CN116628831B - 一种空间几何形体快速建模及体积差值计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间几何形体快速建模及体积差值计算方法，其步骤主要包括：基于三维空间坐标信息实例化对象；依据得到的三维空间坐标信息实例化对象自动创建空间实心体模型；加密处理空间实心体上表面范围轮廓点位，确定空间空心区域上表面边缘轮廓，进而确定空间空心区域表面；基于射线法判断既有三维空间坐标是否在该空间空心区域表面内部；获取已在内部的所有已知三维空间坐标；依据已获取坐标创建生成新的空间实心体模型，该模型与原空间实心体模型的差为空间空心区域；自动计算原空间实心体模型与新的空间实心体模型体积差值，即空间空心区域体积。本发明实现了在给定相关参数下快速创建空间形体，并计算体积差值的工作。
Description
技术领域
本发明涉及空间建模技术领域，特别是涉及一种空间几何形体快速建模及体积差值计算方法。
背景技术
信息模型（Information Modeling）是以三维空间点位数据等各项相关信息作为模型的基础，进行可视化模型的建立，通过数字信息仿真模拟实体所具有的真实信息。受到设计图纸、设计要求、设计环境及创建方法等方面的限制，任务繁杂，工作量大。
当前快速创建模型主要存在以下问题：
（1）目前建模实际情况上对于多点位数据条件下的大体量快速建模与体积差值的计算方法，其布置规则混乱，可调参数较少；
（2）在操作方面，面对不同情况下创建空心体模型重复且冗杂，建模人员无法快速准确的修改模型点位数据，全部采用手工建模需要消耗大量人力物力，且无法保证精确度。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间几何形体快速建模及体积差值计算方法，可用于建筑施工领域，目的是解决现有BIM技术深化设计过程中，效率低下费时费工的技术问题，为计算土方量提供更直观、精确的依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
步骤一：基于三维空间坐标信息实例化对象；
步骤二：依据得到的三维空间坐标信息实例化对象自动创建空间实心体模型；
步骤三：加密处理空间实心体上表面范围轮廓点位，确定空间空心区域上表面边缘轮廓，进而确定空间空心区域表面；
步骤3.1：在原始空间空心区域上表面边缘轮廓的平面形状，获取平面形状各顶点的平面坐标，创建函数名为boundXyz的方法体，返回值类型为List<XYZ>，该方法体由若干个XYZ类型的参数组成，将各顶点平面坐标输入方法体，获取各顶点三维空间的坐标值；
步骤3.2：利用空间坐标距离公式计算各顶点之间的各线段距离L，以dx为最小精度标准确认各线段所需插入的辅助点个数，即辅助点个数为L/dx-1个；
步骤3.3：添加待空心区域外围三维空间坐标值的集合，将空间空心区域上表面边缘轮廓边界点位的集合密集处理；取区域外围边界的起点与终点，利用for语句对空间坐标点位循环若干次，在起点和终点之间插入L/dx-1个辅助点，将基坑外围边界上的所有空间坐标点按顺序连接，形成空间空心区域表面形状。
步骤四：基于射线法判断既有三维空间坐标是否在该空间空心区域表面内部；
步骤4.1：将已知空间点的平面坐标沿着水平或者垂直方向发射射线，通过判断射线和多边形外边缘的交点个数来获取在多边形内部点位的集合，若交点个数为奇数时则该点在封闭区域内部，若为偶数时则不在；
步骤4.2：创建函数名为PositionPnpoly，返回值类型为bool的静态方法体，分别是以int类型命名的参数numVertices，表示多边形的顶点个数、以List<double>类型命名的参数vertx和verty，表示多边形x坐标和y坐标的集合RR，以double类型命名的参数VerticesX和VerticesY，表示当前x坐标和y坐标；
步骤4.3：使用int型定义三种字段，分别为i、j、c，初始值都设置为0；
步骤4.4：在for循环语句中声明i和j，初始值分别为0和numVertices-1，设置判断条件i<numVertices，循环增量设置为j=i++；在循环体中通过if条件判断交点个数的奇偶性。
