BIM模型生成及生成验证方法、计算机设备和可读存储介质

技术领域

本发明涉及BIM建模技术领域，具体来讲，涉及一种BIM模型生成及验证方法、计算机设备和可读存储介质。

背景技术

在钢模块化建筑的设计、生产和组装过程中，建筑信息模型(BIM)可以有效集成不同设计阶段的信息可以为钢模块化建筑的设计和施工提供指导。

而现阶段建筑的BIM模型大多数情况下都是手动生成的，且模型生成和修改涉及大量的重复工作，这些阻碍了设计过程，除此之外现有的BIM模型也缺乏验证其模型有效性的手段，因此考虑到钢模块化建筑的高度工业化和流程集成化，形成一种自动、高效且通用的BIM模型生成及模型验证方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在避免BIM模型传统手动生成方法中的大量重复工作；目的之二在提供了一种高效的BIM模型生成及模型验证的方法。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种钢模块化建筑BIM模型的生成方法，又可称为钢模块化建筑BIM模型的生成及生成验证方法，其中，验证是指该方法所包括的碰撞检测环节。

所述方法可包括步骤：利用信息链接列表集成方法，进行单箱体框架建模；生成构件并进行放置调整，该步骤包括生成框架构件、生成角部连接件、生成板件、角连接放置调整和框架构件放置调整；对生成的模块构件进行碰撞检测和尺寸自适应调整。

可选择地，所述单箱体框架建模的步骤可包括：建立线性框架模型，该模型包括连接线和节点，其中，连接线表示梁构件或柱构件，节点表示梁构件和柱构件的连接节点；确定线性框架模型中框架构件、平面构件和节点各自的几何信息、拓扑信息和语义信息；对线性框架模型的角点和连接线进行编号，并指定X、Y和Z方向；引入链表的数据结构形式记录标注线性框架模型的信息和编号方案，生成具有节点表、边表、面表和体表四个层次的信息链表。

可选择地，所述框架构件的几何信息可包括起止点坐标和空间位置，所述平面构件的几何信息可包括节点坐标和空间位置，所述节点的几何信息可包括坐标；所述拓扑信息包含了相互之间的连接关系；所述语义信息可包括平面构件的位置信息和框架构件的方向信息。

可选择地，对于框架构件的每类构件，可按照以下方法进行建模：选取构件对应所述线性框架模型的框线，以框线的起点为基准点生成横截面，以框线起点指向终点的方向为截面拉伸的方向，拉伸长度由框线的长度确定，进行拉伸，生成构件。

可选择地，所述角部连接件的尺寸可以根据位于该角部连接件连接位置的梁和柱的截面尺寸信息来确定，所述角部连接件的生成位置是由所述线性框架模型的角点位置确定。

可选择地，所述生成板件的步骤可包括：指定板件的厚度，以所述线性框架模型中对应该板件的面的四个角点为基础，向体心方向拉伸指定厚度，生成相应位置的板件。

可选择地，所述角连接放置调整的步骤可包括：识别角点并将其位置作为参考点；计算每个角点与所述线性框架模型中心点之间的局部坐标差，所得的正号和负号表示角连接和中心点之间的相对位置；调整角部件的放置，调整方式包括平移、旋转和镜像中的至少一种。

可选择地，对于每个框架构件的放置位置，可按照以下方法进行调整：将所述线性框架模型几何中心点和框架构件投影到与构件横截面平行的平面上，并记录它们的2D坐标；计算框架构件对应连接线中心点与框架模型中心点在平面上投影部分之间的局部坐标差，并标出相对位置；调整框架构件的放置，调整方式包括平移、旋转和镜像中的至少一种。

可选择地，所述碰撞检测可包括：判断任两个构件在整体坐标系三条轴线上是否均有重合，如果是则判断这两个构件存在碰撞。

可选择地，所述尺寸调整包括：通过调整构件始末坐标的方法来进行框架构件的调整；通过切割的方法进行板件调整。

本发明另一方面提供了一种计算机设备。

所述计算机设备可包括：至少一个处理器；存储有程序指令的存储器，其中，所述程序指令被配置为由所述至少一个处理器执行，所述程序指令包括用于执行根据如上所述方法的指令。

本发明再一方面提供了一种计算机可读存储介质。

计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)本发明的方法简便，高效。

(2)本发明可自动生成BIM模型，能够避免传统手动生成方法中大量的重复工作。

(3)本发明有助于实现钢模块化建筑的高度工业化和流程集成化。

(4)本发明具有自适应检查和调整程序，能够自动更新生成的BIM模型以满足实际要求。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明的BIM模型生成方法的一个流程示意图。

