Ngô đăng quang Bộ môn Tự động hoá thiết kế cầu đường Khoa Công trình - Trường Đại học GTVT Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu khái quát về vai trò của mô hình hóa hình học trong thiết kế cũng
Trang 1Mô hình hóa hình học 3D các đối tượng công trình cầu
TS Ngô đăng quang
Bộ môn Tự động hoá thiết kế cầu đường Khoa Công trình - Trường Đại học GTVT
Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu khái quát về vai trò của mô hình hóa hình học trong thiết kế
cũng như cách xây dựng các phần mềm hỗ trợ mô hình hóa hình học 3 chiều các đối tượng 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 trước khi chế tạo nó, người ta thường
tạo ra các mẫu thử Các mẫu thử này, tốt nhất
là được chế tạo đúng như đối tượng thật Tuy
nhiên, điều này chỉ có thể có được khi sản
phẩm được chế tạo hàng loạt như ở các
ngành như chế tạo cơ khí hay thiết bị điện tử
Các công trình xây dựng, ngược lại, đều được
xây dựng đơn chiếc ở các địa điểm cụ thể với
các điều kiện môi trường xung quanh duy nhất
với giá thành rất lớn Do đó, việc xây dựng các
mẫu thử đúng như công trình thật là không thể
thực hiện được
Để phản ánh một cách tương đối chính
xác sự làm việc của các công trình xây dựng
nhằm hỗ trợ cho việc phân tích và lựa chọn
các phương án, các mô hình công trình với
các mức độ chi tiết khác nhau trong các môi
trường ảo, ví dụ, trên máy tính, cần được xây
dựng Trong môi trường máy tính, sự làm việc
của các công trình được mô hình hóa bởi các
quy luật hình học, vật lý và cơ học đã được
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 như 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 thường được 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 như yêu cầu, hầu hết các mô hình công trình trên máy tính là các mô hình cơ học với điển hình là các chương trình tính toán, phân tích kết cấu Các yếu tố hình học chỉ
được 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
được 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
được đặt ra ngày càng lớn Để phân tích, đánh giá được các yếu tố này, người thiết kế phải
Trang 2xây dựng được các mô hình công trình ở dạng
hình học 3 chiều phản ánh chính xác được các
yếu tố hình học của công trình và tương quan
của nó với môi trường xung quanh Các công
nghệ đồ họa máy tính hiện đại (cả về phần
cứng và phần mềm) đã cho phép xây dựng
được 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 thước, hình
dạng của đối tượng Việc hiển thị bằng hình
ảnh và các thao tác trên mô hình này được
thực hiện thông qua các kỹ thuật đồ hoạ máy
tính Mô hình hóa hình học được định nghĩa
như là một quá trình mô tả toán học hoàn
chỉnh về hình dạng của một đối tượng vật lý
Các mô hình hình học 3 chiều (3D –
three Dimentions) thường được xây dựng dựa
trên các phương pháp mô hình hóa khối rắn
sau:
- Phương pháp cấu trúc khối rắn quan
niệm các đối tượng hình học bất kỳ được tạo
ra trên cơ sở tổ hợp các khối rắn cơ bản, như
hình lập phương, hình cầu, hình trụ, v.v bằng
các phép toán hình học
- Phương pháp biểu diễn biên biểu diễn
khối rắn bởi các mặt biên của nó
- Phương pháp quét hình, là phương pháp
cho phép tạo ra một vật thể 3D từ việc tịnh
tiến theo một trục nhất định hay quay một vật
thể 2D
- Phương pháp liệt kê không gian quan
niệm một đối tượng được xây dựng từ sự sắp
xếp các ô không gian theo thuật toán chia đệ
quy
- Phương pháp điểm đặc trưng xác định
một đối tượng khối rắn qua các điểm đặc
trưng của nó một số vị trí nhất định Vị trí và
hình dạng của đối tượng tại các vị trí trung
gian, khi cần thiết, được xác định theo các quy
tắc nội suy khác nhau
Các đối tượng kỹ thuật thường được mô hình hóa trên cơ sở áp dụng một hay kết hợp nhiều phương pháp kể trên
iii xây dựng chương trình mô hình hoá hình học 3D các đối tượng công trình cầu