步骤五：获取已在内部的所有已知三维空间坐标；
步骤5.1：
创建函数名为PointsInPolygon，返回值类型为List<XYZ>方法体，该方法体所含参数为List<XYZ>类型的字段polygonPoints。检查三维空间点位坐标，即创建需要判断的检查点坐标的集合，利用foreach语句遍历获取的点位坐标，将检查点个数、polygonPoints中的x坐标的集合和y坐标的集合；
步骤5.2：
遍历后的检查点的x坐标、遍历后的检查点的y坐标参数添加到步骤二中的方法体Create中，依据步骤四射线法判断奇偶性以此判断空间坐标点是否在待空心的区域内部，返回值为奇数则该点在区域内部并拾取。添加区域内部的所有高程点,最终返回符合条件的所有空间坐标点。
步骤六：依据已获取坐标创建生成新的空间实心体模型，该模型与原空间实心体模型的差为空间空心区域；
步骤6.1：创建名为PartitionPlate的方法体，返回值类型为List<XYZ>，将需要开挖基坑的区域的多边形顶点添加到步骤四中的静态方法体中；
步骤6.2：实例化TopographyEditScope类，在实例化后的字段基础上，使用Start方法体开始空间实心体编辑事务，并获取原始空间实心体实例Id；
步骤6.3：在空间实心体编辑事务基础上添加Transaction新事务，用来修改空间实心体实例；
步骤6.4：使用TopographySurface类的方法体AddPoints，添加步骤三中的密集处理的待空心区域外围空间坐标点位集合；
步骤6.5：通过TopographySurface类的方法体ChangePointsElevation，添加到步骤五中需要空心区域内部的点集合，并输入相应的空间坐标；
步骤6.6：结束Transaction事务和TopographyEditScope事务，生成空间空心体的三维实例。
步骤七：自动计算原空间实心体模型与新的空间实心体模型体积差值，即空间空心区域体积。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：
1.本发明是在主流建模软件上操作，通过计算机编程，智能提取计算分析数据并判断返回结果，可以快速实现空间实心体模型的创建、空间空心体的创建、体积差值的计算。优化了建模的工作流程，实现了快速生成模型，缩短了建模时间。
2.本发明设计了一种基于射线法判断既有三维空间坐标是否在待建空心区域表面内部的方法。
3.本发明提升了模型的可视化水平，实现建立待建空心模型的便捷性，可通过程序自由设计以达成实际所需的建模要求。
附图说明
图1为是本发明的总流程图；
图2为创建原始地形流程图；
图3为生成开挖基坑后的地形实例流程图。
具体实施方法
实施过程中的模型是利用Autodesk公司发布的BIM建模平台Revit软件进行创建。
上述发明内容可以通过计算机编程语言实现，如图1所示，一种空间几何形体快速建模及体积差值计算方法，用于建筑施工领域，具体为复杂地形条件下基坑开挖快速建模与土方计算方法，其具体实施步骤如下：
步骤一：基于高程点空间信息实例化对象，包括：
1.对地形高程点空间信息处理，将勘测得到的地形高程点信息导入Excel中，生成所有已勘测地形高程点坐标数据文件；
2.调用Windows服务类FileInfo并实例化对象，在带参数的构造器中添加地形高程点坐标数据文件所在位置；
3.使用ExcelPackage类属性中的Workbook和ExcelWorksheet类属性Worksheets，链接地形高程点数据文件；
4.使用for循环语句对地形高程点数据文件中坐标数据进行提取，将提取后的object类型的数据转换成double类型；
5.将转换成double类型的高程点坐标数据添加到Revit.DB.XYZ地形实例化对象中，再将实例化对象添加到Revit.DB.XYZ集合实例对象中，形成地形高程点空间信息实例对象。
步骤二：依据步骤一得到的地形高程点空间信息实例对象自动创建原始地形实体模型，包括：
1.获取Revit当前项目数据库，使用UIDocument类和Document类，激活当前UI视图和数据库；
