Báo cáo khoa học: "Mô hình hóa hình học 3D các đối tượng công trình cầu" pdf

Mô hình hóa hình học 3D các đối tợng công trình cầu TS. Ngô đăng quang Bộ môn Tự động hoá thiết kế cầu đờng Khoa Công trình - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Bi báo giới thiệu khái quát về vai trò của mô hình hóa hình học trong thiết kế cũng nh cách xây dựng các phần mềm hỗ trợ mô hình hóa hình học 3 chiều các đối tợng công trình cầu trong một hệ thống CAD. Summary: This article introduces briefly the roles of graphic modeling in design and the development of software system to support the 3D graphic modeling of bridge components and bridges as a whole. i. khái quát về mô hình công trình xây dựng trên máy tính Để đánh giá sự làm việc của một sản phẩm trớc khi chế tạo nó, ngời ta thờng tạo ra các mẫu thử. Các mẫu thử này, tốt nhất là đợc chế tạo đúng nh đối tợng thật. Tuy nhiên, điều này chỉ có thể có đợc khi sản phẩm đợc chế tạo hàng loạt nh ở các ngành nh chế tạo cơ khí hay thiết bị điện tử. Các công trình xây dựng, ngợc lại, đều đợc xây dựng đơn chiếc ở các địa điểm cụ thể với các điều kiện môi trờng xung quanh duy nhất với giá thành rất lớn. Do đó, việc xây dựng các mẫu thử đúng nh công trình thật là không thể thực hiện đợc. Để phản ánh một cách tơng đối chính xác sự làm việc của các công trình xây dựng nhằm hỗ trợ cho việc phân tích và lựa chọn các phơng án, các mô hình công trình với các mức độ chi tiết khác nhau trong các môi trờng ảo, ví dụ, trên máy tính, cần đợc xây dựng. Trong môi trờng máy tính, sự làm việc của các công trình đợc mô hình hóa bởi các quy luật hình học, vật lý và cơ học đã đợc xây dựng bằng lý thuyết và thực nghiệm. Các mô hình công trình trên máy tính có nhiều lợi thế quan trọng so với các kiểu mô hình khác nh tính dễ thay đổi, khả năng chi tiết hóa và trực quan cao và nhất là giá thành thấp. Mô hình công trình cần phản ánh sự làm việc nhiều mặt của công trình. Tuy nhiên, do tính phức tạp của bài toán, các mô hình công trình thờng đợc chia thành các mô hình con, phản ánh sự làm việc ở một số khía cạnh nhất định của công trình. Cho đến hiện nay, do khả năng cũng nh yêu cầu, hầu hết các mô hình công trình trên máy tính là các mô hình cơ học với điển hình là các chơng trình tính toán, phân tích kết cấu. Các yếu tố hình học chỉ đợc sử dụng ở mức độ tối thiểu với nghĩa là các thông số hỗ trợ cho mô hình cơ học. Việc đánh giá các thông số hình học và mỹ quan công trình, rõ ràng là, không thể thực hiện đợc trên các mô hình này. Ngày nay, các yêu cầu về mỹ quan và sự phù hợp với cảnh quan của các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình cầu, đang đợc đặt ra ngày càng lớn. Để phân tích, đánh giá đợc các yếu tố này, ngời thiết kế phải xây dựng đợc các mô hình công trình ở dạng hình học 3 chiều phản ánh chính xác đợc các yếu tố hình học của công trình và tơng quan của nó với môi trờng xung quanh. Các công nghệ đồ họa máy tính hiện đại (cả về phần cứng và phần mềm) đã cho phép xây dựng đợc các mô hình hình học thoả mãn các yêu cầu này. ii. khái quát về mô hình hoá hình học Mô hình hình học mô tả kích thớc, hình dạng của đối tợng. Việc hiển thị bằng hình ảnh và các thao tác trên mô hình này đợc thực hiện thông qua các kỹ thuật đồ hoạ máy tính. Mô hình hóa hình học đợc định nghĩa nh là một quá trình mô tả toán học hoàn chỉnh về hình dạng của một đối tợng vật lý. Các mô hình hình học 3 chiều (3D three Dimentions) thờng đợc xây dựng dựa trên các phơng pháp mô hình hóa khối rắn sau: - Phơng pháp cấu trúc khối rắn quan niệm các đối tợng hình học bất kỳ đợc tạo ra trên cơ sở