Hiện nay, có rất nhiều hệ thống phần mềm có thể mô tả được dưới dạng hình học 3 chiều các đối tượng khác nhau như 3D Studio Max Tuy nhiên, chúng đều là các phần mềm riêng rẽ, không có tính kết nối và nhất là không làm việc như một hệ thống hỗ trợ thiết
kế thông thường 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 chương trình hỗ trợ mô hình hoá hình học 3 chiều các công trình cầu
3.1 Cấu trúc dữ liệu
Các đối tượng công trình cầu như dầm, trụ, v.v có thể được mô hình hóa bằng cách
áp dụng kết hợp các phương pháp mô hình hóa khối rắn kể trên Việc lựa chọn cấu trúc dữ liệu cho mô hình được quyết định bởi phương pháp mô hình hóa cũng như yêu cầu của việc kết nối và chuyển đổi dữ liệu của mô hình hình học với các mô hình khác như 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 tượng ở dạng 2D cũng như các tính toán khác về công trình Theo truyền thống, các cấu kiện cầu
được mô tả bởi một tập hợp các mặt cắt đặc trưng và một đường chuẩn nào đó, ví dụ,
đường trục Các mặt cắt đặc trưng và đường chuẩn lại được xác định bởi các điểm đặc trưng của nó Trong mô hình, các mặt cắt là các mặt hình học, được xây dựng từ các điểm
đặc trưng và thông thường là các mặt phẳng
Đối tượng hình học 3D mô tả đối tượng công
Trang 3trình sẽ được tạo ra từ các mặt cắt và đường
chuẩn bằng phương pháp quét hình
Cấu trúc dữ liệu hình học để mô tả các
đối tượng công trình được thể hiện một cách
khái quát như trong hình vẽ 1
Hình 1 Cấu trúc dữ liệu hình học của các
đối tượng công trình
Về cơ bản, các điểm chứa các thông tin
về vị trí không gian của nó trong hệ tọa độ địa
phương (ví dụ, hệ tọa độ của mặt cắt) Các
mặt cắt chứa các thông tin về hệ tọa độ địa
phương cũng như tập hợp các điểm đặc trưng
của mình Trong từng mặt cắt, các điểm được
lưu trữ cùng các dữ liệu topo - thông tin mô tả
vị trí tương đối của chúng trong mặt cắt Thành
phần và cấu trúc dữ liệu của đường chuẩn cũng
tương tự như của mặt cắt đặc trưng
Cấu trúc hình dạng của mặt cắt được xây
dựng trên cơ sở so sánh các loại mặt cắt được
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 trưng hình học của nó
như chiều rộng cánh, chiều dày sườn, v.v và
ngược lại Tương ứng với yêu cầu này, các điểm
của mặt cắt cần được 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 được thay đổi cấu trúc theo định dạng bất kỳ Điểm quan trọng là người thiết kế mặt cắt cần xây dựng
được 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
Đường chuẩn
3.2 Môi trường xây dựng chương trình
Các chương trình mô hình hóa hình học cần được quan niệm như 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 được với nhau Về bản chất, các bản vẽ 2D là các lát cắt hay hình chiếu của mô hình 3D Hệ thống CAD
được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là AutoCAD™ của Autodesk Đây là một hệ thống được xây dựng với kiến trúc mở Ngoài các tập lệnh và đối tượng “build - in” rất phong phú, AutoCAD còn cho phép người dùng, bằng nhiều phương pháp khác nhau, mở rộng hay tạo mới các đối tượng 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 thư viện hướng đối tượng cho phép người dùng phát triển các ứng dụng C++ có khả năng can thiệp sâu đến các đối tượng của AutoCAD cũng như tạo ra các đối tượng mới của riêng mình Trong hệ thống thư viện ObjectARX,
AModeler là thư viện chuyên dùng để mô hình hóa khối rắn theo phương pháp mặt biên Điểm đặc biệt của AModeler là thư viện này cho phép xây dựng các
đối tượng 3D có
đường chuẩn là
Đối tượng
Mặt cắt đặc trưng
Điểm
đặc trưng
34
15
9
6 5
1= 35
2
3
4
22
27 2625 28
20
16
29
32
19
18 33
Hình 2 Cấu trúc dữ liệu của mặt cắt
12
10 11
Trang 4đường cong và các mặt chuẩn có hình dạng
thay đổi bất kỳ Điểm mạnh này có ở rất ít các
thư viện khác AModeler, do đó, thích hợp để
mô tả hình học các đối tượng công trình cầu
nơi các cấu kiện có mặt cắt rất biến đổi cả về
