迟小羽 郑国勤 王 琳 于贵友

(中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司，北京100013)

1 概述

计算机辅助设计(Computer Aided Design)和计算机辅助工程(Computer Aided Engineering)领域至今经历了数十年的发展，从最开始的简单造型表达如贝塞尔曲线，到后来的参数化建模和三维实体加工技术，再到最近非常流行的直接建模、PLM、BIM等技术和概念。底层的数据表达处理、几何描述、交互手段这些核心技术点上的创新一直为推动CAD行业发展提供源源不断的动力。

从CAD行业发展之初至今，无论是在工业领域，还是在建筑领域，都是以辅助设计、生产、施工等工作，并在这些环节中提高生产率为主要目的。尤其是在设计和加工流程和各环节，都需要对工作所涉及的实物进行详细的表达、描述和运算等，CAD、CAE软件将原来用图纸进行的工作，逐步转换到计算机上进行自动化的设计、加工、生产等。而这个过程中CAD类软件本身也经历了由二维到三维的转变。尤其是在20世纪70年代到80年代期间，一系列基于三维的几何内核(如Romulus、Parasolid、ACIS)的产生以及一些基于参数化造型设计的设计软件(如 Solidworks、Pro/E、CATIA)的推出，奠定了近二三十年CAD软件行业的基本形态和工作方式。这些几何内核(Geometry Kernel)其最重要的功能是进行复杂模型的几何造型，因此它们同时也被称为几何造型器(Geometry Modeler)。

本文即主要研究和分析在CAD软件领域中，尤其是建筑和BIM软件中三维几何内核的应用，以及这些应用所带来的生产力提高及对整个CAD行业发展的推动。

2 CAD、CAE软件尤其是BIM软件为何严重依赖几何内核

众所周知，任何工业产品，无论是建筑还是机械零件在加工生产出来之前都需要使用图纸进行设计、表达和描述。而设计师、工程师和工人们通过阅读这些二维图纸，并根据规则将其翻译成为三维实体的描述进行加工生产。计算机很难直接对二维的图纸和表达进行直接生产加工。从上世纪70、80年代开始，随着计算机运算能力的提升，通过计算机内部的数据结构描述和表达现实世界中三维部件、三维实体，并由这些数据表达和描述驱动数控加工设备(如数控机床)进行全自动化的实物加工和生产才成为了可能。

也正是在70年代末、80年代初，以英国剑桥为中心的一些科研人员们先后推出了Parasolid和ACIS这两个现今使用最为普遍的几何内核。而现今我们熟悉的机械及建筑类的CAD、CAE软件的底层几何描述，几乎都是基于这两款几何内核之上。从名称不难看出，Parasolid之命名就有参数化(parametric)设计及实体(solid)建模的意义。

从80年代后期开始，建筑类CAD软件也紧随着机械CAD软件行业之后开始应用三维几何造型内核以辅助建筑的参数化造型、设计，以及部件的生产和加工等工作。虽然与全自动加工生产没有机械行业那么紧密，但几何造型内核仍能在很多方面给予建筑领域CAD软件在设计和表达描述上很大的提升和帮助。

可以说没有三维几何内核，就没有最近三十年的工业化生产，现在人们日常生活中使用的产品，小到手表、圆珠笔、手机，大到汽车、飞机、体育场、核电站，都离不开CAD、CAE类软件，而绝大部分CAD、CAE软件背后的三维几何表达都无一例外的依靠着三维几何内核。毫不夸张地说，人类今天的生活正严重依赖着CAD软件中的几何内核。几何内核是所有CAD、CAE软件的最核心技术之一。

3 国内外主流CAD软件几何内核应用情况[1][3]

如前所述，现在工业领域的CAD、CAE软件几乎无一例外地使用几何内核作为三维的设计、表达、运算工具。而现在的几何内核主要分为三大产品。他们分别是达索系统(Dassault System)旗下的ACIS，西门子工业仿真(Siemens PLM)旗下的Parasolid，以及Matra Datavision旗下的开源内核Open-CASCADE。其中Parasolid和ACIS是性能优秀且使用广泛的商业内核，而OpenCASCADE虽然性能稍逊，但是由于其开源和免费，也拥有众多的用户。

(1)Parasolid由于开发较早(1986年始)，且性能最快(大部分数据结构使用C代码编写)，同时又在后来被UG、Siemens PLM等大集团收购，其拥有众多大型CAD软件作为用户，如Solidworks、Autodesk Inventor、UG Solid Edge、Nemetschek VectorWorks、Bentley MicroStation、Tekla、ANSYS 等，这些企业都是规模较大，年软件销售额在2亿美元以上的企业。

