大型鋼結(jié)構(gòu)的快速建模方法申躍杰;趙正旭淳B陽(yáng);溫晉杰;左宗成;徐博賢【摘要】虛擬仿真在大型鋼結(jié)構(gòu)的吊裝安裝以及科普展示中已成為一種趨勢(shì)，建模是虛擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)之一.基于3dsMax和AutoCAD,提出一種快速建模方法，提高建模效率.首先利用已有的測(cè)繪信息，以鋼結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);然后利用AutoCAD在處理批量坐標(biāo)點(diǎn)方面的優(yōu)勢(shì),將離散的坐標(biāo)點(diǎn)連接成線;最后在3dsMax中將線生成面.并成功將該方法應(yīng)用于我國(guó)〃五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST（中國(guó)天眼廣的建模工程,驗(yàn)證方法的有效性.【期刊名稱】《現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版）》【年（卷），期】2018（000）036【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)（P80-84,89）【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu);建模;三維坐標(biāo);貼圖【作者】申躍杰;趙正旭;郭陽(yáng);溫晉杰;左宗成;徐博賢【作者單位】石家莊鐵道大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所，石家莊050043;石家莊鐵道大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所石家莊050043;石家莊鐵道大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所石家莊050043;石家莊鐵道大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所石家莊050043;石家莊鐵道大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所石家莊050043;石家莊鐵道大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所，石家莊050043【正文語(yǔ)種】中文0引言一是隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)越來(lái)越多，規(guī)模也越來(lái)越大；二是由于鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重輕、塑性和韌性好；三是鋼結(jié)構(gòu)部件之間一般采用焊縫、螺栓或鉚釘連接，施工方便，裝配化程度高，施工周期短；四是由于鋼材的可重復(fù)利用，大大減少了建筑垃圾，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑是貫徹落實(shí)綠色低碳環(huán)保要求，提高建筑工業(yè)化水平的重要途徑，同時(shí)又可以緩解國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩的現(xiàn)狀。包括但不限于以上原因，國(guó)內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。深圳信興廣場(chǎng)、沈陽(yáng)博覽中心、廣州白云機(jī)場(chǎng)、上海新博覽中心、上海南站、南京奧體中心、國(guó)家體育場(chǎng)（鳥巢）和五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST（中國(guó)天眼）等都是國(guó)內(nèi)具有代表性的鋼結(jié)構(gòu)建筑。目前鋼結(jié)構(gòu)建筑在層級(jí)高、規(guī)模大的建筑上的運(yùn)用日益成熟，尤其是在大型廠房和場(chǎng)館等領(lǐng)域逐漸成為主流的建筑工藝，是未來(lái)建筑的發(fā)展方向。大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)在迅速發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)一些新問(wèn)題。一是在施工過(guò)程中，大型鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程一般都是高空作業(yè)，危險(xiǎn)系數(shù)要高于普通的混凝土建筑，事故時(shí)有發(fā)生，其中吊裝過(guò)程事故率尤為突出［1］。如某超長(zhǎng)懸挑結(jié)構(gòu)整體變形不滿足規(guī)范要求而導(dǎo)致的施工事故［2］、某紅木制品公司的廠房因柱腳錨栓失穩(wěn)而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)倒塌事故［3］、某重型工業(yè)廠房因格構(gòu)柱未全部拉結(jié)加固到位導(dǎo)致主廠房結(jié)構(gòu)倒塌事故［4］。