門式剛架鋼結(jié)構(gòu)三維動(dòng)畫軟件的研究開發(fā)

季云軍

摘要： 門式剛架鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間連接關(guān)系和構(gòu)造很難用語言和二維圖紙直觀地表現(xiàn)出來。本文針對(duì)土木工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程，基于Unity3D 和3DS MAX開發(fā)了門式剛架結(jié)構(gòu)整體構(gòu)件布置、重要構(gòu)件節(jié)點(diǎn)組裝演示、 自定義構(gòu)件組裝的輔助教學(xué)虛擬仿真三維動(dòng)畫軟件，直觀生動(dòng)地展示了門式剛架結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)造和組裝過程。動(dòng)畫的研究開發(fā)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程的課堂教學(xué)質(zhì)量的提高有著促進(jìn)作用。

Abstract： The internal structure of the steel structure building with gabled frames is complex， and the spatial connection relation and structure are difficult to be expressed intuitively by the language and the two-dimensional plan. Based on Unity3D and 3DS MAX， the author develops a virtual simulation of 3D animation software for the arrangement of integral components of steel structure building with gabled frames， the demonstration of the assembly of important component nodes and the assembly of user component. This software is suitable for the steel structure design courses of civil engineering professional. The development promotes the teaching quality of the courses.

關(guān)鍵詞： 三維動(dòng)畫；門式剛架結(jié)構(gòu)；節(jié)點(diǎn)構(gòu)造；施工過程

Key words： 3D animation；steel structure building with gabled frames；joint construction；installation process

中圖分類號(hào)：TU33+7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）14-0186-02

0 引言

門式剛架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件布置復(fù)雜，構(gòu)件種類繁多，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造隱蔽，依靠平面二維圖片的展示、抽象的文字講解，學(xué)生很難完全了解門式剛架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件布置和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。因此，利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)的動(dòng)畫軟件，更形象地把門式剛架的三維實(shí)體模型展現(xiàn)出來，從而使學(xué)生更直觀地了解門式剛架結(jié)構(gòu)的布置和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。

文章針對(duì)土木工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程，研究開發(fā)了基于建筑鋼結(jié)構(gòu)門式剛架結(jié)構(gòu)的三維虛擬仿真教學(xué)動(dòng)畫軟件。主要是通過功能強(qiáng)大的三維建模軟件3DS MAX根據(jù)門式剛架結(jié)構(gòu)二維圖紙建立三維模型[1]，然后把建好的模型導(dǎo)入綜合型開發(fā)平臺(tái)Unity3D軟件，利用Unity3D軟件完成對(duì)門式剛架結(jié)構(gòu)布置的動(dòng)畫設(shè)置和交互設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)介紹

1.1 軟件開發(fā)工具 建筑鋼結(jié)構(gòu)門式剛架結(jié)構(gòu)三維動(dòng)畫軟件主要用到的開發(fā)工具有3DS MAX建模軟件和Unity3D游戲開發(fā)軟件。3DS MAX 全稱為3D Studio Max，是Discreet公司開發(fā)的（后被Autodesk公司合并）基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，是目前建筑動(dòng)畫設(shè)計(jì)、室內(nèi)外設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)制作等方面運(yùn)用最為廣泛的建模軟件。本鋼結(jié)構(gòu)三維動(dòng)畫軟件運(yùn)用的虛擬交互設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)是Unity3D。Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎，是目前比較流行的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)。

1.2 動(dòng)畫仿真原理 建筑鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)畫軟件的開發(fā)基于三維建模和動(dòng)畫制作兩個(gè)方面的技術(shù)。利用3DS MAX對(duì)照門式剛架結(jié)構(gòu)的二維圖紙，建立同類構(gòu)件相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)整體模型。建好的模型可以直接導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行使用。在Unity3D中可以對(duì)整體模型中的細(xì)部構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整和控制，添加特定的動(dòng)畫效果，給整體組裝動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)提供了巨大便利。Unity3D還可以制作360度縮放旋轉(zhuǎn)觀覽視角，給模型的整體和細(xì)部展示帶來了更直觀可控的觀覽體驗(yàn)。同時(shí)，Unity3D可以導(dǎo)出為Windows和MAC系統(tǒng)下的可執(zhí)行軟件，大大提高了本動(dòng)畫軟件的可用性和共享性。3DS MAX與Unity3D相結(jié)合完成動(dòng)畫軟件開發(fā)流程圖如圖1所示。

2 三維動(dòng)畫軟件開發(fā)

2.1 動(dòng)畫教學(xué)軟件總體思路 單層門式剛架鋼結(jié)構(gòu)是由實(shí)腹式斜梁與實(shí)腹柱通過剛性節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的平面剛架，通過檁條、支撐、墻梁等縱向構(gòu)件連接而成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，如圖2所示。本軟件總體思路是根據(jù)課堂教學(xué)仿真的需要，學(xué)生自主搭建模型；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的需要，實(shí)現(xiàn)三維仿真單層門式剛架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置流程、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造展示、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件組裝過程、自定義構(gòu)件組裝演示等功能。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)門式剛架結(jié)構(gòu)整體組裝動(dòng)畫實(shí)現(xiàn) 用三維建模軟件3D MAX構(gòu)建門式剛架結(jié)構(gòu)的整體模型。建模過程中，依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)施工圖紙，等比例建模，并對(duì)每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)和分類。將編號(hào)和分類后的模型導(dǎo)入到Unity3D軟件中，建立模型庫。根據(jù)一般單層門式剛架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件安裝順序，先吊裝豎向構(gòu)件，后吊裝平面構(gòu)件。門式剛架結(jié)構(gòu)的組裝順序依次為：基礎(chǔ)、普通柱、剛架、支撐、連系梁（吊車梁）、抗風(fēng)柱、檁條、墻梁、面板[2]。如圖3，整個(gè)組裝過程中，構(gòu)件依次飛入視野，可在組裝過程和組裝完成后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行鳥瞰及三維旋轉(zhuǎn)觀覽。

