门式刚架钢结构三维动画软件的研究开发

0 引言

门式刚架结构的构件布置复杂，构件种类繁多，节点构造隐蔽，依靠平面二维图片的展示、抽象的文字讲解，学生很难完全了解门式刚架结构的构件布置和节点构造。因此，利用三维虚拟现实的动画软件，更形象地把门式刚架的三维实体模型展现出来，从而使学生更直观地了解门式刚架结构的布置和节点构造。

文章针对土木工程专业钢结构设计课程，研究开发了基于建筑钢结构门式刚架结构的三维虚拟仿真教学动画软件。主要是通过功能强大的三维建模软件3DS MAX根据门式刚架结构二维图纸建立三维模型，然后把建好的模型导入综合型开发平台Unity3D软件，利用Unity3D软件完成对门式刚架结构布置的动画设置和交互设计。

1 技术介绍

1.1 软件开发工具 建筑钢结构门式刚架结构三维动画软件主要用到的开发工具有3DS MAX建模软件和Unity3D游戏开发软件。3DS MAX 全称为3D Studio Max，是Discreet公司开发的（后被Autodesk公司合并）基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，是目前建筑动画设计、室内外设计、虚拟现实制作等方面运用最为广泛的建模软件。本钢结构三维动画软件运用的虚拟交互设计开发平台是Unity3D。Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让用户轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎，是目前比较流行的虚拟现实开发平台。

1.2 动画仿真原理 建筑钢结构动画软件的开发基于三维建模和动画制作两个方面的技术。利用3DS MAX对照门式刚架结构的二维图纸，建立同类构件相互独立的结构整体模型。建好的模型可以直接导入Unity3D进行使用。在Unity3D中可以对整体模型中的细部构件进行调整和控制，添加特定的动画效果，给整体组装动画的实现提供了巨大便利。Unity3D还可以制作360度缩放旋转观览视角，给模型的整体和细部展示带来了更直观可控的观览体验。同时，Unity3D可以导出为Windows和MAC系统下的可执行软件，大大提高了本动画软件的可用性和共享性。

2 三维动画软件开发

2.1 动画教学软件总体思路 单层门式刚架钢结构是由实腹式斜梁与实腹柱通过刚性节点所构成的平面刚架，通过檩条、支撑、墙梁等纵向构件连接而成的稳定结构体系。本软件总体思路是根据课堂教学仿真的需要，学生自主搭建模型；虚拟仿真实验的需要，实现三维仿真单层门式刚架结构的结构布置流程、节点构造展示、节点构件组装过程、自定义构件组装演示等功能。

2.2 结构门式刚架结构整体组装动画实现 用三维建模软件3D MAX构建门式刚架结构的整体模型。建模过程中，依据实际结构结构施工图纸，等比例建模，并对每个构件进行编号和分类。将编号和分类后的模型导入到Unity3D软件中，建立模型库。根据一般单层门式刚架结构的构件安装顺序，先吊装竖向构件，后吊装平面构件。门式刚架结构的组装顺序依次为：基础、普通柱、刚架、支撑、连系梁（吊车梁）、抗风柱、檩条、墙梁、面板。　

2.3 门式刚架结构节点构造和节点组装展示

为了让学生更加了解门式刚架结构的节点构造，在制作整体组装动画时，课题组开发了一套基于预览摄像机位置变化的判断系统。教师通过键盘上WASD和鼠标控制视角在整体模型中运动，可以更自由地观览结构的细部构造。当视角移动到结构的重要节点部位时，软件自动判断摄像机控制点与节点的三维空间距离是否足够靠近。若满足设定条件，将会在屏幕上提示“按下B键播放节点组装动画”，节点处相连的构件将单独演示组装过程，结构的其他部位构件不发生变化。以柱脚节点为例（图4所示），摄像机控制点移动到柱脚节点位置，按下B键播放节点组装动画。与柱脚有关的周围构件全部消失，然后基础、柱底板和柱子、螺帽、加劲肋等依次飞入视野进行细部组装。可在组装过程和组装完成后，对节点进行鸟瞰及三维旋转观览。

2.4 自定义节点或构件组装动画

为了满足学生自主搭建模型，虚拟仿真实验的需要，对整体门式刚架结构模型的所有构件进行编号和分类，并按类摆放在Unity3D创建的一个特定场景中。每个分类中拥有多种不同构造形式的同类型构件。例如，柱子分类中包括缀条格构式柱、缀板格构式柱、工字型柱、变截面柱等。整体模型中的柱脚节点默认是工字型柱柱脚节点，要演示格构式柱柱脚节点的组装构成，学生可以点击自定义组装动画按钮，然后通过软件界面右边的模型库，点击格构式柱，替换，如图5所示。程序自动生成与格构式柱相配套的整体组装动画和细部组装动画，播放方式和替换前的动画播放方式一致。学生可在组装过程和组装完成后，对整体构件进行鸟瞰及三维旋转观览。

3 动画软件应用

该动画软件已经在江苏科技大学2013级土木工程专业钢结构课堂上运用。根据任课老师的反馈，钢结构结构的布置、支撑体系、节点构造等知识点在以往的教学中，往往很难讲解清楚。通过钢结构动画软件的使用，可以更加直观、清楚地展现这些难点，学生也更加容易接受。

通过对开发思路的深入探索，本软件可用于多高层、重型结构等钢结构的三维动画模拟。开发人员还看到了该动画软件在其他专业教学领域的应用前景，例如，模拟船舶工业的建造和组装、模拟机器（汽车等）制造的过程、模拟家具装修过程等，应用前景广泛。

4 结语

文章基于计算机三维模拟，以钢结构门式刚架结构为主要对象，研究开发了建筑钢结构三维动画软件，涵盖了单层门式刚架结构的结构布置、节点展示以及自定义节点构件组装等功能。本三维动画软件具有可以由用户自由控制的近鸟瞰、细部推进、三维旋转功能，可以全方位观览门式刚架结构的布置和重要节点的构造及组装。