二是在大型鋼結(jié)構(gòu)建成之后，如何向夕卜界推廣宣傳以及科普教育的問(wèn)題。以中國(guó)天眼為例，天眼是于2016年建成的屬大型鋼結(jié)構(gòu)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩函的喀斯特洼坑中，交通不便導(dǎo)致大眾只能通過(guò)新聞報(bào)道來(lái)了解天眼。即使大眾可以到天眼所在地現(xiàn)場(chǎng)觀摩，身置一個(gè)500米口徑的龐大物體之中，也只能窺其一角，并不能了解天眼的全部構(gòu)造。如何將天眼通過(guò)索網(wǎng)調(diào)整反射面單元，形成300米口徑拋物面的這一過(guò)程真實(shí)客觀地展示給大眾也是問(wèn)題之一。傳統(tǒng)的圖片以及視頻并不能詳細(xì)介紹天眼的構(gòu)造以及工作原理。而三維虛擬仿真技術(shù)可以做到，可以通過(guò)該技術(shù)將整個(gè)天眼的構(gòu)造以及工作時(shí)的狀態(tài)仿真，以此將深山之中的天眼向大眾科普［5］。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已成功應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域。而在虛擬仿真的過(guò)程中，建模是重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有建模方法主要包括程序生成和借助建模工具建模兩種。其中程序生成建模需要建模人員掌握OpenGL等圖形語(yǔ)言的編寫，對(duì)建模人員的編程能力要求高。而從事鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)人員一般更注重AutoCAD.3dsMax等軟件的使用，而非程序編寫。因此在大型鋼結(jié)構(gòu)的建模過(guò)程中，此方法的局限性更加明顯［6］。從而選用建模工具來(lái)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。但并非單獨(dú)選擇一種工具，而是選擇多種建模工具，利用建模工具各自的優(yōu)勢(shì)，來(lái)提高建模效率。針對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)，建立一套快速的建模方法，無(wú)論是在前期的施工過(guò)程還是后期的宣傳推廣過(guò)程，都可以縮短工期，降低成本。本文提出一種以鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后以點(diǎn)成線，以線成面，最終生成模型的快速方法。并以天眼為研究對(duì)象，利用AutoCAD和3dsMax，運(yùn)用該方法對(duì)天眼進(jìn)行建模，驗(yàn)證了其有效性。1數(shù)據(jù)預(yù)處理1.1數(shù)據(jù)收集鋼結(jié)構(gòu)主要是由鋼柱、梁鋼和鋼桁架等鋼構(gòu)件連接而成。構(gòu)件之間主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)焊接，梁鋼與梁鋼之間又可搭置鋼板。所以節(jié)點(diǎn)可以看作是建造鋼結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)。選取空間一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，選坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)以方便表示鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為原則。以中國(guó)天眼為例，選取天眼底端的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，可以方便地利用柱面坐標(biāo)系來(lái)表示天眼中的其他節(jié)點(diǎn)。又因天眼形似球冠，本身具有對(duì)稱性，節(jié)點(diǎn)之間有規(guī)律可循，因此可以利用Excel等工具簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程。在構(gòu)建天眼模型的過(guò)程中，將天眼主要分為四部分［7］:饋源倉(cāng)和支撐塔、反射面、圈梁和附近地形。饋源倉(cāng)和支撐塔可以作為獨(dú)立物體進(jìn)行精細(xì)建模，本文將不再螯述。附近地形可以通過(guò)DEM數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)來(lái)生成。下面將具體介紹圈梁和反射面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集處理過(guò)程。（1）確定節(jié)點(diǎn)編號(hào)規(guī)則節(jié)點(diǎn)編號(hào)規(guī)則為：圈梁節(jié)點(diǎn)編號(hào)時(shí)是由上往下、由里向外、逆時(shí)針編號(hào)；反射面節(jié)點(diǎn)編號(hào)時(shí)是由上往下、由外向里、逆時(shí)針編號(hào)。