2.实例化FilteredElementCollector类的对象，调用该类的属性OfCategory和OfClass过滤得到地形族类别OST_Topography和族类型TopographySurface；
3.使用LINQ语句将过滤后的FilteredElementCollector类的对象通过族名称查询，得到Element实例化对象，即获取地形元素；
4.创建事务工作，使用TopographySurface类中的创建方法体Create，在方法体添加步骤一中的已获取的高程点坐标数据，生成原始场地地形表面实例的三维模型。创建原始地形流程图如图2所示。
步骤三：加密处理基坑外边缘高程点，创建基坑地表外边缘空间形状，包括：
1.在原始场地地形实体的上表面创建所需要开挖基坑的平面形状，获取平面形状各顶点的平面坐标，创建函数名为boundXyz的方法体，返回值类型为List<XYZ>，该方法体由若干个XYZ类型的参数组成，将各顶点平面坐标输入方法体，获取各顶点高程点坐标值；
2.利用空间坐标距离公式计算各顶点之间的各线段距离L，以dx=0.1米为最小精度标准确认各线段所需插入的辅助点个数，即辅助点个数为（L/dx-1）个；
3.添加基坑区域外围高程点坐标值的集合，将基坑外围边界点位的集合密集处理。取基坑区域外围边界的起点与终点，利用for语句对高程点位循环若干次，在起点和终点之间插入（L/dx-1）个辅助点，将基坑外围边界上的所有高程点按顺序连接，形成基坑场地地形表面外边缘空间形状。
步骤四：基于射线法创建判断任意高程点是否在基坑区域内部的方法，包括：
1.将已勘测地形高程点平面坐标沿着水平或者垂直方向发射射线，通过判断射线和多边形外边缘的交点个数来获取在多边形内部点位的集合，若交点个数为奇数时则该点在封闭区域内部，若为偶数时则不在；
2.创建函数名为PositionPnpoly，返回值类型为bool的静态方法体，分别是以int类型命名的参数numVertices，表示多边形的顶点个数、以List<double>类型命名的参数vertx和verty，表示多边形x坐标和y坐标的集合RR，以double类型命名的参数VerticesX和VerticesY，表示当前x坐标和y坐标；
3.使用int型定义三种字段，分别为i、j、c，初始值都设置为“0”；
4.在for循环语句中声明i和j，初始值分别为0和numVertices-1，设置判断条件i<numVertices，循环增量设置为j=i++。在循环体中通过if条件判断交点个数的奇偶性。
步骤五：依据步骤四的判断方法获取基坑区域内所有已勘测地形高程点，包括：
1.创建函数名为PointsInPolygon，返回值类型为List<XYZ>方法体，该方法体所含参数为List<XYZ>类型的字段polygonPoints。检查当前地形所有的点位坐标，即创建需要判断的检查点坐标的集合；
2.使用IEnumerable类中的方法体Select，取出polygonPoints中的x坐标的集合和y坐标的集合；
3.利用foreach语句遍历当前地形所有的点位坐标，将检查点个数、polygonPoints中的x坐标的集合和y坐标的集合，遍历后的检查点的x坐标、遍历后的检查点的y坐标参数添加到步骤二中的方法体Create中，依据步骤四射线法判断奇偶性以此判断高程点是否在需要开挖基坑的区域内部，返回值为奇数则该点在区域内部并拾取。添加区域内部的所有高程点,最终返回符合条件的所有高程点。
步骤六：依据已获取的区域内部高程点创建生成所需开挖基坑的地形实例，包括：
1.创建名为PartitionPlate的方法体，返回值类型为List<XYZ>，将需要开挖基坑的区域的多边形顶点添加到步骤四中的静态方法体中。
2.实例化TopographyEditScope类，在实例化后的字段基础上，使用Start方法体开始地形编辑事务，并获取原始地形实例Id；
3.在地形编辑事务基础上添加Transaction新事务，用来修改场地地形实例；
4.使用TopographySurface类的方法体AddPoints，添加步骤三中的密集处理基坑区域外围高程点位集合；
5.通过TopographySurface类的方法体ChangePointsElevation，添加到步骤五中需要开挖的基坑区域内部的点集合，并输入相应的高程坐标；
