重慶建筑業和重慶3D動畫建模技術
1.3D建模內核
既然BIM是以3D數字模型為信息載體，那么從理論上說，優秀的BIM設計軟件就應當具備精準的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：網格建模和曲面建模。前者是用網格單元（包括三角形、四邊形、多邊形等）去擬合幾何形體，后者是用數學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。）兩類算法在本質上截然不同，在實戰中各有優劣。
網格建模的優勢是算法簡單、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，網格建模的一大優勢是可以通過合并三角形來減少其數量，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，新的游戲中這種現象已經基本消失。
在BIM領域，很多所謂的“模型輕量化”軟件實質上都是把模型轉為，然后通過減少三角形數量來壓縮模型。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，網格建模的另一個重要應用場合是數字地形模型，因為地形模型的特點恰恰是數據量巨大而精確性要求較低，因此幾乎所有的數字地形處理軟件都會使用網格算法來表達地形模型。
由于網格建模的精確性差，追求精確的工程軟件（尤其是在制造業）不會用它來描述設計對象，而是使用曲面建模。然而，如果僅僅是用數學語言描述立方體、圓柱體這樣的規則形體那還好說，如果要用數學語言描述汽車、飛機的外形，就不是一般人可以輕松做到的了。在工程領域，描述這類自由曲面的公認最佳方式是NURBS算法（NURBS=非均勻有理化樣條曲面），它使用嚴格的數學函數來描述曲面，因此無論如何放大都能保持精確和連續，這是網格建模無法實現的。當然，除了NURBS之外也有其它的數學算法（例如Hermite），但都不如NURBS出色，因此在國際標準化組織（ISO）頒布的工業產品數據交換標準（STEP）中把NURBS作為定義工業產品幾何形狀的唯一數學方法。
3D軟件的建模引擎就好比電腦里的CPU，是其最關鍵的核心。然而，3D建模引擎的開發需要相當高超的數學功底，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這樣的問題。這是因為該軟件的內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雜曲面的精確設計，也不適于大部分預制構件的數字化加工。與之相比，CATIA軟件擁有強大的NURBS建模技術，因而常常被用于帶有復雜曲面的異形建筑。
圖2：CATIA軟件創建的建
2.土木工程的3D建模
土木工程軟件對數學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，土木工程師經常要跟地形打交道，因此就需要處理設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，其本質是要在人工設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，因為設計模型（幾何曲面）和地形模型（大型網格面）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，而是用網格面來生成這些設計模型，從而把邊坡計算問題統一簡化成網格面之間的運算。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曲面，而是按指定間距批量創建離散的橫斷面，然后像皮皮蝦般一節節連接起來，與真實世界相差甚遠。這樣的模型在變化復雜之處就容易產生問題，而工程量計算也不夠準確。同時，用網格模型要完成隧道洞口這樣的設計就更為困難。
例如，下圖左側是某3D軟件建立的道路模型，右側是CATIA Civil Engineering建立的道路模型。可以清晰的看出兩種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
當我們了解了各種3D建模技術的優劣之后，才能更清晰的理解達索系統CATIA軟件的優勢所在。它具備業界最高端的3D建模引擎，并且是完全自主開發的。與其它軟件相比，CATIA在3D技術上的優勢體現在以下幾個方面：
(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化建模。例如下圖中，每個構件單元都使用同一條骨架線進行定位；一旦調整骨架線，所有相關的構件都隨之自動更新。
圖3：CATIA中基于骨架線的參數化建模
(3)在面向土木工程行業的CATIA Civil Engineering最新版本中，既能以NURBS曲面生成設計對象，也能以網格面生成數字地形模型。更重要的是，CATIA通過強大的數學功底實現了曲面建模和網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，我們不僅可以創建連續光滑的3D道路中心線，還可以創建同樣連續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，設計的質量更高，工程量也更加準確。混合建模技術的面世，給土木工程的3D數字化設計提供了更加廣闊的空間。
4.總結
本文重點討論了3D內核問題。傳統BIM軟件主要是面向常規建筑，解決出圖而不是制造問題，因此往往使用相對簡單的算法，創建簡化的3D模型——這對于傳統BIM應用或許就足夠了。但對于面向數字孿生的軟件來說，其目標是為現實世界中的物體創建精準可靠的數字孿生，因此必須具備更加強大的3D內核。建筑業的用戶或許也有必要思考：自己的目標是用軟件完成傳統的工作任務，還是為了迎接建筑工業化、數字化轉型？然后再根據自己的目標選擇具有合適內核能力的3D軟件。
