探索BIM设计软件中的3D建模能力：网格建模与曲面建模的优劣分析

1.3D建模内核

由于BIM使用3D数字模型作为信息载体，因此从理论上讲，出色的BIM设计软件应具有准确的3D建模功能，这似乎是合理的要求。但是，令人惊讶的是，事实并非如此，几乎所有传统的BIM软件都没有这样的功能。你为什么这么说？我们需要介绍计算机图形的一些基本知识：

在计算机软件中，描述3D几何形状的算法可以分为两类：网格建模和表面建模。前者使用网格元素（包括三角形，四边形，多边形等）来拟合几何形状，而后者则使用数学语言准确地描述各种表面形状。（可以将其与2D栅格图和矢量图进行比较。如果您不知道这两个概念，请单独使用Baidu，并且不会解释它们。）两种类型的算法本质上是完全不同的，并且每种算法在实际战斗中都有其自己的优势和缺点。

网格建模的优点是算法很简单，计算速度很快，但是缺点是它不够准确。因此，通常在计算速度高且准确性不高的情况下使用它，尤其是各种视觉渲染，电影和电视特殊效果，计算机游戏等。在这些情况下，网格建模的主要优势是，它可以通过合并来减少三角形的数量，从而提高计算性能（从而提高三角形的精度和速度较低）。玩家通常对此有深刻的了解 - 经常以明显的三角形面孔看到3D计算机游戏中的角色形状，并且随着计算机性能的改善，这种现象在新游戏中基本上消失了。

在BIM字段中，许多所谓的“模型轻量级”软件本质上将模型转换为三角网，然后通过减少三角形的数量来压缩模型。这种方法可有效提高显示速度，但要降低模型的准确性，因此轻巧模型只能用于可视化，而不是用于工程构造。同时，在土木工程中，网格建模的另一个重要应用是数字地形模型。由于地形模型的特征是大量数据，并且准确性要求较低，因此几乎所有数字地形处理软件都将使用网格算法来表达地形模型。

由于网格建模的精度较差，因此追求精度（尤其是在制造中）的工程软件并不使用它来描述设计对象，而是使用表面建模。但是，如果您只使用数学语言来描述立方体和圆柱体等常规形状，那就很好。如果您使用数学语言来描述汽车和飞机的外观，那么这不是普通人可以轻松做的事情。在工程领域，描述这种自由表面的公认的最佳方法是NURBS算法（NURBS =不均匀和物理样条表面），该算法使用严格的数学功能来描述表面，因此无论它是多大的，它都可以通过网格建模来实现。当然，除了NURBS（例如Hermite）外，还有其他数学算法，但它们都不是NURB的好。因此，NURB被用作唯一定义国际标准化组织（ISO）发行的工业产品数据交换标准（步骤）中工业产品几何形状的数学方法。

3D软件的建模引擎就像计算机中的CPU一样，是其最关键的核心。但是，3D建模引擎的开发需要非常高级的数学基础，并且并非所有软件公司都能做到这一点。一些软件公司可以自己开发建模引擎，而另一些软件公司则使用其他建模引擎来构建自己的设计软件。如果3D软件的建模发动机功能不足，那么无论尝试多么努力，用户都很难弥补它。

图1：BIM软件的建模

让我们举一个简单的例子：在某个BIM软件中，一个半径为1和一个圆柱体的球体（见图1），很明显，球体不是光滑的，但似乎是由多个面剪接在一起的，并且圆柱体没有这样的问题。这是因为该软件的内核支持圆柱体表面，但不支持球形表面，更不用说NURBS表面了。因此，该软件不能用于精确设计复杂表面，也不能适合大多数预制组件的数字处理。相比之下，Catia软件具有强大的NURBS建模技术，并且经常用于具有复杂表面的特殊形状建筑物。

图2：Catia软件创建的建筑立面

2。3D土木工程建模

土木工程软件对数学算法的要求要比建筑软件要高得多。一方面，这是因为土木工程中有更多的曲线/表面（例如铁路，水坝，隧道），更重要的是，土木工程师通常必须处理地形，因此他们需要处理设计模型与地形模型之间的相互作用。无论是地点的平整，大坝的发掘，道路坡度还是隧道开口，都涉及坡度计算问题。本质是在人工设计的几何实体和自然地形之间进行布尔操作。从土木工程师的角度来看，这一要求非常简单明了，但是对于软件工程师来说，这是一个非常困难的问题，因为设计模型（几何表面）和地形模型（大网格表面）分别通过两种不同的建模机制来描述。

在许多土木工程设计软件中，它被迫采用一种简化的方法，因为它无法解决此混合操作问题。它们没有使用精确的表面来生成道路和斜率，而是使用网格表面来生成这些设计模型，从而将斜率计算问题简化为网格表面之间的操作。这种方法的优点是它避免了混合的操作问题，缺点是它牺牲了设计的准确性和可靠性。如果您使用过这种软件，则可以看到它构建的道路和坡度模型不是连续的表面，而是在指定的间距上批处理离散的横截面，然后像一个远离现实世界的小精灵虾一样，将它们像一个像小精灵虾一样连接在一起。当更改变化时，此类模型容易出现问题，并且工程量计算还不够准确。同时，使用网格型号完成隧道开口的设计更加困难。

例如，下图的左侧是由特定3D软件建立的道路模型，右侧是由Catia土木工程建立的道路模型。可以清楚地看出，两个软件的建模方法不同，效果也大不相同。

3. CATIA软件的建模技术

只有当我们了解各种3D建模技术的优势和缺点时，我们才能更清楚地了解Dassault Systems Catia软件的优势。它具有行业最高的3D建模引擎，并且已完全独立开发。与其他软件相比，CATIA在3D技术中的优势反映在以下方面：

（1）CATIA支持准确的NURB曲线和表面建模，因此无论大小比如何，都可以获得准确且连续的几何信息。

（2）具有准确的空间曲线，可以参数建模为骨架线。例如，在下图中，每个组件单元使用相同的骨架线定位。调整了骨架线后，所有相关组件将自动更新。

图3：基于CATIA中骨架线的参数建模

（3）在最新版本的CATIA土木工程为土木工程行业的土木工程中，它可以用NURBS表面和带网状表面的数字地形模型生成设计对象。更重要的是，CATIA通过其强大的数学基础在表面建模和网格建模之间实现了混合的操作，从根本上解决了斜率计算问题。在CATIA土木工程中，我们不仅可以创建一个连续且光滑的3D路中心线，而且可以创建一个与道路表面和坡度相同的连续和光滑的表面，然后使用布尔操作来计算坡度和地形之间的连接，以及地球上的交界处。这样，设计质量较高，项目数量更准确。混合建模技术的推出为3D数字设计提供了更广阔的空间。

4。摘要

本文重点介绍了3D内核问题。传统的BIM软件主要针对传统的建筑物，并解决了绘画生产而不是制造的问题。因此，它通常使用相对简单的算法来创建简化的3D模型 - 这可能足以容纳传统的BIM应用程序。但是对于数字双胞胎的软件，目标是为真实世界对象创建准确可靠的数字双胞胎，因此必须具有更强大的3D核心。建筑行业的用户可能还需要思考：他们的目标是使用软件完成传统的工作任务，还是欢迎建筑的工业化和数字化转型？然后根据您的目标选择具有正确内核功能的3D软件。