6.结束Transaction 事务和TopographyEditScope事务，生成开挖基坑后的地形实例。生成开挖基坑后的地形实例流程图如图3所示。
步骤七：自动计算基坑开挖土方量，包括：
1.分别实例化FilteredElementCollector类和ElementCategoryFilter类，在ElementCategoryFilter类的构造器中添加OST_BuildingPad族类别属性。将过滤后的FilteredElementCollector类的实例化对象通过WherePasses和WhereElementIsElementType两个方法体得到实例的元素Id集合；
2.实例化BuildingPadType类，设置初始值null，将“地坪数量是否为0”作为if判断条件，若条件成立，则对BuildingPadType类空的实例化对象进行创建，否则返回地坪实例的元素Id集合中的第一项；
3.实例化FilteredElementCollector类，通过LINQ语句筛选得到当前地形实例所在的标高。输入基坑位置信息，实例化CurveLoop类，通过Append方法体添加基坑四周的线段；
4.创建事务工作，使用BuildingPad类的创建方法Create，输入地坪Id、场地所在的标高Id，基坑线段的集合等参数；
5.使用LookupParameter方法体获取地形参数“自标高的高度偏移”、“体积”，通过方法体Set设置基坑深度，并将体积相差量即基坑开挖土方量在Revit中打印出来。
以上所有步骤中的计算和判定是通过是使用C#语言并调用Autodesk公司发布的BIM建模平台Revit软件的应用程序编程接口中的相关函数来实现的。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种空间几何形体快速建模及体积差值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：基于高程点空间信息实例化对象，包括：
步骤1.1：对地形高程点空间信息处理，将勘测得到的地形高程点信息导入Excel中，生成所有已勘测地形高程点坐标数据文件；
步骤1.2：调用Windows服务类FileInfo并实例化对象，在带参数的构造器中添加地形高程点坐标数据文件所在位置；
步骤1.3：使用ExcelPackage类属性中的Workbook和ExcelWorksheet类属性Worksheets，链接地形高程点数据文件；
步骤1.4：使用for循环语句对地形高程点数据文件中坐标数据进行提取，将提取后的object类型的数据转换成double类型；
步骤1.5：将转换成double类型的高程点坐标数据添加到Revit.DB.XYZ地形实例化对象中，再将实例化对象添加到Revit.DB.XYZ集合实例对象中，形成地形高程点空间信息实例对象；
步骤二：依据步骤一得到的地形高程点空间信息实例对象自动创建原始地形实体模型，包括：
步骤2.1：获取Revit当前项目数据库，使用UIDocument类和Document类，激活当前UI视图和数据库；
步骤2.2：实例化FilteredElementCollector类的对象，调用该类的属性OfCategory和OfClass过滤得到地形族类别OST_Topography和族类型TopographySurface；
步骤2.3：使用LINQ语句将过滤后的FilteredElementCollector类的对象通过族名称查询，得到Element实例化对象，即获取地形元素；
步骤2.4：创建事务工作，使用TopographySurface类中的创建方法体Create，在方法体添加步骤一中的已获取的高程点坐标数据，生成原始场地地形表面实例的三维模型；
步骤三：加密处理基坑外边缘高程点，创建基坑地表外边缘空间形状，包括：
步骤3.1：在原始场地地形实体的上表面创建所需要开挖基坑的平面形状，获取平面形状各顶点的平面坐标，创建函数名为boundXyz的方法体，返回值类型为List<XYZ>，该方法体由若干个XYZ类型的参数组成，将各顶点平面坐标输入方法体，获取各顶点高程点坐标值；
