重慶建筑業(yè)和重慶3D動畫建模技術(shù)
1.3D建模內(nèi)核
既然BIM是以3D數(shù)字模型為信息載體，那么從理論上說，優(yōu)秀的BIM設(shè)計軟件就應(yīng)當(dāng)具備精準(zhǔn)的3D建模能力，這好像是一項合理的要求。然而令人驚訝的是，事實并非如此，幾乎所有的傳統(tǒng)BIM軟件都不具備這樣的能力。為什么這么說呢？我們需要先介紹一點計算機圖形學(xué)的基本知識：
在計算機軟件里，描述3D幾何的算法可以分為兩大類：網(wǎng)格建模和曲面建模。前者是用網(wǎng)格單元（包括三角形、四邊形、多邊形等）去擬合幾何形體，后者是用數(shù)學(xué)語言去精確描述各種曲面形體。（可以類比于2D的光柵圖和矢量圖，這兩個概念不清楚的請自行百度，不解釋了。）兩類算法在本質(zhì)上截然不同，在實戰(zhàn)中各有優(yōu)劣。
網(wǎng)格建模的優(yōu)勢是算法簡單、計算速度快，而缺點是不夠精確，因此常用于對計算速度要求較高、而精確性要求不高的場合，尤其是各種視覺渲染、影視特效、電腦游戲等。重慶3D動畫公司在這些場合中，網(wǎng)格建模的一大優(yōu)勢是可以通過合并三角形來減少其數(shù)量，從而提高計算性能（三角形越少則精度越低、速度越快）。游戲玩家們往往對這一點深有體會——早期3D電腦游戲中的人物造型經(jīng)常可以看出明顯的三角面片，而隨著電腦性能的改善，新的游戲中這種現(xiàn)象已經(jīng)基本消失。
在BIM領(lǐng)域，很多所謂的“模型輕量化”軟件實質(zhì)上都是把模型轉(zhuǎn)為，然后通過減少三角形數(shù)量來壓縮模型。這種做法對提高顯示速度是有效的，但代價是模型精度的降低，因此輕量化之后的模型只能用于可視化，而不能用于工程建造。同時，在土木工程中，網(wǎng)格建模的另一個重要應(yīng)用場合是數(shù)字地形模型，因為地形模型的特點恰恰是數(shù)據(jù)量巨大而精確性要求較低，因此幾乎所有的數(shù)字地形處理軟件都會使用網(wǎng)格算法來表達地形模型。
由于網(wǎng)格建模的精確性差，追求精確的工程軟件（尤其是在制造業(yè)）不會用它來描述設(shè)計對象，而是使用曲面建模。然而，如果僅僅是用數(shù)學(xué)語言描述立方體、圓柱體這樣的規(guī)則形體那還好說，如果要用數(shù)學(xué)語言描述汽車、飛機的外形，就不是一般人可以輕松做到的了。在工程領(lǐng)域，描述這類自由曲面的公認(rèn)最佳方式是NURBS算法（NURBS=非均勻有理化樣條曲面），它使用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述曲面，因此無論如何放大都能保持精確和連續(xù)，這是網(wǎng)格建模無法實現(xiàn)的。當(dāng)然，除了NURBS之外也有其它的數(shù)學(xué)算法（例如Hermite），但都不如NURBS出色，因此在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）頒布的工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（STEP）中把NURBS作為定義工業(yè)產(chǎn)品幾何形狀的唯一數(shù)學(xué)方法。
3D軟件的建模引擎就好比電腦里的CPU，是其最關(guān)鍵的核心。然而，3D建模引擎的開發(fā)需要相當(dāng)高超的數(shù)學(xué)功底，并非所有軟件公司都能做到這一點。有些軟件公司可以自己開發(fā)建模引擎，還有一些軟件公司采用別人的建模引擎來搭建自己的設(shè)計軟件。如果一個3D軟件的建模引擎能力不足，這是用戶再怎么努力也很難彌補的。
圖1：某BIM軟件的建模
我們舉一個簡單的例子：在某重慶影視公司的軟件中分別創(chuàng)建一個半徑為1的球體和一個圓柱體（見圖1），可以很明顯看到這個球體不是光滑的，而是似乎由多個面片拼接起來，而圓柱體就沒有出現(xiàn)這樣的問題。這是因為該軟件的內(nèi)核支持圓柱面而不支持球面，更不要說NURBS曲面了。因此，這樣的軟件無法用于復(fù)雜曲面的精確設(shè)計，也不適于大部分預(yù)制構(gòu)件的數(shù)字化加工。與之相比，CATIA軟件擁有強大的NURBS建模技術(shù)，因而常常被用于帶有復(fù)雜曲面的異形建筑。