(2)ACIS由于推出的略晚于Parasolid，由几乎相同的初创团队进行开发，并进行了面向对象的封装，虽然其在速度和效率上有所不及，但是功能性、易用性和售后支持在其2003年被达索系统收购之后都有了很大提升，现今众多主流的CAD软件也在使用ACIS作为几何内核，如AutoDesk AutoCAD、Dassault Catia、Pro/E、Solid Modeler、TurboCAD、达索Abaques、Ansys Fluent、Intergraph 系列产品等。

(3)OpenCASCADE在1999年开源，虽然其在布尔运算的速度和稳定性上明显逊色于前两款商业几何内核，但仍拥有众多使用者，如4M Inteli-CAD、Smamtech、Midas Civil(后改用 ACIS)、Any-Works、FreeCAD 等。

类似于80、90年代的机械加工业CAD软件的三维化和参数化造型化，最近几年，随着建筑行业对工程规模、质量等方面的需求越来越高，精确的三维几何造型、三维表达、三维部件加工已经越来越多地应用在众多建筑工程之中，而BIM的概念也类似于当年制造业中PLM(Product Lifecycle Management)概念的推广和普及，慢慢地在建筑行业被人们所接受和熟悉。如今建筑领域知名的大型CAD软件，都无一例外地使用了几何内核。

据称，Autodesk公司由于在2001年前后永久买断了ACIS的代码使用权，其产品AutoCAD，以及后来收购的Revit都使用ACIS作为几何内核，可以高效地进行三维几何形体的参数化建模和编辑，并能导出拥有拓扑信息和体数据的“.sat”、“.sab”体模型文件和“.dwg”系列体模型文件。

Bentley的Microstation一直以来都使用Parasolid作为几何内核，并在此基础上支持各种三维建模、编辑、运算和操作。

Nemetschek的Vectorworks产品通过使用Parasolid作为几何内核，提高了三维表达能力和运算速度。

Dassault的CATIA软件也是基于ACIS几何内核的产品，由于其积累了大量大型工业项目和产品的设计经验(如大飞机、核电站等)，最近CATIA也进入了建筑BIM市场，并参与了鸟巢、银河soho、上海中心的一系列项目。这些复杂形体的设计、建模与加工建设，都离不开其使用的ACIS内核。

特别是在结构及仿真领域，通用仿真软件ANSYS和钢结构软件Tekla都使用Parasolid作为几何内核表达和运算工具，这样不仅能够很容易地导入其他CAD软件设计的含有三维实体信息的模型进行运算，在本软件进行仿真模拟运算之后的结果也可以直接输出进行制造和加工。在建筑部件越来越多地被工厂化加工和生产的未来，这几乎成为BIM或建筑类CAD软件所必须具备的能力。

与国际上主流的建筑类CAD和BIM软件深度使用几何内核形成鲜明对比的是，国内同行业的企业们还处在相对初级的阶段。除了主要面向机械制造领域的CAXA使用了Parasolid和ACIS双内核之外，几何内核的使用在国内则主要停留在科研和一些项目层面，很少有国内CAD类软件直接使用三维几何内核。如一些厂商的产品主要定位是出平面施工图;以工程预算和造价为主要产品的企业，其造价和算量软件产品也是基于二维图纸信息;国内相当数量的CAD软件公司更是直接把自己的软件产品做在AutoCAD或者Revit平台之上。从现在的市场和技术情况分析，国内一些机械制造领域CAD厂商在开发和使用几何内核，而建筑领域CAD厂商仍然需要一段时间来适应建筑类CAD软件的BIM化和三维化。

4 建筑类CAD软件，尤其BIM系统对几何内核的应用的特殊需求

BIM的概念是最近几年建筑及CAD软件行业提出的最重要的概念，其影响力和重要程度不亚于二十余年前甩开绘图板的“无纸化设计”，被称为又一次建筑设计行业的革命。由于其所代表的技术先进性和能够提供巨大的便利和生产力革命，BIM是未来十年内建筑行业和CAD软件行业唯一可以用革命二字形容，且最具商业价值的方向和增长点。最近十年建筑领域最为火热的概念即BIM，通过BIM功能的实现，在整个建筑的规划、设计、施工建设、使用维护的整个过程中，各种数信息、数据流和状态等，能够被有效地组织、传达和管理起来。而作为建筑BIM应用中最重要的几个专业领域，如建筑设计、结构、设备MEP等，都能从对几何内核的应用中得到极大的能力提升和效率提升。以下我们会一一阐明。