2.3 門式剛架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和節(jié)點(diǎn)組裝展示

為了讓學(xué)生更加了解門式剛架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，在制作整體組裝動(dòng)畫時(shí)，課題組開發(fā)了一套基于預(yù)覽攝像機(jī)位置變化的判斷系統(tǒng)。教師通過鍵盤上WASD和鼠標(biāo)控制視角在整體模型中運(yùn)動(dòng)，可以更自由地觀覽結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造。當(dāng)視角移動(dòng)到結(jié)構(gòu)的重要節(jié)點(diǎn)部位時(shí)，軟件自動(dòng)判斷攝像機(jī)控制點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的三維空間距離是否足夠靠近。若滿足設(shè)定條件，將會(huì)在屏幕上提示“按下B鍵播放節(jié)點(diǎn)組裝動(dòng)畫”，節(jié)點(diǎn)處相連的構(gòu)件將單獨(dú)演示組裝過程，結(jié)構(gòu)的其他部位構(gòu)件不發(fā)生變化。以柱腳節(jié)點(diǎn)為例（圖4所示），攝像機(jī)控制點(diǎn)移動(dòng)到柱腳節(jié)點(diǎn)位置，按下B鍵播放節(jié)點(diǎn)組裝動(dòng)畫。與柱腳有關(guān)的周圍構(gòu)件全部消失，然后基礎(chǔ)、柱底板和柱子、螺帽、加勁肋等依次飛入視野進(jìn)行細(xì)部組裝。可在組裝過程和組裝完成后，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鳥瞰及三維旋轉(zhuǎn)觀覽。

2.4 自定義節(jié)點(diǎn)或構(gòu)件組裝動(dòng)畫

為了滿足學(xué)生自主搭建模型，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的需要，對(duì)整體門式剛架結(jié)構(gòu)模型的所有構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)和分類，并按類擺放在Unity3D創(chuàng)建的一個(gè)特定場景中。每個(gè)分類中擁有多種不同構(gòu)造形式的同類型構(gòu)件。例如，柱子分類中包括綴條格構(gòu)式柱、綴板格構(gòu)式柱、工字型柱、變截面柱等。整體模型中的柱腳節(jié)點(diǎn)默認(rèn)是工字型柱柱腳節(jié)點(diǎn)，要演示格構(gòu)式柱柱腳節(jié)點(diǎn)的組裝構(gòu)成，學(xué)生可以點(diǎn)擊自定義組裝動(dòng)畫按鈕，然后通過軟件界面右邊的模型庫，點(diǎn)擊格構(gòu)式柱，替換，如圖5所示。程序自動(dòng)生成與格構(gòu)式柱相配套的整體組裝動(dòng)畫和細(xì)部組裝動(dòng)畫，播放方式和替換前的動(dòng)畫播放方式一致。學(xué)生可在組裝過程和組裝完成后，對(duì)整體構(gòu)件進(jìn)行鳥瞰及三維旋轉(zhuǎn)觀覽。

3 動(dòng)畫軟件應(yīng)用

該動(dòng)畫軟件已經(jīng)在江蘇科技大學(xué)2013級(jí)土木工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)課堂上運(yùn)用。根據(jù)任課老師的反饋，鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的布置、支撐體系、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等知識(shí)點(diǎn)在以往的教學(xué)中，往往很難講解清楚。通過鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)畫軟件的使用，可以更加直觀、清楚地展現(xiàn)這些難點(diǎn)，學(xué)生也更加容易接受。

通過對(duì)開發(fā)思路的深入探索，本軟件可用于多高層、重型結(jié)構(gòu)等鋼結(jié)構(gòu)的三維動(dòng)畫模擬。開發(fā)人員還看到了該動(dòng)畫軟件在其他專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，例如，模擬船舶工業(yè)的建造和組裝、模擬機(jī)器（汽車等）制造的過程、模擬家具裝修過程等，應(yīng)用前景廣泛。

4 結(jié)語

文章基于計(jì)算機(jī)三維模擬，以鋼結(jié)構(gòu)門式剛架結(jié)構(gòu)為主要對(duì)象，研究開發(fā)了建筑鋼結(jié)構(gòu)三維動(dòng)畫軟件，涵蓋了單層門式剛架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置、節(jié)點(diǎn)展示以及自定義節(jié)點(diǎn)構(gòu)件組裝等功能。本三維動(dòng)畫軟件具有可以由用戶自由控制的遠(yuǎn)近鳥瞰、細(xì)部推進(jìn)、三維旋轉(zhuǎn)功能，可以全方位觀覽門式剛架結(jié)構(gòu)的布置和重要節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造及組裝。

參考文獻(xiàn)

[1]李靜，李眾立，李培亮.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑施工動(dòng)態(tài)仿真研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012（8）：80-83.

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