIM的概念是最近幾年建筑及CAD軟件行業(yè)提出的最重要的概念，其影響力和重要程度不亞于二十余年前甩開繪圖板的“無(wú)紙化設(shè)計(jì)”，被稱為又一次建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的革命。由于其所代表的技術(shù)先進(jìn)性和能夠提供巨大的便利和生產(chǎn)力革命，BIM是未來(lái)十年內(nèi)建筑行業(yè)和CAD軟件行業(yè)唯一可以用革命二字形容，且最具商業(yè)價(jià)值的方向和增長(zhǎng)點(diǎn)。最近十年建筑領(lǐng)域最為火熱的概念即BIM，通過(guò)BIM功能的實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)建筑的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、使用維護(hù)的整個(gè)過(guò)程中，各種數(shù)信息、數(shù)據(jù)流和狀態(tài)等，能夠被有效地組織、傳達(dá)和管理起來(lái)。而作為建筑BIM應(yīng)用中最重要的幾個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，如建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、設(shè)備MEP等，都能從對(duì)幾何內(nèi)核的應(yīng)用中得到極大的能力提升和效率提升。以下我們會(huì)一一闡明。

4.1 建筑設(shè)計(jì)專業(yè)對(duì)幾何內(nèi)核的需求

建筑專業(yè)，尤其是建筑設(shè)計(jì)師需要對(duì)建筑的外形和基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，高精度幾何模型、復(fù)雜的曲面建模和曲面表示都是建筑行業(yè)所需要的。同時(shí)建筑行業(yè)對(duì)幾何模型的規(guī)模需求較大，很多建筑設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)都需要能夠顯示出來(lái)，可視化的三維交互編輯對(duì)建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)滿意的建筑是有很大的幫助的。以上的一些實(shí)際應(yīng)用需要BIM產(chǎn)品的圖形平臺(tái)有很強(qiáng)的幾何建模能力(復(fù)雜曲面建模)和大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景運(yùn)算、顯示能力。

同時(shí)，建筑行業(yè)在進(jìn)行建模的過(guò)程中需要涉及到大量的幾何布爾求交運(yùn)算，如在墻上打孔安裝窗戶等類似的建模和編輯過(guò)程中，需要正確的布爾運(yùn)算。同時(shí)，如果涉及到在圓弧或者復(fù)雜曲面上的模型(見圖1)，對(duì)運(yùn)算的效率和正確性都有很大的要求?，F(xiàn)在很多建筑專業(yè)此類功能開發(fā)時(shí)，底層函數(shù)是由專業(yè)人員寫的，算法的深度、廣度都有局限性，如果能使用商業(yè)幾何內(nèi)核，直接調(diào)用其API，能大大提高BIM產(chǎn)品的開發(fā)效率和開發(fā)出軟件產(chǎn)品的功能和穩(wěn)定性。

近幾年為提高設(shè)計(jì)效率而來(lái)的族庫(kù)(Family)也能夠?qū)ㄖO(shè)計(jì)專業(yè)提升工作效率提供非常大的幫助，用有限的功能去實(shí)現(xiàn)用戶無(wú)限的需求，見圖2中各式各樣的凸窗，用參數(shù)描述復(fù)雜且有限。而族庫(kù)概念是建立在參數(shù)化造型設(shè)計(jì)和三維幾何內(nèi)核應(yīng)用的前提之上的，是可以發(fā)揮和擴(kuò)展的。

4.2 設(shè)備專業(yè)(水暖電MEP)對(duì)幾何內(nèi)核的需求

BIM概念的作用在建筑后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段會(huì)更凸顯出來(lái)，運(yùn)營(yíng)階段對(duì)設(shè)備專業(yè)的設(shè)備管理將會(huì)占很大比例，所以設(shè)備專業(yè)模型信息的建立、表達(dá)、描述就變得很重要。

各設(shè)備專業(yè)需要大量的三維模型圖庫(kù)以解放設(shè)計(jì)師，畢竟建筑設(shè)備工程師們不是設(shè)備廠商的設(shè)計(jì)師，直接調(diào)用這些圖庫(kù)或者模型庫(kù)，省去不必要的建模工作，能夠大量節(jié)省他們的工作量和勞動(dòng)量，為BIM軟件用戶提供更高的工作效率。