4.1 建筑设计专业对几何内核的需求

建筑专业，尤其是建筑设计师需要对建筑的外形和基本结构进行建模，高精度几何模型、复杂的曲面建模和曲面表示都是建筑行业所需要的。同时建筑行业对几何模型的规模需求较大，很多建筑设计的细节都需要能够显示出来，可视化的三维交互编辑对建筑设计师设计满意的建筑是有很大的帮助的。以上的一些实际应用需要BIM产品的图形平台有很强的几何建模能力(复杂曲面建模)和大规模复杂场景运算、显示能力。

同时，建筑行业在进行建模的过程中需要涉及到大量的几何布尔求交运算，如在墙上打孔安装窗户等类似的建模和编辑过程中，需要正确的布尔运算。同时，如果涉及到在圆弧或者复杂曲面上的模型(见图1)，对运算的效率和正确性都有很大的要求。现在很多建筑专业此类功能开发时，底层函数是由专业人员写的，算法的深度、广度都有局限性，如果能使用商业几何内核，直接调用其API，能大大提高BIM产品的开发效率和开发出软件产品的功能和稳定性。

近几年为提高设计效率而来的族库(Family)也能够对建筑设计专业提升工作效率提供非常大的帮助，用有限的功能去实现用户无限的需求，见图2中各式各样的凸窗，用参数描述复杂且有限。而族库概念是建立在参数化造型设计和三维几何内核应用的前提之上的，是可以发挥和扩展的。

4.2 设备专业(水暖电MEP)对几何内核的需求

BIM概念的作用在建筑后期的运营维护阶段会更凸显出来，运营阶段对设备专业的设备管理将会占很大比例，所以设备专业模型信息的建立、表达、描述就变得很重要。

各设备专业需要大量的三维模型图库以解放设计师，毕竟建筑设备工程师们不是设备厂商的设计师，直接调用这些图库或者模型库，省去不必要的建模工作，能够大量节省他们的工作量和劳动量，为BIM软件用户提供更高的工作效率。

现在流行的建筑行业族库，主要使用参数化模型描述，即通过一个基础模型和对此基础模型的一系列参数化编辑，能够生成一系列的模型组件。这样，平台软件内不需要存储大量的几何建模结果，同时又能让设计师用最短的时间获得他们想要的部件模型。而对于族库的应用，需要三维底层几何描述有强大的参数化模型描述和建模能力，以及正确高效的布尔运算能力。

同时，在进行设备布局和建筑设备设计的时候，尤其是MEP专业中，会涉及到布局和管线走线等工作。从技术角度上需要使用几何模型的碰撞检测和一定的路径规划来处理此类问题，这也是几何内核与其配套的约束求解器的主要功能之一(见图3)。

4.3 结构平台对曲面造型、曲面网架构造的需求

图3 几何约束求解器路径规划和碰撞检测功能

作为对于建筑建造和安全最为重要的领域，结构计算是BIM中非常重要，但又非常难于整合实现的一个专业性极强的工作，尤其是结构计算在有限元网格划分和模型计算的时候有一套自身独特的优化规律和规则。也正是由于这些特殊性，导致至今为止的BIM系统都不能把结构计算性能做到最极致。

作为结构领域知名软件之一，MIDAS在模型数据模型读取和转换上购买了Dassault Spatial的InterOP产品，可以处理和转换各种国际上处理的结构计算文件格式。同时，其几何内核使用了OpenCASCADE进行三维几何建模描述工作(后改用ACIS)，能够进行一定的曲面造型，建造曲面网架，并进行布尔运算。相应地，钢结构的Tekla使用了Parasolid作为几何内核。

未来平台需要有一定的曲面造型能力，才能构造曲面网架，并进行曲面网架的构建运算等，同时对更为复杂的建筑进行结构模拟和运算。

同时，对于比较复杂的结构模型，BIM产品需要足够的几何曲面造型能力和表达能力，才能生成真正符合复杂建筑物结构的结构模型，而这对几何内核的性能提出了较高的要求(见图4)。