首先確定編號(hào)規(guī)則，是為了以后數(shù)據(jù)的規(guī)范處理［8］。如果在驗(yàn)證數(shù)據(jù)階段，數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，可以根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果快速鎖定數(shù)據(jù)出錯(cuò)的位置。（2）圈梁節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集圈梁結(jié)構(gòu)分為上下兩層，共有2400個(gè)節(jié)點(diǎn)。第一層共有三圈，1500個(gè)節(jié)點(diǎn)，由內(nèi)而外分別為第一圈、第二圈和第三圈。第一圈包含600個(gè)節(jié)點(diǎn)，為其編號(hào)1-600；第二圈包含300個(gè)節(jié)點(diǎn)，為其編號(hào)601-900；第三圈包含600個(gè)節(jié)點(diǎn)，為其編號(hào)901-1500。圈梁第二層也分三圈，與第一層不同的是，第二層的每一圈均只有300個(gè)節(jié)點(diǎn)，為其編號(hào)1501-2400。（3）反射面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集反射面結(jié)構(gòu)共有1957個(gè)節(jié)點(diǎn)，27層。如圖1所示。圖1反射面節(jié)點(diǎn)部分層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及節(jié)點(diǎn)編號(hào)如表1所示。以此類推，將反射面1957個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)。表1節(jié)點(diǎn)編號(hào)規(guī)則？（4）邊關(guān)系數(shù)據(jù)的收集鋼柱和梁鋼是鋼結(jié)構(gòu)的主要組成部分，兩者可以看作是連接節(jié)點(diǎn)的邊。節(jié)點(diǎn)之間有無(wú)邊關(guān)系即可表示節(jié)點(diǎn)之間有無(wú)鋼柱這類構(gòu)件。以1代表有連接，以0代表無(wú)連接。與收集節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息相似，邊關(guān)系的信息也有規(guī)律可循。部分邊關(guān)系整理如表2所示。表2邊關(guān)系？由于圈梁和反射面結(jié)構(gòu)本身具有重復(fù)性、對(duì)稱性、有規(guī)律性，因此可以利用Excel的函數(shù)功能來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的處理過(guò)程。以天眼圈梁為例，經(jīng)實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)天眼圈梁是由一個(gè)基礎(chǔ)單元組成，其他部分可以看成該單元的復(fù)制。只要收集一個(gè)單元的數(shù)據(jù)，其他部分均可以按照一定規(guī)律（如圈梁節(jié)點(diǎn)之間的弧度相等）進(jìn)行處理。1.2數(shù)據(jù)驗(yàn)證如果在建模過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，然后再重新整理數(shù)據(jù)，重新建模，將會(huì)是一個(gè)耗時(shí)耗力的過(guò)程。所以本方法提出在建模之前對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。利用MATLAB軟件在數(shù)值分析、矩陣計(jì)算和科學(xué)數(shù)據(jù)可視化方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)所有節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行處理，生成模型的架構(gòu)。根據(jù)生成圖來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)誤。如果數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，在這個(gè)階段就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，避免工作后期人力物力的浪費(fèi)。（1）節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換首先在Excel中利用其自帶的函數(shù)功能將節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的表示方式由柱面坐標(biāo)系改為笛卡爾直角坐標(biāo)系。將三維的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)改為多個(gè)二維坐標(biāo)，便于驗(yàn)證。下面以x、y方向?yàn)槔齺?lái)說(shuō)明。