图2示出了本发明的单箱体框架模型的一个示意图。

图3示出了单箱体框架模型的部分语义信息。

图4示出了框架模型链表的部分信息图。

图5A示出了底部横梁生成过程的一个示意图。

图5B示出了框架横梁的建模示意图。

图6A示出了角件与梁柱构件尺寸关系俯视图。

图6B示出了角件与梁柱构件尺寸关系轴测图。

图6C示出了角部连接件建模的定位点的一个示意图。

图7示出了模块单体顶部板件生成的一个示意图。

图8A示出了角部件放置调整的一个示意图。

图8B示出了节点Ⅳ角连接调整前位置。

图8C示出了节点Ⅳ角连接调整后位置。

图9A示出了框架构件与角部连接件碰撞的一个示意图。

图9B示出了3号X向梁调整前位置。

图9C示出了3号X向梁调整后位置。

图10A示出了框架构件碰撞部分示意图。

图10B示出了平面构件碰撞部分示意图。

图10C示出了两个构件碰撞示意图。

图11示出了采用切割方法进行板件调整的一个效果图。

图12示出了生成的功能部件的一个示意图。

图13A示出了单模块箱体的3D打印模型。

图13B示出了多模块箱体的3D打印模型。

图14A示出了缩小模块单体尺寸后的一个示意图。

图14B示出了增大模块单体尺寸后的一个示意图。

图15A示出了增大构件尺寸后的一个示意图。

图15B示出了减小构件尺寸后的一个示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的BIM模型生成及验证方法、计算机设备和可读存储介质。

示例性实施例1

本示例性实施例提供了一种钢模块化建筑BIM模型生成方法。图1示出了本发明的钢模块化建筑BIM模型生成方法的一个流程示意图，图1中的输入信息库包括有单箱体框架模型的构件截面信息和方位信息。

如图1所示，所述方法可包含三个阶段：S10、单箱体框架建模；S20、构件生成与放置调整；S30、构件碰撞检测与尺寸自适应调节。

在本实施例中，所述单箱体框架建模可包括以下步骤：

S11：首先创建一个线性框架模型，该模型由多个节点和连接线组成。连接线可以表示梁、柱构件，节点表示梁柱连接节点。

S12：在线性框架模型中给出模块的框架构件、平面构件以及节点的几何、拓扑和语义信息。

S13：通过基于标签的编号方案，对相关构件的方向和连接信息进行编码。

S14：引入链表的数据结构记录标注模型的信息(即步骤S12的各种信息)和编号方案(即步骤S13的编号方案)，信息链表由顶点表、边表、面表、体表四个层次组成。生成的信息链表的层次结构对应于钢结构模块化建筑的构件组合，不同构件和数据传输路径之间的关系可以用这个链表来指示。通过逐级集成构件，可以表示线性框架模型。

在本实施例中，所述构件生成与放置调整可包括：

S21：生成框架构件，构件分为横梁、纵梁和柱三类。在实体构件建模时，选取基础模型(即线性框架模型)中对应的连接线。以框线的起点为基准点生成截面形状，拉伸方向由连接线起点至终点确定，拉伸长度由连接线的长度确定。

S22：生成角部连接件，角部连接件的尺寸信息根据连接位置的梁、柱截面尺寸信息确定，连接件的生成位置由基础模型的角点位置确定。

S23：生成板件，需要对板件的厚度进行指定，采用拉伸操作生成板件。板件的创建依托于基础模型的面信息，分别以基础模型组成面的四个角点为基础，通过向体心方向的拉伸生成相应位置的板件。

S24：角连接放置调整：首先，识别角连接点，并以其位置为参考点；然后，计算每个角连接点与基础模型(即线性框架模型)中心点的局部坐标差。由此得到的正负符号表示转角连接点与中心点之间的相对位置。最后，角连接可以相应转换。

S25：框架构件放置调整：中心点和框架构件被投影到一个平行于构件横截面的平面上，并记录它们的二维坐标。计算框架边缘与中心点的局部坐标差，标出相对位置，框架构件可以相应转换。

在本实施例中，所述构件碰撞检测与尺寸自适应调节可包括：

S31：碰撞检测。

可采用(Axis-Aligned Bounding Boxes：AABB)检测算法。对于空间内的两个构件，如果它们在整体坐标系三条轴线的投影均有重合，则说明两个构件存在碰撞。

S32：尺寸调节。

碰撞检测完成后，将修改相应的起点和终点。通过缩短构件的长度，可以避免碰撞，并且可以将框架构件连接到连接件处。收缩方向与框架局部轴对齐，收缩幅度由重叠长度决定。

在本实施例中，所述方法还可包括步骤S40：生成功能性部件。

基于已完成的基础模型，根据需求在特定位置添加门窗洞口，尺寸根据标准图集选定。

显然，本发明的整个生成方法可以基于计算机程序来实现，是一个完整的、自动的过程。能够避免传统手动生成方法中大量的重复工作。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