tổ hợp các khối rắn cơ bản, nh hình lập phơng, hình cầu, hình trụ, v.v. bằng các phép toán hình học. - Phơng pháp biểu diễn biên biểu diễn khối rắn bởi các mặt biên của nó. - Phơng pháp quét hình, là phơng pháp cho phép tạo ra một vật thể 3D từ việc tịnh tiến theo một trục nhất định hay quay một vật thể 2D. - Phơng pháp liệt kê không gian quan niệm một đối tợng đợc xây dựng từ sự sắp xếp các ô không gian theo thuật toán chia đệ quy. - Phơng pháp điểm đặc trng xác định một đối tợng khối rắn qua các điểm đặc trng của nó một số vị trí nhất định. Vị trí và hình dạng của đối tợng tại các vị trí trung gian, khi cần thiết, đợc xác định theo các quy tắc nội suy khác nhau. Các đối tợng kỹ thuật thờng đợc mô hình hóa trên cơ sở áp dụng một hay kết hợp nhiều phơng pháp kể trên. iii. xây dựng chơng trình mô hình hoá hình học 3D các đối tợng công trình cầu Hiện nay, có rất nhiều hệ thống phần mềm có thể mô tả đợc dới dạng hình học 3 chiều các đối tợng khác nhau nh 3D Studio Max. Tuy nhiên, chúng đều là các phần mềm riêng rẽ, không có tính kết nối và nhất là không làm việc nh một hệ thống hỗ trợ thiết kế thông thờng. Việc áp dụng các hệ thống này để xây dựng các mô hình công trình trong thiết kế, do đó, là rất khó khăn. Những điều này dẫn đến nhu cầu phát triển một hệ thống chơng trình hỗ trợ mô hình hoá hình học 3 chiều các công trình cầu. 3.1. Cấu trúc dữ liệu Các đối tợng công trình cầu nh dầm, trụ, v.v có thể đợc mô hình hóa bằng cách áp dụng kết hợp các phơng pháp mô hình hóa khối rắn kể trên. Việc lựa chọn cấu trúc dữ liệu cho mô hình đợc quyết định bởi phơng pháp mô hình hóa cũng nh yêu cầu của việc kết nối và chuyển đổi dữ liệu của mô hình hình học với các mô hình khác nh mô hình cơ học, mô hình tĩnh học, v.v Các dữ liệu từ mô hình hình học cũng là cơ sở để xây dựng các bản vẽ, thể hiện đối tợng ở dạng 2D cũng nh các tính toán khác về công trình. Theo truyền thống, các cấu kiện cầu đợc mô tả bởi một tập hợp các mặt cắt đặc trng và một đờng chuẩn nào đó, ví dụ, đờng trục. Các mặt cắt đặc trng và đờng chuẩn lại đợc xác định bởi các điểm đặc trng của nó. Trong mô hình, các mặt cắt là các mặt hình học, đợc xây dựng từ các điểm đặc trng và thông thờng là các mặt phẳng. Đối tợng hình học 3D mô tả đối tợng công trình sẽ đợc tạo ra từ các mặt cắt và đờng chuẩn bằng phơng pháp quét hình. Cấu trúc dữ liệu hình học để mô tả các đối tợng công trình đợc thể hiện một cách khái quát nh trong hình vẽ 1. Hình 1. Cấu trúc dữ liệu hình học của các đối tợng công trình Về cơ bản, các điểm chứa các thông tin về vị trí không gian của nó trong hệ tọa độ địa phơng (ví dụ, hệ tọa độ của mặt cắt). Các mặt cắt chứa các thông tin về hệ tọa độ địa phơng cũng nh tập hợp các điểm đặc trng của mình. Trong từng mặt cắt, các điểm đợc lu trữ cùng các dữ liệu topo - thông tin mô tả vị trí tơng đối của chúng trong mặt cắt. Thành phần và cấu trúc dữ liệu của đờng chuẩn cũng tơng tự nh của mặt cắt đặc trng. Cấu trúc hình dạng của mặt cắt đợc xây dựng trên cơ sở so sánh các loại mặt cắt đợc áp dụng phổ biến trong thực tế. Để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, cần phải có khả năng chuyển đổi các dữ liệu của mặt cắt dạng tọa độ điểm thành các dữ liệu có khả năng mô tả các đặc trng hình học của nó nh chiều rộng cánh, chiều dày sờn, v.v và ngợc lại. Tơng ứng với yêu cầu này, các điểm của mặt cắt cần đợc gán thêm các thông số vị trí để xác định các thông số hình học. Cấu trúc dữ liệu đã nêu là cấu trúc dạng mở, cho phép mặt cắt có thể đợc thay đổi cấu trúc theo định dạng bất kỳ. Điểm quan trọng là ngời thiết kế mặt cắt cần xây