轉(zhuǎn)換公式如下：公式（1）和（2）分別是x，y方向的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，其中H2為每一層節(jié)點(diǎn)所在圓的半徑，D2為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與前面所有層節(jié)點(diǎn)數(shù)的差，E2為該層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。當(dāng)所有參數(shù)確定之后，分別在兩列進(jìn)行上述函數(shù)的輸入，然后雙擊單元格右下角小十字，根據(jù)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)完成公式的復(fù)制，從而達(dá)到節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換的目的。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，故不一列出，反射面第二層節(jié)點(diǎn)的部分坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果如表3所示。表3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果？（2）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的直角坐標(biāo)系生成之后，將fastpoint文件（包含節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息）和fastedge文件（包含節(jié)點(diǎn)邊關(guān)系信息）導(dǎo)入MATLAB，使用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)正確性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證過(guò)程如下：第一步：構(gòu)建鄰接矩陣：rowMax=max（data（:，1））;columnMax=max（data（:，2））;maxValue=max（rowMax，columnMax）;result=zeros（maxValue，maxValue）;forrow=1:length（data（:，1））result（data（row，1），data（row，2））=data（row，3）;result（data（row，2），data（row，1））=data（row，3）;end第二步：構(gòu)建坐標(biāo)矩陣：point=[data1（:，2），data1（:，3）]第三步：做圖仿真：gplot（result，point）第四步：生成圖無(wú)誤之后，確保數(shù)據(jù)無(wú)誤。其中max、zeros、gplot均是MATLAB中的函數(shù)指令，max用來(lái)求最值，zeros用來(lái)生成矩陣，gplot用來(lái)對(duì)表示鄰接矩陣的節(jié)點(diǎn)和鏈接繪圖。以天眼反射面和圈梁的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為例，生成圖如圖2所示。其中周圍一圈為天眼上下兩層的圈梁，中間為反射面。此處截圖是為了反映驗(yàn)證過(guò)程的整體效果，故犧牲了細(xì)節(jié)方面。由于天眼體型巨大，將整個(gè)模型截圖下來(lái)，會(huì)導(dǎo)致細(xì)節(jié)不清楚。但在實(shí)際操作過(guò)程中，如果通過(guò)整體效果看出某部分存在問(wèn)題，可以放大待操作部分進(jìn)行細(xì)致觀察。圖2反射面和圈梁的驗(yàn)證結(jié)果2結(jié)合AutoCAD和3dsMax進(jìn)行建模利用AutoCAD可以批量處理節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的優(yōu)勢(shì)，將天眼所有的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步加工,生成簡(jiǎn)單模型。然后將經(jīng)過(guò)加工的初步模型導(dǎo)入到3dsMax中，進(jìn)行精細(xì)建模和渲染等一系列操作。CAD處理節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)首先需要將Excel中節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)整合到一處，整合命令為：=B2&"，"&C2&"，"&D2，其中B2、C2和D2分別為x、y和z所在單元格，可根據(jù)數(shù)據(jù)所在位置調(diào)整。在AutoCAD中利用3DPOLY命令操作節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)生成閉合曲線。為便于管理，每層節(jié)點(diǎn)單獨(dú)生成閉合曲線。每?jī)蓪庸?jié)點(diǎn)作為一組，也就是每組兩條閉合曲線，最終效果如圖3所示。圖中效果看似是兩個(gè)圓，其實(shí)是由線段拼接而成，并非圓形，放大之后可以看出。線段的端點(diǎn)即是節(jié)點(diǎn)，該曲線中包含節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息。