所述钢模块化建筑BIM模型的生成方法包括以下步骤：

A、单箱体框架建模。

步骤(1)：首先创建一个线性框架模型，根据线性框架模型的尺寸确定8个节点，然后由8个节点相连成12根连接线。线性框架模型角点和连接线的编号如图2所示。X正方向由节点Ⅰ指向节点Ⅱ确定。Y方向由节点Ⅰ指向节点Ⅳ确定，Z方向由节点Ⅰ指向节点Ⅴ确定。

步骤(2)：汇总基础模型中框架构件、平面构件以及节点各自的几何、拓扑和语义信息。其中，框架构件的几何信息包括起止点坐标、空间位置，平面构件的几何信息包括节点坐标、空间位置，节点的几何信息包括坐标；拓扑信息包含了相互之间的连接关系，例如平面构件与框架构件的连接关系，框架构件之间的连接关系。语义信息包括了平面构件的位置信息以及框架构件的方向信息。

步骤(3)：提出一种基于标签的编号方案，对单箱体框架模型的信息进行汇总储存。

引入链表的数据结构形式记录标注模型的信息(即步骤(2)汇总的框架构件、平面构件以及节点各自的几何、拓扑和语义信息)和编号方案，如图4所示，信息链表由节点表、边表、面表、体表四个层次组成。其中节点表记录节点的序号及其坐标值，节点表的数据反映了模块单体的大小和空间位置。边表反映了框架模型的连接线与节点之间的关系，每个连接线存放有构成该线的节点序号。面表反映了框架模型的面与连接线、面与节点之间的关系，它存放定义每个面的连接线以及顶点序号，因此面表确定了面与定义该面的连接线与顶点之间的关系。体表中存放各个面在框架模型中方位信息以及各个面附加的节点和连接线信息。不同构件和数据传输路径之间的关系可以用这个链表来指示。通过逐级集成构件，可以表示线性框架模型。

B、构件生成与放置调整。

步骤(4)：生成框架构件。框架构件分为X向梁、Y向梁和Z向柱三类，例如图3示出的梁和柱。以生成X向梁为例，选取所有横梁对应的基础模型的框线，即图2示出的1、5、7、3号框线。以连接线线的起点为构件横截面生成的定位点，即图2示出的Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ号节点，以连接线起点指向终点的方向为截面拉伸的方向、连接线线的长度为拉伸向量的大小进行拉伸操作(如图5A)，基于此生成四条横梁(如图5B)。Y向梁和Z向柱以相同的方式进行建模。

步骤(5)：生成角部连接件。以图2中节点Ⅰ处的角部连接件生成为例，角部件的尺寸信息根据连接位置的1号X向梁、4号Y向梁、9号Z向柱截面尺寸信息确定，同时可参见图6A、图6B分别示出的角件与梁柱构件尺寸关系的俯视图和轴测图以及图6C示出的角部连接件建模的定位点的示意图。

步骤(6)：生成板件。需要对板件的厚度进行指定，以生成顶部面板为例，顶面板件的创建依托于框架模型的顶部面信息，如图7所示顶部面的四个节点第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ节点为基础生成截面，通过向Y方向负向拉伸生成相应位置的板件。

步骤(7)：角部件构件放置调整。如图8A，考虑八个角点和中心点的相对位置。首先，识别角点并将其位置作为参考点。接下来，计算每个角点与基础模型中心点之间的局部坐标差，所得的正号和负号表示角连接和中心点之间的相对位置。最后，通过平移、旋转、镜像等操作调整角部件的放置。

以一个长、宽、高分别为8000，4000，3000的模块中的节点Ⅳ(坐标值为(0，4000，0))的角连接调整为例：节点Ⅳ角连接导入初始状态如图8B所示，为了与3号X向梁，4号Y向梁、12号Z向柱连接，需要调整角连接的位置以及空洞的方向。变换过程如下，首先计算线性框架模型体心坐标(即(4000，2000，1500))，然后计算角连接Ⅳ的定位点与模块体心的相对位置/局部坐标差值，局部坐标差值＝(0，4000，0)-(4000，2000，1500)＝(-4000，2000，-1500)，此处用省略数字，可以用便于python程序识别的符号(-，+，-)简化表示，设定该符号对应的变换方式为：以角点Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ号节点连接而成的面为参考平面进行镜像操作，结果如图8C所示。

步骤(8)：框架构件的放置调整。如图9A，将基础模型几何中心点(即体心)和框架构件投影到与构件横截面平行的平面上，并记录它们的2D坐标。计算框架构件对应连接线中心点与框架模型中心点在平面上投影部分之间的局部坐标差，并标出相对位置。随后，框架组件可以与角连接类似地进行转换。