4.4 BIM中通用数据平台对几何内核的需求

同一套BIM系统之下，数据平台需要在各个专业之间传输数据，并进行统一的管理，需要统一的几何表达和描述格式。同时，由于BIM产品系统平台开放性的需求，需要未来在用户处(主要是各个设计单位)需要能够读入各厂商软件格式的设计数据，如 SAT、DGN、DWG、JT、IGES、CATIA(V5/V6)、X_T、STEP等，而这些格式的文件中有可能含有复杂曲面建模的和CSG体表达的数据等。

图4 复杂三位结构表达需求示意图

为能够读取和处理这些国际上通用的CAD标准文件，BIM产品需要有足够的几何描述表达能力读取和处理B-rep几何表达的文件，并需要让经过其处理的结果能够存储成为这些国际上主要流形文件格式，以便在各种用户处达到很好地兼容性。只有拥有几何内核作为三维描述、处理和运算的基础，能够兼容各种三维数据格式，BIM系统才不是一个孤立的封闭系统，便于用户的使用扩展以及与各种行业标准软件兼容。

通过以上几点分析不难看出，未来的BIM系统对于建筑领域各个专业的应用都需要通过几何内核的支持才能实现。同时，BIM所需要的可视化、协调性、优化性、模拟性、可出图性这五大基本特征，其中除了模拟性和可出图性在之前数十年的CAD行业软件中有大量的积累(也是前一代“无纸化”革命的成果)。其它如可视化、协调性、优化性是BIM技术革命的主要新技术点大都需要依赖于三维几何内核才能够实现。

同时，作为与机械制造业区别最大的一点，BIM系统需要处理大规模海量的模型数据，对于大型建筑或规划建筑群，往往需要在一个场景中同时处理几十万甚至是上百万数量级别的构件。而这种量级的数据处理和表达，对几何内核提出了很高的要求，需要其拥有诸如LOD(Level of Detail)、数据简化、大规模数据存储调度等一系列技术作为支撑。我们也不难看出最近几年，原本作为制造业领域的CAD软件CATIA，由于其在飞机制造、核电站及水利设施设计等方面拥有良好的技术积累，在进入建筑领域后取得了一系列大型项目的成功。几何内核的应用已经成了BIM的一个必要需求。

5 三种重要几何内核性能实测及应用评估

通过前面部分的研究，我们可以初步了解，在近几年蓬勃发展的BIM产品中，不能缺少对三维几何内核及造型器的使用。尤其是建筑各个专业之间的信息描述、表达和沟通，对三维几何内核有严重的依赖。但是，使用何种内核更适合BIM应用，并且能够很好地支持各种信息的交互和协同?同时，如何才能更好地使用这些几何内核?这不仅需要参照主流BIM 软件如Revit、Micro Station、CATIA等的几何内核使用情况和实际应用效果，更需要在对各种几何内核实际开发和应用之后，以相应的实验数据和结果作为评估以及应用指导。

下面我们结合实际开发工作中的一些实验结果和测试评估报告，对现今主流的三款几何内核进行实际性能的对比分析和应用研究。

在对比测试实验中，除了最基本的三维造型能力，如各种拉伸、旋转、扫掠、放样等基本的几何造型操作，以及基本的三位布尔运算(交、并、差)之外，我们还会模拟实际BIM类软件在建筑规划、设计、计算等应用中的实际对相对大体量模型的处理和计算。同时，也会对于设计、结构、场景浏览等经常用到的剖切、可见性判断、隐藏线剔除等应用进行一系列的用例进行测试。最后，作为BIM软件开发的基本构成和工具，我们会测试各款几何内核的易用性、可调试性、稳定性、技术支持力度等对于软件开发非常重要的产品特性。测试评估项目列表如下:

测试评估项目1:复杂几何形体造型(测试复杂几何造型能力);

测试评估项目2:齿轮形状实体造型(测试几何造型及布尔运算能力);

测试评估项目3:简单立方体墙体造型运算(7块墙体，简单布尔运算应用);

测试评估项目4:双体结构主楼简易模型建模及绘制(较大规模建模应用);

测试评估项目5:双体结构主楼建议模型隐藏线计算和剔除(较大规模建模及布尔运算应用);