最后保存為dwg格式以便導(dǎo)入3dsMax中進(jìn)行下一步操作。圖3閉合曲線圖3文件dsMax導(dǎo)入dwg在3dsMax中導(dǎo)入前期生成的dwg文件，基于計(jì)算機(jī)性能考慮，每次導(dǎo)入一組閉合曲線。選中點(diǎn)層級(jí)，焊接，轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，然后全選連接，如果線連接無(wú)規(guī)律時(shí)，需手動(dòng)連接，依次對(duì)多邊形分離。分離完成之后，將其打組便于后期管理。該操作是將帶有節(jié)點(diǎn)信息的線生成面片，主要依靠的是3dsMax的自動(dòng)處理功能，無(wú)需過(guò)多人工操作。共27個(gè)這樣的組，也就是共27層面片，全部完成之后，依次添加到3dsMax中，最終結(jié)果的三視圖如圖4所示。圖4反射面的整體效果圖2.3模型貼圖及渲染天眼的反射面是由4450個(gè)反射單元組成，每個(gè)反射單元都能通過(guò)索網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。每一個(gè)反射單元在模型上可以看做一個(gè)面片，而每一個(gè)面片都可以單獨(dú)拿出來(lái)進(jìn)行操作。如果不為每個(gè)面片貼上能代表其形狀的貼圖，渲染之后，天眼的反射面就成為一個(gè)整體的球冠，不能真實(shí)反映天眼反射面的情況。而面片種類多，數(shù)量大，如果單獨(dú)為每一個(gè)面片貼圖，4450個(gè)面片就要4450次操作，工作量巨大?？梢岳?dsMax自帶功能，批量為其生成貼圖，過(guò)程如下：選中天眼反射面的所有面片（即每個(gè)多邊形），進(jìn)行塌陷，將4450個(gè)面片暫時(shí)整合成一個(gè)對(duì)象。熔合閾值為0.01的節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行焊接。在該過(guò)程中，如果計(jì)算機(jī)性能（尤其是顯卡性能）較低，一次性處理所有面片會(huì)出現(xiàn)模型顯示不全的問(wèn)題。可以考慮將整個(gè)反射面分割成幾大部分進(jìn)行批量處理。相比于整體處理，會(huì)多幾次重復(fù)操作，但卻可以解決因計(jì)算機(jī)性能而帶來(lái)的不便。在修改器列表中選擇uvw展開，進(jìn)行快速平面貼圖。進(jìn)入uv編輯界面，根據(jù)需求對(duì)所有面進(jìn)行松弛，保證每條邊不會(huì)重合或者雜糅在一起。若有必要對(duì)面進(jìn)行縮放，保證整個(gè)對(duì)象在綠色正方形的線框中。渲染uvw模板，保存成*.png格式的圖片。使用Photoshop軟件，編輯上述保存的圖片，在該圖片上進(jìn)行紋理繪制。將圖片中的綠色網(wǎng)格線改為灰色，RGB參數(shù)為5,7，0。賦予材質(zhì)背景，RGB參數(shù)為189，189，189。以JPEG格式保存制作好的紋理貼圖，部分批量貼圖效果如圖5所示。圖5批量生成的部分貼圖選取材質(zhì)球，通過(guò)材質(zhì)設(shè)置面板選擇位圖，將紋理材質(zhì)賦予到材質(zhì)球上，并將材質(zhì)貼到天眼模型上。采用VRay渲染器對(duì)場(chǎng)景中的模型進(jìn)行渲染。采用VRay的優(yōu)勢(shì)為有很多：一是可以與3dsMax無(wú)縫結(jié)合；二是它有廣泛的材料庫(kù)和資源；三是VRay的速度非常適合快速動(dòng)畫；四是現(xiàn)實(shí)世界的材質(zhì)渲染更加真實(shí)，等等［9］。拆分模型，使用3dsMax軟件中自帶的炸開命令，可將大部分多邊形進(jìn)行拆分。每個(gè)多邊形相當(dāng)于天眼中的單個(gè)反射面板，炸開后檢查是否符合反射面板的數(shù)量，若不完整，手動(dòng)對(duì)其分離。經(jīng)過(guò)渲染之后的反射面的模型如圖6所示。圖6渲染之后的反射面2.4整合天眼與附近環(huán)境天眼模型建成之后與附近環(huán)境整合。附近環(huán)境可以通過(guò)該區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)生成三維模型。在該階段用到的軟件包括BIGEMAP、GlobalMapper等軟件。大型鋼結(jié)構(gòu)的建模方法是本文的研究重點(diǎn)，而生成地形的方法又有很多，所以地形的生成過(guò)程將不再螯述。圖7是整合之后的具體效果。3結(jié)語(yǔ)大型鋼結(jié)構(gòu)雖種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)架卻大同小異，都是由鋼柱、梁鋼和鋼桁架等鋼構(gòu)件連接而成。以剛構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)為突破點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再以點(diǎn)擴(kuò)展到線和面，從而完成建模。整個(gè)建模過(guò)程多依賴于軟件的批量處理功能，極大減少了人工操作，提高了建模效率。而該方法需要在建模前期對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)