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。
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
中圖分類號：TU33+7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：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 �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，并對每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行編號和分類。將編號和分類后的模型導(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�？稍诮M裝過程和組裝完成后，對節(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，對整體門式剛架結(jié)構(gòu)模型的所有構(gòu)件進(jìn)行編號和分類，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�h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)
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