現(xiàn)在流行的建筑行業(yè)族庫(kù)，主要使用參數(shù)化模型描述，即通過(guò)一個(gè)基礎(chǔ)模型和對(duì)此基礎(chǔ)模型的一系列參數(shù)化編輯，能夠生成一系列的模型組件。這樣，平臺(tái)軟件內(nèi)不需要存儲(chǔ)大量的幾何建模結(jié)果，同時(shí)又能讓設(shè)計(jì)師用最短的時(shí)間獲得他們想要的部件模型。而對(duì)于族庫(kù)的應(yīng)用，需要三維底層幾何描述有強(qiáng)大的參數(shù)化模型描述和建模能力，以及正確高效的布爾運(yùn)算能力。

同時(shí)，在進(jìn)行設(shè)備布局和建筑設(shè)備設(shè)計(jì)的時(shí)候，尤其是MEP專業(yè)中，會(huì)涉及到布局和管線走線等工作。從技術(shù)角度上需要使用幾何模型的碰撞檢測(cè)和一定的路徑規(guī)劃來(lái)處理此類問題，這也是幾何內(nèi)核與其配套的約束求解器的主要功能之一(見圖3)。

4.3 結(jié)構(gòu)平臺(tái)對(duì)曲面造型、曲面網(wǎng)架構(gòu)造的需求

圖3 幾何約束求解器路徑規(guī)劃和碰撞檢測(cè)功能

作為對(duì)于建筑建造和安全最為重要的領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)計(jì)算是BIM中非常重要，但又非常難于整合實(shí)現(xiàn)的一個(gè)專業(yè)性極強(qiáng)的工作，尤其是結(jié)構(gòu)計(jì)算在有限元網(wǎng)格劃分和模型計(jì)算的時(shí)候有一套自身獨(dú)特的優(yōu)化規(guī)律和規(guī)則。也正是由于這些特殊性，導(dǎo)致至今為止的BIM系統(tǒng)都不能把結(jié)構(gòu)計(jì)算性能做到最極致。

作為結(jié)構(gòu)領(lǐng)域知名軟件之一，MIDAS在模型數(shù)據(jù)模型讀取和轉(zhuǎn)換上購(gòu)買了Dassault Spatial的InterOP產(chǎn)品，可以處理和轉(zhuǎn)換各種國(guó)際上處理的結(jié)構(gòu)計(jì)算文件格式。同時(shí)，其幾何內(nèi)核使用了OpenCASCADE進(jìn)行三維幾何建模描述工作(后改用ACIS)，能夠進(jìn)行一定的曲面造型，建造曲面網(wǎng)架，并進(jìn)行布爾運(yùn)算。相應(yīng)地，鋼結(jié)構(gòu)的Tekla使用了Parasolid作為幾何內(nèi)核。

未來(lái)平臺(tái)需要有一定的曲面造型能力，才能構(gòu)造曲面網(wǎng)架，并進(jìn)行曲面網(wǎng)架的構(gòu)建運(yùn)算等，同時(shí)對(duì)更為復(fù)雜的建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬和運(yùn)算。

同時(shí)，對(duì)于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型，BIM產(chǎn)品需要足夠的幾何曲面造型能力和表達(dá)能力，才能生成真正符合復(fù)雜建筑物結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型，而這對(duì)幾何內(nèi)核的性能提出了較高的要求(見圖4)。

4.4 BIM中通用數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)幾何內(nèi)核的需求

同一套BIM系統(tǒng)之下，數(shù)據(jù)平臺(tái)需要在各個(gè)專業(yè)之間傳輸數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)一的管理，需要統(tǒng)一的幾何表達(dá)和描述格式。同時(shí)，由于BIM產(chǎn)品系統(tǒng)平臺(tái)開放性的需求，需要未來(lái)在用戶處(主要是各個(gè)設(shè)計(jì)單位)需要能夠讀入各廠商軟件格式的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，如 SAT、DGN、DWG、JT、IGES、CATIA(V5/V6)、X_T、STEP等，而這些格式的文件中有可能含有復(fù)雜曲面建模的和CSG體表達(dá)的數(shù)據(jù)等。