kích thước lẫn hình dạng Như vậy, môi trường
để xây dựng chương trình mô hình hóa hình
học là AutoCAD với các thư viện ObjectARX
và đặc biệt là AModeler
3.3 Cấu trúc chương 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 được lựa chọn bất kỳ như Access, Oracle,
v.v Để hệ thống có thể làm việc được với các
cơ sở dữ liệu khác nhau và có thể dễ dàng mở
rộng sau này, hệ thống được phát triển với cơ
sở dữ liệu Access nhưng được 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 như vật liệu, các điều
kiện liên kết, tải trọng, v.v
- Điểm: chứa các tọa độ của điểm (x, y,
z), loại điểm (thuộc đường chuẩn hay thuộc
mặt cắt) và mã của đường 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
phương của mặt cắt đó
- Đường chuẩn: chứa thông tin về hình
dáng chung của đường 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 tương ứng với loại đối tượng như 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 được nhập còn có thể
được lưu trữ vào hệ thống dưới dạng các template (mặt cắt mẫu) để áp dụng cho các mặt cắt khác Một số dữ liệu cho các đối tượng như đường chuẩn hay đường trục cầu
có thể được nhập thông qua các đường cong của AutoCAD, thông qua các điểm trên màn hình hoặc thông qua các tọa độ của các điểm
đặc trưng (bằng giao diện tương ứng hình 3b)
Vị trí của trụ cầu được xác định theo vị trí
đường trục cầu Chương trình tự động xác định
được sơ bộ cao độ đỉnh trụ căn cứ vào cao độ
đường trục cầu và chiều cao dầm
Hình 3 Nhập dữ liệu cho mặt cắt vμ đường chuẩn
3.4 Kết quả mô hình 3D trong chương trình
Từ các dữ liệu được nhập về mặt cắt,
đường chuẩn cũng như vị trí tương đối của các cấu kiện, chương trình sẽ tạo ra các mô hình 3D của công trình như trên hình vẽ 4 Các đối tượng hình học của mô hình là các đối tượng
Trang 5được xây dựng trên cơ sở các đối tượng của
AutoCAD do đó dễ dàng được xử lý trong môi
trường này Với các lệnh thông thường của
AutoCAD, người thiết kế có thể
- Quan sát được toàn bộ công trình đang
thiết kế ở các góc độ và mức độ chi tiết khác
nhau để đưa 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
thước của cấu kiện ở vị trí đó cũng tạo các
bản vẽ cần thiết
Hình 4 Mô hình 3D công trình
trong môi trường 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 chương trình con
làm nhiệm vụ kết nối, các dữ liệu hình học của
chương trình đã được chuyển đổi thành dữ liệu
đầu vào cho các chương trình phân tích kết cấu như SAP2000
iv Kết luận vμ hướng nghiên cứu
Mô hình hóa 3D hình học các công trình xây dựng đang được đặt ra như 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 chương trình hỗ trợ mô hình 3D các công trình cần được nhìn nhận như là một bộ phận của các hệ thống CAD Trong các hệ thống này, các mô hình 3D và 2D được chuyển đổi qua lại lẫn nhau Ngoài ra, các dữ liệu có trong mô hình hình học cần phải được chuyển giao tự động cho các hệ thống chương trình khác AutoCAD là một hệ thống hỗ rợ thiết kế
được dùng phổ biến và cho phép người dùng
có thể can thiệp mở rộng các đối tượng và tính năng của nó do đó đã được chọn làm môi trường phát triển chương trình mô hình hóa hình học 3D công trình cầu
Với kết quả bước đầu, chương trình đã cho phép xây dựng được các mô hình 3D các công trình cầu từ các dữ liệu thiết kế phổ thông do người dùng nhập Mô hình này giúp
đánh giá các thông số hình học của các đối tượng công trình Các dữ liệu hình học được nhập cũng đã được tích hợp để làm dữ liệu
đầu vào cho các chương trình phân tích kết cấu
Chương trình sẽ được phát triển để có thể kết nối đầy đủ hơn với các chương trình khác như 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, chương trình cũng cần được 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 được thuận lợi hơn
Trang 6Tài 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 đường, năm 2004♦