测试评估项目6:系统整合及应用测试(实际测试应用)。

与测试同时，我们将三款几何内核封装并实现到我们的BIM系统之中，通过各专业实际使用和反馈，来评价应用中几何内核的表现情况。

5.1 部分实测结果对比

三款几何内核都能进行复杂的三维实体建模，同时支持拉伸、扫掠、旋转、对称、圆角等功能，支持Nurbs等复杂曲线、曲面描述表达，以及各种布尔运算，见图5。

各内核都可以建立复杂三维实体组合并进行布尔运算及可见线消隐和剔除，图6是“测试评估项目2”的用例图。

各内核都可以顺利进行双体主楼模型建模并进行部分布尔并运算，图7是“测试评估项目4”的用例图。

各几何内核都可以进行可见性计算和隐藏线剔除，图8是“测试评估项目5”的用例图，但是对于过于复杂的模型Parasolid不能正确计算隐藏线。

5.2 应用及评估结论

5.2.1 Parasolid

作为底层大部分使用面向过程C风格代码实现的几何内核，同时拥有内部原生支持多线程，Parasolid拥有最快速的几何造型和布尔运算速度。平均要比ACIS快一倍左右，在某些布尔运算甚至要比Open-CASCADE快两个数量级。同时，由于其拥有MicroStation、VectorWorks、SolidWorks 等一系列影响力很大的建筑及工业CAD软件作为客户将其应用，以及其母公司Siemens PLM对营销的重视，Parasolid无论是性能还是影响力，都是作为BIM软件开发时候几何内核的首选，即使其在某些方面，如易用性、封装安全性、本土售后支持等方面存在一些不足。

但是由于其价格较高、用户较少，在国内使用Parasolid开发软件的用户屈指可数。只有拥有一定实力的企业才建议使用。

5.2.2 ACIS

作为晚于Parasolid一段时间推出的ACIS内核，由于其采用了面向对象技术封装，因此，在安全性和易用性上都优于Parasolid。同时，在Dassault旗下营销策略的支撑之下，ACIS在中国本土有相应的产品经理和客户经理进行销售和技术支持，每年还会定期推出技术更新，以便满足客户随时可能变化的需求。同时，主流的CAD软件及BIM软件如Pro/E、AutoCAD、Revit、CATIA 等其内核有很大一部分使用的是ACIS内核，其行业影响力也不可小觑，作为国内用户数量最多的建筑绘图软件，AutoCAD使用ACIS作为三维内核进行三维体建模和表达，图9是AutoCAD平台显示的模型。

由于使用ACIS作为内核的软件有很多是大众化的CAD软件，有相当多的用户数量，在加上Dassault国内销售人员的努力推广，ACIS在国内软件开发行业拥有一定数量的用户群和影响力，用户数目要多于Parasolid。

5.2.3 OpenCASCADE

作为三款内核中唯一一款开源并免费的几何内核，OpenCASCADE的确在布尔运算、技术支持等一系列性能和产品特性上落后于前面两款商业内核。但是正是由于其开源和免费的缘故，在高校和科研领域以及中小企业中间有相当大的影响力。为节省开发成本，众多中小企业都选择使用Open-CASCADE作为底层几何内核实现，并整合到他们的产品和系统中。

但是，作为非商业内核，OpenCASCADE在性能、效率、稳定性上的劣势，在软件规模逐渐加大的时候会严重影响软件品质和性能，因此，对产品品质有严格要求的企业会更加倾向于Parasolid或者ACIS这类商业内核。仅建议初次接触三维几何内核的中小企业使用OpenCASCADE作为内核进行开发，并在软件构架及接口设计时保留未来转换到Parasolid或ACIS内核的可能。

6 结论

从本文的分析中不难看出，虽然大部分CAD、CAE软件的实际使用者——设计师和工程师并没有关注，但实际上，现今任何一款成功的商业CAD、CAE软件，无论机械制造业CAD软件还是建筑领域的BIM软件，都离不开几何内核的应用和支持，无论是使用 Parasolid，还是 ACIS，或是 OpenCASCADE作为三维几何内核和造型器。使用三维几何内核已经成为CAD软件成功的必备条件。

未来若干年必将继续蓬勃发展的BIM，也因其自身对于三维图形显示、协调、模拟等方面的技术需求，将会更加依赖以几何内核为代表的底层核心技术。无论是自主开发还是通过购买商业授权库，都需要大量持久的人员和研发工作投入，才能做好BIM软件底层基础，以支撑起上层的应用。希望通过本文的研究结果和应用指导，能够帮助BIM软件厂商选择适合的底层技术和产品组建，开发出性能更好的BIM类软件产品。

[1]百度文库.ACIS内核和parasolid内核的来龙去脉与比较，http://wenku.baidu.com/

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