以一个长、宽、高分别为8000，4000，3000的模块中的3号X向梁调整为例：将3号X向梁导入模型后的初始位置如图9B所示，此时3号X向梁对应连接线的中心点坐标为(4000，4000，0)，框架模型中心坐标为(4000，2000，1500)，局部坐标差＝(4000，4000，0)-(4000，2000，1500)＝(0，2000，-1500)，此处为了便于计算机识别，将“0”以外的数字省略，于是3号X向梁对应的符号为(0，+，-)，同时定义该符号的变换方式为：以角点3、4、7、8号节点连接而成的面为参考平面进行镜像操作，结果如图9C所示。

C、碰撞检测与尺寸调节。

在模块化建筑部品的生产制造过程中，需要精确的尺寸来保证一次加工完成，这就要求在设计阶段提供精准的构件信息。因为在之前的设计步骤中尚未考虑构件冲突问题，所以本发明引入碰撞检测算法来检测构件是否发生了碰撞，并对冲突的构件进行尺寸调节以避免构件冲突。框架构件或平面构件是基于构件对应连接线的起止点生成的，因此两条相邻的连接线生成的构件会在起止点而发生碰撞。其中，框架构件碰撞如图10A所示，平面构件的碰撞如图10B所示。

为了解决冲突问题，本发明提出一套碰撞检测与尺寸调节方法，通过缩短杆件尺寸来避免碰撞。

步骤(9)：对于静态模型的碰撞检测，已经有了很多成熟的检测方法，本发明可以采用(Axis-Aligned Bounding Boxes：AABB)检测算法。对于空间内的两个构件，如果它们在整体坐标系三条轴线的投影均有重合，例如图10C中的粗色线条，则说明两个构件存在碰撞。

步骤(10)：采用调整构件始末坐标的方法对框架构件进行调整。

由于在建模时选取的定位点是角点，在角点连线的基础上生成构件，所以构件发生碰撞的主要原因是构件的长度与实际相比较长，由此确定构件尺寸调节方法是减小构件长度，即调整构件的始末位置信息。以构件原始的始末位置坐标指向构件中点的方向为构件的伸缩方向，以在伸缩方向相应坐标轴线的两构件投影的重合长度为构件长度调整的大小，根据构件初始的始末位置坐标在伸缩方向上调整构件尺寸。换而言之，通过步骤(9)获得重叠长度，在步骤(10)中调整构件拉伸的始末位置。

步骤(11)：采用板件切割的方法进行板件调整。由于在建模时选取的定位点是以各个面为基础的四个角点，所以板件碰撞的主要考虑板件与框架构件的碰撞和板件与角部连接件的碰撞。板件切割方法与步骤(9)、(10)过程相同，仅是切割对象不同。调节效果如图11所示。

步骤(12)：功能部件生成，基于已完成的基础模型，根据需求在特定位置添加门窗洞口，尺寸根据标准图集选定，如图12所示。

步骤(13)：生成的BIM模型包含准确的构件信息，可直接用于制造。这里，运用3D打印技术对上述技术方案生成的模型进行打印拼装。单模块箱体的3D打印模型和多模块箱体的3D打印模型分别如图13A和13B所示。生成的模型能够准确表示实际对象，未来可应用于直接对接厂家进行生产制造，实现快速的工业化生产。

下面对模块单体的适应性调节建模进行说明：由于在建模过程中的数据是层层嵌套的，数字模型在建模过程中的参数之间存在一定的内部逻辑，通过改变模块单体尺寸和构件截面信息的输入量即可实现比较基础的参数化建模，得到符合期望的模型。

在上述模块单体建模的过程中，采用模块单体的长宽高尺寸参数为：8000(mm)*4000(mm)*3000(mm)，通过改变模块单体尺寸参数的输入量，即可得到需要的模块单体模型。保持构件截面尺寸不变，将模块尺寸参数更改为4000(mm)×3000(mm)×3000(mm)和13000(mm)×4000(mm)×4000(mm)，效果如图14A和14B所示。保持模块单体尺寸为8000(mm)*4000(mm)*3000(mm)，将模块将构件截面尺寸参数更改为增大、减小或改变截面类型，效果如图15A和15B所示。

本发明的钢模块化建筑BIM模型的生成方法可以被编程为计算机程序并且相应的程序代码或指令可以被存储在计算机可读存储介质中，当程序代码或指令被处理器执行时使得处理器执行上述方法。

示例性实施例2

本示例性实施例提供了一种计算机设备。

所述设备可包括：至少一个处理器；存储有程序指令的存储器，其中，所述程序指令被配置为由所述至少一个处理器执行，所述程序指令包括用于执行根据示例实施例1中所述方法的指令。

示例性实施例3

本示例性实施例提供了一种计算机可读存储介质。

所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现示例实施例1中所述的方法。

该计算机可读存储介质可以是任意数据存储装置，该数据存储装置中存储有能够被计算机系统读出的数据。例如，计算机可读存储介质的示例可包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。