dựng đợc quan hệ qua lại giữa các dữ liệu và thông số nêu trên. Hình 2 mô tả cấu trúc hình dáng của một mặt cắt dầm hình hộp điển hình. Đờng chuẩn 3.2. Môi trờng xây dựng chơng trình Các chơng trình mô hình hóa hình học cần đợc quan niệm nh là một bộ phận của các hệ thống CAD (Computer Aided Design) hoàn chỉnh, trong đó, các mô hình 3D và 2D có thể chuyển đổi qua lại đợc với nhau. Về bản chất, các bản vẽ 2D là các lát cắt hay hình chiếu của mô hình 3D. Hệ thống CAD đợc sử dụng phổ biến nhất hiện nay là AutoCAD của Autodesk. Đây là một hệ thống đợc xây dựng với kiến trúc mở. Ngoài các tập lệnh và đối tợng build - in rất phong phú, AutoCAD còn cho phép ngời dùng, bằng nhiều phơng pháp khác nhau, mở rộng hay tạo mới các đối tợng của riêng mình. Các hệ thống công cụ để mở rộng AutoCAD bao gồm AutoLISP, VBA và ObjectARX. Trong đó, ObjectARX là một hệ thống th viện hớng đối tợng cho phép ngời dùng phát triển các ứng dụng C++ có khả năng can thiệp sâu đến các đối tợng của AutoCAD cũng nh tạo ra các đối tợng mới của riêng mình. Trong hệ thống th viện ObjectARX, AModeler là th viện chuyên dùng để mô hình hóa khối rắn theo phơng pháp mặt biên. Điểm đặc biệt của AModeler là th viện này cho phép xây dựng các đối tợng 3D có đờng chuẩn là Đối tợng Mặt cắt đặc trng Điểm đặc trng 34 15 9 6 5 7 8 1= 35 2 3 4 22 27 26 25 28 24 23 21 20 16 29 30 31 17 32 19 18 33 Hình 2. Cấu trúc dữ liệu của mặt cắt 12 10 11 đờng cong và các mặt chuẩn có hình dạng thay đổi bất kỳ. Điểm mạnh này có ở rất ít các th viện khác. AModeler, do đó, thích hợp để mô tả hình học các đối tợng công trình cầu nơi các cấu kiện có mặt cắt rất biến đổi cả về kích thớc lẫn hình dạng. Nh vậy, môi trờng để xây dựng chơng trình mô hình hóa hình học là AutoCAD với các th viện ObjectARX và đặc biệt là AModeler. 3.3. Cấu trúc chơng trình 3.3.1. Cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu phản ánh cấu trúc dữ liệu đã nêu trên. Về nguyên tắc, cơ sở dữ liệu có thể đợc lựa chọn bất kỳ nh Access, Oracle, v.v. Để hệ thống có thể làm việc đợc với các cơ sở dữ liệu khác nhau và có thể dễ dàng mở rộng sau này, hệ thống đợc phát triển với cơ sở dữ liệu Access nhng đợc kết nối bằng một giao diện cơ sở dữ liệu trung gian ODBC. Các bảng chính của cơ sở dữ liệu bao gồm: - Cấu kiện: chứa các thông tin có liên quan đến các cấu kiện nh vật liệu, các điều kiện liên kết, tải trọng, v.v - Điểm: chứa các tọa độ của điểm (x, y, z), loại điểm (thuộc đờng chuẩn hay thuộc mặt cắt) và mã của đờng chuẩn hay mặt cắt chứa điểm đó. - Mặt cắt: chứa các thông tin về vị trí gốc của trong hệ tọa độ tổng cùng vec-tơ chỉ phơng của mặt cắt đó. - Đờng chuẩn: chứa thông tin về hình dáng chung của đờng chuẩn. 3.3.2. Các giao diện nhập dữ liệu Để nhập các dữ liệu cần thiết, hệ thống cung cấp nhiều giao diện nhập dữ liệu khác nhau tơng ứng với loại đối tợng nh dầm, mố, trụ, v.v. Mỗi loại cấu kiện lại có các loại mặt cắt khác nhau. Ví dụ, dầm có dạng mặt cắt một hộp, hai hộp, mặt cắt I, T, v.v (hình 3a). Các mặt cắt đã đợc nhập còn có thể đợc lu trữ vào hệ thống dới dạng các template (mặt cắt mẫu) để áp dụng cho các mặt cắt khác. Một số dữ liệu cho các đối tợng nh đờng chuẩn hay đờng trục cầu có thể đợc nhập thông qua các đờng cong của AutoCAD, thông qua các điểm trên màn hình hoặc thông qua các tọa độ của các điểm đặc trng (bằng giao diện tơng ứng hình 3b). Vị trí của trụ cầu đợc xác định theo vị trí đờng trục cầu. Chơng trình tự động xác định đợc sơ bộ cao độ đỉnh trụ căn cứ vào cao độ đờng trục cầu và chiều cao dầm. Hình 3. Nhập dữ liệu cho mặt cắt v đờng chuẩn 3.4. Kết quả mô