圖4 復(fù)雜三位結(jié)構(gòu)表達(dá)需求示意圖

為能夠讀取和處理這些國(guó)際上通用的CAD標(biāo)準(zhǔn)文件，BIM產(chǎn)品需要有足夠的幾何描述表達(dá)能力讀取和處理B-rep幾何表達(dá)的文件，并需要讓經(jīng)過(guò)其處理的結(jié)果能夠存儲(chǔ)成為這些國(guó)際上主要流形文件格式，以便在各種用戶處達(dá)到很好地兼容性。只有擁有幾何內(nèi)核作為三維描述、處理和運(yùn)算的基礎(chǔ)，能夠兼容各種三維數(shù)據(jù)格式，BIM系統(tǒng)才不是一個(gè)孤立的封閉系統(tǒng)，便于用戶的使用擴(kuò)展以及與各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件兼容。

通過(guò)以上幾點(diǎn)分析不難看出，未來(lái)的BIM系統(tǒng)對(duì)于建筑領(lǐng)域各個(gè)專業(yè)的應(yīng)用都需要通過(guò)幾何內(nèi)核的支持才能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，BIM所需要的可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、模擬性、可出圖性這五大基本特征，其中除了模擬性和可出圖性在之前數(shù)十年的CAD行業(yè)軟件中有大量的積累(也是前一代“無(wú)紙化”革命的成果)。其它如可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性是BIM技術(shù)革命的主要新技術(shù)點(diǎn)大都需要依賴于三維幾何內(nèi)核才能夠?qū)崿F(xiàn)。

同時(shí)，作為與機(jī)械制造業(yè)區(qū)別最大的一點(diǎn)，BIM系統(tǒng)需要處理大規(guī)模海量的模型數(shù)據(jù)，對(duì)于大型建筑或規(guī)劃建筑群，往往需要在一個(gè)場(chǎng)景中同時(shí)處理幾十萬(wàn)甚至是上百萬(wàn)數(shù)量級(jí)別的構(gòu)件。而這種量級(jí)的數(shù)據(jù)處理和表達(dá)，對(duì)幾何內(nèi)核提出了很高的要求，需要其擁有諸如LOD(Level of Detail)、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)調(diào)度等一系列技術(shù)作為支撐。我們也不難看出最近幾年，原本作為制造業(yè)領(lǐng)域的CAD軟件CATIA，由于其在飛機(jī)制造、核電站及水利設(shè)施設(shè)計(jì)等方面擁有良好的技術(shù)積累，在進(jìn)入建筑領(lǐng)域后取得了一系列大型項(xiàng)目的成功。幾何內(nèi)核的應(yīng)用已經(jīng)成了BIM的一個(gè)必要需求。

5 三種重要幾何內(nèi)核性能實(shí)測(cè)及應(yīng)用評(píng)估

通過(guò)前面部分的研究，我們可以初步了解，在近幾年蓬勃發(fā)展的BIM產(chǎn)品中，不能缺少對(duì)三維幾何內(nèi)核及造型器的使用。尤其是建筑各個(gè)專業(yè)之間的信息描述、表達(dá)和溝通，對(duì)三維幾何內(nèi)核有嚴(yán)重的依賴。但是，使用何種內(nèi)核更適合BIM應(yīng)用，并且能夠很好地支持各種信息的交互和協(xié)同?同時(shí)，如何才能更好地使用這些幾何內(nèi)核?這不僅需要參照主流BIM 軟件如Revit、Micro Station、CATIA等的幾何內(nèi)核使用情況和實(shí)際應(yīng)用效果，更需要在對(duì)各種幾何內(nèi)核實(shí)際開發(fā)和應(yīng)用之后，以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果作為評(píng)估以及應(yīng)用指導(dǎo)。

下面我們結(jié)合實(shí)際開發(fā)工作中的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測(cè)試評(píng)估報(bào)告，對(duì)現(xiàn)今主流的三款幾何內(nèi)核進(jìn)行實(shí)際性能的對(duì)比分析和應(yīng)用研究。

在對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，除了最基本的三維造型能力，如各種拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、放樣等基本的幾何造型操作，以及基本的三位布爾運(yùn)算(交、并、差)之外，我們還會(huì)模擬實(shí)際BIM類軟件在建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)、計(jì)算等應(yīng)用中的實(shí)際對(duì)相對(duì)大體量模型的處理和計(jì)算。同時(shí)，也會(huì)對(duì)于設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、場(chǎng)景瀏覽等經(jīng)常用到的剖切、可見性判斷、隱藏線剔除等應(yīng)用進(jìn)行一系列的用例進(jìn)行測(cè)試。最后，作為BIM軟件開發(fā)的基本構(gòu)成和工具，我們會(huì)測(cè)試各款幾何內(nèi)核的易用性、可調(diào)試性、穩(wěn)定性、技術(shù)支持力度等對(duì)于軟件開發(fā)非常重要的產(chǎn)品特性。測(cè)試評(píng)估項(xiàng)目列表如下:

測(cè)試評(píng)估項(xiàng)目1:復(fù)雜幾何形體造型(測(cè)試復(fù)雜幾何造型能力);

測(cè)試評(píng)估項(xiàng)目2:齒輪形狀實(shí)體造型(測(cè)試幾何造型及布爾運(yùn)算能力);

測(cè)試評(píng)估項(xiàng)目3:簡(jiǎn)單立方體墻體造型運(yùn)算(7塊墻體，簡(jiǎn)單布爾運(yùn)算應(yīng)用);

測(cè)試評(píng)估項(xiàng)目4:雙體結(jié)構(gòu)主樓簡(jiǎn)易模型建模及繪制(較大規(guī)模建模應(yīng)用);

測(cè)試評(píng)估項(xiàng)目5:雙體結(jié)構(gòu)主樓建議模型隱藏線計(jì)算和剔除(較大規(guī)模建模及布爾運(yùn)算應(yīng)用);

測(cè)試評(píng)估項(xiàng)目6:系統(tǒng)整合及應(yīng)用測(cè)試(實(shí)際測(cè)試應(yīng)用)。

與測(cè)試同時(shí)，我們將三款幾何內(nèi)核封裝并實(shí)現(xiàn)到我們的BIM系統(tǒng)之中，通過(guò)各專業(yè)實(shí)際使用和反饋，來(lái)評(píng)價(jià)應(yīng)用中幾何內(nèi)核的表現(xiàn)情況。

5.1 部分實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

三款幾何內(nèi)核都能進(jìn)行復(fù)雜的三維實(shí)體建模，同時(shí)支持拉伸、掃掠、旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱、圓角等功能，支持Nurbs等復(fù)雜曲線、曲面描述表達(dá)，以及各種布爾運(yùn)算，見圖5。

各內(nèi)核都可以建立復(fù)雜三維實(shí)體組合并進(jìn)行布爾運(yùn)算及可見線消隱和剔除，圖6是“測(cè)試評(píng)估項(xiàng)目2”的用例圖。

各內(nèi)核都可以順利進(jìn)行雙體主樓模型建模并進(jìn)行部分布爾并運(yùn)算，圖7是“測(cè)試評(píng)估項(xiàng)目4”的用例圖。

各幾何內(nèi)核都可以進(jìn)行可見性計(jì)算和隱藏線剔除，圖8是“測(cè)試評(píng)估項(xiàng)目5”的用例圖，但是對(duì)于過(guò)于復(fù)雜的模型Parasolid不能正確計(jì)算隱藏線。

5.2 應(yīng)用及評(píng)估結(jié)論

5.2.1 Parasolid

作為底層大部分使用面向過(guò)程C風(fēng)格代碼實(shí)現(xiàn)的幾何內(nèi)核，同時(shí)擁有內(nèi)部原生支持多線程，Parasolid擁有最快速的幾何造型和布爾運(yùn)算速度。平均要比ACIS快一倍左右，在某些布爾運(yùn)算甚至要比Open-CASCADE快兩個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，由于其擁有MicroStation、VectorWorks、SolidWorks 等一系列影響力很大的建筑及工業(yè)CAD軟件作為客戶將其應(yīng)用，以及其母公司Siemens PLM對(duì)營(yíng)銷的重視，Parasolid無(wú)論是性能還是影響力，都是作為BIM軟件開發(fā)時(shí)候幾何內(nèi)核的首選，即使其在某些方面，如易用性、封裝安全性、本土售后支持等方面存在一些不足。

但是由于其價(jià)格較高、用戶較少，在國(guó)內(nèi)使用Parasolid開發(fā)軟件的用戶屈指可數(shù)。只有擁有一定實(shí)力的企業(yè)才建議使用。