圖2：CATIA軟件創(chuàng)建的建
2.土木工程的3D建模
土木工程軟件對數(shù)學(xué)算法的要求遠比建筑軟件更高。一方面是因為土木工程（例如鐵路、大壩、隧道）中存在更多的曲線/曲面，更重要的是，土木工程師經(jīng)常要跟地形打交道，因此就需要處理設(shè)計模型和地形模型之間的交互。無論是場地平整、大壩開挖、道路邊坡、隧道洞口，都涉及到邊坡計算問題，其本質(zhì)是要在人工設(shè)計的幾何實體與自然地形之間進行布爾運算。從土木工程師的角度來看，這一需求是非常簡單清晰的，但對軟件工程師來說，這卻是一個超級難題，因為設(shè)計模型（幾何曲面）和地形模型（大型網(wǎng)格面）分別是用兩類不同的建模機制描述的。
在很多土木工程設(shè)計軟件中，由于無法處理這個混合運算問題，被迫采取簡化方式。它們不是用精確曲面生成道路和放坡，而是用網(wǎng)格面來生成這些設(shè)計模型，從而把邊坡計算問題統(tǒng)一簡化成網(wǎng)格面之間的運算。這種做法的好處是回避了混合運算問題，缺點則是犧牲了設(shè)計的精確性和可靠性。如果是用過這類軟件的人，都可以很直觀看到它所建的道路和邊坡模型不是連續(xù)曲面，而是按指定間距批量創(chuàng)建離散的橫斷面，然后像皮皮蝦般一節(jié)節(jié)連接起來，與真實世界相差甚遠。這樣的模型在變化復(fù)雜之處就容易產(chǎn)生問題，而工程量計算也不夠準(zhǔn)確。同時，用網(wǎng)格模型要完成隧道洞口這樣的設(shè)計就更為困難。
例如，下圖左側(cè)是某3D軟件建立的道路模型，右側(cè)是CATIA Civil Engineering建立的道路模型?？梢郧逦目闯鰞煞N軟件的建模方式不同，效果也有很大差異。
3.CATIA軟件的建模技術(shù)
當(dāng)我們了解了各種3D建模技術(shù)的優(yōu)劣之后，才能更清晰的理解達索系統(tǒng)CATIA軟件的優(yōu)勢所在。它具備業(yè)界最高端的3D建模引擎，并且是完全自主開發(fā)的。與其它軟件相比，CATIA在3D技術(shù)上的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)CATIA支持精確的NURBS曲線和曲面建模，因此無論尺寸比例如何，都可以獲得精確、連續(xù)的幾何信息。
(2)有了精確的空間曲線，就可以將其作為骨架線進行參數(shù)化建模。例如下圖中，每個構(gòu)件單元都使用同一條骨架線進行定位；一旦調(diào)整骨架線，所有相關(guān)的構(gòu)件都隨之自動更新。
圖3：CATIA中基于骨架線的參數(shù)化建模
(3)在面向土木工程行業(yè)的CATIA Civil Engineering最新版本中，既能以NURBS曲面生成設(shè)計對象，也能以網(wǎng)格面生成數(shù)字地形模型。更重要的是，CATIA通過強大的數(shù)學(xué)功底實現(xiàn)了曲面建模和網(wǎng)格建模之間的混合運算，從根本上解決了邊坡計算問題。在CATIA Civil Engineering中，我們不僅可以創(chuàng)建連續(xù)光滑的3D道路中心線，還可以創(chuàng)建同樣連續(xù)光滑的曲面作為重慶3D動畫制作的道路路面和邊坡，然后通過布爾運算求出邊坡與地形之間的交界，以及土方挖填體積。這樣一來，設(shè)計的質(zhì)量更高，工程量也更加準(zhǔn)確?；旌辖＜夹g(shù)的面世，給土木工程的3D數(shù)字化設(shè)計提供了更加廣闊的空間。
4.總結(jié)
本文重點討論了3D內(nèi)核問題。傳統(tǒng)BIM軟件主要是面向常規(guī)建筑，解決出圖而不是制造問題，因此往往使用相對簡單的算法，創(chuàng)建簡化的3D模型——這對于傳統(tǒng)BIM應(yīng)用或許就足夠了。但對于面向數(shù)字孿生的軟件來說，其目標(biāo)是為現(xiàn)實世界中的物體創(chuàng)建精準(zhǔn)可靠的數(shù)字孿生，因此必須具備更加強大的3D內(nèi)核。建筑業(yè)的用戶或許也有必要思考：自己的目標(biāo)是用軟件完成傳統(tǒng)的工作任務(wù)，還是為了迎接建筑工業(yè)化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型？然后再根據(jù)自己的目標(biāo)選擇具有合適內(nèi)核能力的3D軟件。