hình 3D trong chơng trình Từ các dữ liệu đợc nhập về mặt cắt, đờng chuẩn cũng nh vị trí tơng đối của các cấu kiện, chơng trình sẽ tạo ra các mô hình 3D của công trình nh trên hình vẽ 4. Các đối tợng hình học của mô hình là các đối tợng đợc xây dựng trên cơ sở các đối tợng của AutoCAD do đó dễ dàng đợc xử lý trong môi trờng này. Với các lệnh thông thờng của AutoCAD, ngời thiết kế có thể. - Quan sát đợc toàn bộ công trình đang thiết kế ở các góc độ và mức độ chi tiết khác nhau để đa ra đánh giá về mặt hình học của nó. - Tạo các mặt cắt 2D cho các cấu kiện ở các vị trí tùy ý để xem xét hình dạng và kích thớc của cấu kiện ở vị trí đó cũng tạo các bản vẽ cần thiết. Hình 4. Mô hình 3D công trình trong môi trờng AutoCAD 3.5. Khả năng kết nối với các hệ thống khác Do hệ thống làm việc với các cơ sở dữ liệu dạng mở nên nó dễ dàng kết nối với các hệ thống khác. Bằng một số chơng trình con làm nhiệm vụ kết nối, các dữ liệu hình học của chơng trình đã đợc chuyển đổi thành dữ liệu đầu vào cho các chơng trình phân tích kết cấu nh SAP2000. iv. Kết luận v hớng nghiên cứu Mô hình hóa 3D hình học các công trình xây dựng đang đợc đặt ra nh là một yêu cầu quan trọng trong công tác thiết kế, nhất là các công trình có các đòi hỏi cao về mỹ quan. Các chơng trình hỗ trợ mô hình 3D các công trình cần đợc nhìn nhận nh là một bộ phận của các hệ thống CAD. Trong các hệ thống này, các mô hình 3D và 2D đợc chuyển đổi qua lại lẫn nhau. Ngoài ra, các dữ liệu có trong mô hình hình học cần phải đợc chuyển giao tự động cho các hệ thống chơng trình khác. AutoCAD là một hệ thống hỗ rợ thiết kế đợc dùng phổ biến và cho phép ngời dùng có thể can thiệp mở rộng các đối tợng và tính năng của nó do đó đã đợc chọn làm môi trờng phát triển chơng trình mô hình hóa hình học 3D công trình cầu. Với kết quả bớc đầu, chơng trình đã cho phép xây dựng đợc các mô hình 3D các công trình cầu từ các dữ liệu thiết kế phổ thông do ngời dùng nhập. Mô hình này giúp đánh giá các thông số hình học của các đối tợng công trình. Các dữ liệu hình học đợc nhập cũng đã đợc tích hợp để làm dữ liệu đầu vào cho các chơng trình phân tích kết cấu. Chơng trình sẽ đợc phát triển để có thể kết nối đầy đủ hơn với các chơng trình khác nh phân tích kết cấu, thiết kế cấu kiện, xây dựng bản vẽ, tính dự toán, v.v để, cùng với chúng, trở thành một hệ thống CAD hoàn chỉnh. Ngoài ra, chơng trình cũng cần đợc kết nối với các hệ thống thông tin địa lý để tích hợp với các thông tin về cảnh quan, địa hình, v.v giúp cho quá trình phân tích mỹ học công trình đợc thuận lợi hơn. Tài liệu tham khảo [1]. Vera B. Anand. Đồ họa máy tính và Mô hình hóa hình học (do TS. Nguyễn Hữu Lộc dịch). Nhà xuất bản Thành phố Hồ Chí Minh, 2000. [2]. Fredrick Gottmoeller. Bridgescape - the Art of Designing Bridges (bản tiếng Anh). John Wiley & Sons, 1998. [3]. Fritz Leonhardt. Bridges - Aesthetics and Design (bản tiếng Anh). Deutsches Verlag - Anstalt, 1982. [4]. Nguyễn Thái Sơn. Đồ án tốt nghiệp ngành Tự động hóa thiết kế cầu đờng, năm 2004 . các mô hình 3D các công trình cầu từ các dữ liệu thiết kế phổ thông do ngời dùng nhập. Mô hình này giúp đánh giá các thông số hình học của các đối tợng công trình. Các dữ liệu hình học đợc. bởi các điểm đặc trng của nó. Trong mô hình, các mặt cắt là các mặt hình học, đợc xây dựng từ các điểm đặc trng và thông thờng là các mặt phẳng. Đối tợng hình học 3D mô tả đối tợng công trình. các dữ liệu đợc nhập về mặt cắt, đờng chuẩn cũng nh vị trí tơng đối của các cấu kiện, chơng trình sẽ tạo ra các mô hình 3D của công trình nh trên hình vẽ 4. Các đối tợng hình học của mô hình