步骤3.2：利用空间坐标距离公式计算各顶点之间的各线段距离L，以dx=0.1米为最小精度标准确认各线段所需插入的辅助点个数，即辅助点个数为（L/dx-1）个；
步骤3.3：添加基坑区域外围高程点坐标值的集合，将基坑外围边界点位的集合密集处理；取基坑区域外围边界的起点与终点，利用for语句对高程点位循环若干次，在起点和终点之间插入（L/dx-1）个辅助点，将基坑外围边界上的所有高程点按顺序连接，形成基坑场地地形表面外边缘空间形状；
步骤四：基于射线法创建判断任意高程点是否在基坑区域内部的方法，包括：
步骤4.1：将已勘测地形高程点平面坐标沿着水平或者垂直方向发射射线，通过判断射线和多边形外边缘的交点个数来获取在多边形内部点位的集合，若交点个数为奇数时则该点在封闭区域内部，若为偶数时则不在；
步骤4.2：创建函数名为PositionPnpoly，返回值类型为bool的静态方法体，分别是以int类型命名的参数numVertices，表示多边形的顶点个数、以List<double>类型命名的参数vertx和verty，表示多边形x坐标和y坐标的集合RR，以double类型命名的参数VerticesX和VerticesY，表示当前x坐标和y坐标；
步骤4.3：使用int型定义三种字段，分别为i、j、c，初始值都设置为0；
步骤4.4：在for循环语句中声明i和j，初始值分别为0和numVertices-1，设置判断条件i<numVertices，循环增量设置为j=i++；在循环体中通过if条件判断交点个数的奇偶性；
步骤五：依据步骤四的判断方法获取基坑区域内所有已勘测地形高程点，包括：
步骤5.1：创建函数名为PointsInPolygon，返回值类型为List<XYZ>方法体，该方法体所含参数为List<XYZ>类型的字段polygonPoints；检查当前地形所有的点位坐标，即创建需要判断的检查点坐标的集合；
步骤5.2：使用IEnumerable类中的方法体Select，取出polygonPoints中的x坐标的集合和y坐标的集合；
步骤5.3：利用foreach语句遍历当前地形所有的点位坐标，将检查点个数、polygonPoints中的x坐标的集合和y坐标的集合，遍历后的检查点的x坐标、遍历后的检查点的y坐标参数添加到步骤二中的方法体Create中，依据步骤四射线法判断奇偶性以此判断高程点是否在需要开挖基坑的区域内部，返回值为奇数则该点在区域内部并拾取；添加区域内部的所有高程点,最终返回符合条件的所有高程点；
步骤六：依据已获取的区域内部高程点创建生成所需开挖基坑的地形实例，包括：
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步骤6.3：在地形编辑事务基础上添加Transaction新事务，用来修改场地地形实例；
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步骤6.5：通过TopographySurface类的方法体ChangePointsElevation，添加到步骤五中需要开挖的基坑区域内部的点集合，并输入相应的高程坐标；
步骤6.6：结束Transaction 事务和TopographyEditScope事务，生成开挖基坑后的地形实例；
步骤七：自动计算基坑开挖土方量，包括：
步骤7.1：分别实例化FilteredElementCollector类和ElementCategoryFilter类，在ElementCategoryFilter类的构造器中添加OST_BuildingPad族类别属性；将过滤后的FilteredElementCollector类的实例化对象通过WherePasses和WhereElementIsElementType两个方法体得到实例的元素Id集合；
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步骤7.4：创建事务工作，使用BuildingPad类的创建方法Create，输入地坪Id、场地所在的标高Id，基坑线段的集合参数；
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