5.2.2 ACIS

作為晚于Parasolid一段時(shí)間推出的ACIS內(nèi)核，由于其采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)封裝，因此，在安全性和易用性上都優(yōu)于Parasolid。同時(shí)，在Dassault旗下營(yíng)銷策略的支撐之下，ACIS在中國(guó)本土有相應(yīng)的產(chǎn)品經(jīng)理和客戶經(jīng)理進(jìn)行銷售和技術(shù)支持，每年還會(huì)定期推出技術(shù)更新，以便滿足客戶隨時(shí)可能變化的需求。同時(shí)，主流的CAD軟件及BIM軟件如Pro/E、AutoCAD、Revit、CATIA 等其內(nèi)核有很大一部分使用的是ACIS內(nèi)核，其行業(yè)影響力也不可小覷，作為國(guó)內(nèi)用戶數(shù)量最多的建筑繪圖軟件，AutoCAD使用ACIS作為三維內(nèi)核進(jìn)行三維體建模和表達(dá)，圖9是AutoCAD平臺(tái)顯示的模型。

由于使用ACIS作為內(nèi)核的軟件有很多是大眾化的CAD軟件，有相當(dāng)多的用戶數(shù)量，在加上Dassault國(guó)內(nèi)銷售人員的努力推廣，ACIS在國(guó)內(nèi)軟件開發(fā)行業(yè)擁有一定數(shù)量的用戶群和影響力，用戶數(shù)目要多于Parasolid。

5.2.3 OpenCASCADE

作為三款內(nèi)核中唯一一款開源并免費(fèi)的幾何內(nèi)核，OpenCASCADE的確在布爾運(yùn)算、技術(shù)支持等一系列性能和產(chǎn)品特性上落后于前面兩款商業(yè)內(nèi)核。但是正是由于其開源和免費(fèi)的緣故，在高校和科研領(lǐng)域以及中小企業(yè)中間有相當(dāng)大的影響力。為節(jié)省開發(fā)成本，眾多中小企業(yè)都選擇使用Open-CASCADE作為底層幾何內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，并整合到他們的產(chǎn)品和系統(tǒng)中。

但是，作為非商業(yè)內(nèi)核，OpenCASCADE在性能、效率、穩(wěn)定性上的劣勢(shì)，在軟件規(guī)模逐漸加大的時(shí)候會(huì)嚴(yán)重影響軟件品質(zhì)和性能，因此，對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)有嚴(yán)格要求的企業(yè)會(huì)更加傾向于Parasolid或者ACIS這類商業(yè)內(nèi)核。僅建議初次接觸三維幾何內(nèi)核的中小企業(yè)使用OpenCASCADE作為內(nèi)核進(jìn)行開發(fā)，并在軟件構(gòu)架及接口設(shè)計(jì)時(shí)保留未來(lái)轉(zhuǎn)換到Parasolid或ACIS內(nèi)核的可能。

6 結(jié)論

從本文的分析中不難看出，雖然大部分CAD、CAE軟件的實(shí)際使用者——設(shè)計(jì)師和工程師并沒有關(guān)注，但實(shí)際上，現(xiàn)今任何一款成功的商業(yè)CAD、CAE軟件，無(wú)論機(jī)械制造業(yè)CAD軟件還是建筑領(lǐng)域的BIM軟件，都離不開幾何內(nèi)核的應(yīng)用和支持，無(wú)論是使用 Parasolid，還是 ACIS，或是 OpenCASCADE作為三維幾何內(nèi)核和造型器。使用三維幾何內(nèi)核已經(jīng)成為CAD軟件成功的必備條件。

未來(lái)若干年必將繼續(xù)蓬勃發(fā)展的BIM，也因其自身對(duì)于三維圖形顯示、協(xié)調(diào)、模擬等方面的技術(shù)需求，將會(huì)更加依賴以幾何內(nèi)核為代表的底層核心技術(shù)。無(wú)論是自主開發(fā)還是通過(guò)購(gòu)買商業(yè)授權(quán)庫(kù)，都需要大量持久的人員和研發(fā)工作投入，才能做好BIM軟件底層基礎(chǔ)，以支撐起上層的應(yīng)用。希望通過(guò)本文的研究結(jié)果和應(yīng)用指導(dǎo)，能夠幫助BIM軟件廠商選擇適合的底層技術(shù)和產(chǎn)品組建，開發(fā)出性能更好的BIM類軟件產(chǎn)品。

[1]百度文庫(kù).ACIS內(nèi)核和parasolid內(nèi)核的來(lái)龍去脈與比較，http://wenku.baidu.com/

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