構造物のモデリング方法

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【発明の名称】	構造物のモデリング方法
【発明者】	【氏名】平岡勇人
【目的】
【構成】

【特許請求の範囲】
【請求項１】構造物の３次元ＣＡＤデータを生成する方法であって、前記構造物を構成する各曲面を複数の曲線で表し、前記曲線を表現する数式を表すデータを生成する解析ステップと、前記解析ステップで生成した前記データが表す前記数式にもとづいて前記曲線上の各点の３次元座標値データを生成する演算ステップと、前記演算ステップで生成した前記座標値データによりＤＸＦ形式の３次元ＣＡＤデータを生成するＣＡＤデータ生成ステップと、を含むことを特徴とする構造物のモデリング方法。
【請求項２】前記解析ステップでは前記構造物の設計図にもとづいて前記曲面を複数の前記曲線で表し、前記曲線を表現する前記数式を表すデータを生成する請求項１記載の構造物のモデリング方法。
【請求項３】前記解析ステップでは、前記構造物の各部分の形状の同一性および対称性のいずれか一方または両方にもとづき、前記構造物のある部分に係わる既に生成した数式を表すデータを利用して、前記構造物の他の部分に係わる前記数式を表すデータを生成する請求項１記載の構造物のモデリング方法。
【請求項４】前記数式は多項式である請求項１記載の構造物のモデリング方法。
【請求項５】前記数式は前記曲線を３次元直交座標系において表現する請求項１記載の構造物のモデリング方法。
【請求項６】前記曲面は前記構造物の外面を成す請求項１記載の構造物のモデリング方法。
【請求項７】前記演算ステップはコンピュータにより実行する請求項１記載の構造物のモデリング方法。
【請求項８】ＤＸＦ形式の前記３次元ＣＡＤデータは少なくともヘッダ部とデータ部とを含み、ヘッダ部は、前記構造物の画像の色と、画層に係わるデータとを含み、データ部は前記座標値データに係わるデータを含む請求項１記載の構造物のモデリング方法。
【請求項９】前記ＣＡＤデータ生成ステップはコンピュータにより実行する請求項１記載の構造物のモデリング方法。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、構造物の３次元ＣＡＤデータを生成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】建物などの構造物を建築する場合、建物の設計図にもとづいて鉄骨などが組み立てられ、コンクリートの打設や、種々の建築材料の取り付けなどが行われる。設計図には本来このような建築施工に必要なすべての情報が含まれているが、設計図だけから構造物を視覚的に把握することは必ずしも容易ではない。そこで従来は一定の縮尺率で構造物の模型を作成し、模型を通じて構造物を視覚的に把握できるようにして、建築施工計画を立てる際の助けとしている。
【０００３】しかし、このような構造物の模型の作成は専門家に依頼しなければならず、高額の費用と時間がかかるという問題があり、さらに模型の精度は必ずしも十分ではないという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】そこで、近年普及が目覚ましいコンピュータグラフィックス（以下、ＣＧともいう）の技術を利用して、構造物の立体的な画像をモニタの画面などに表示することが考えられる。ＣＧでは種々の角度から見た構造物の画像を自由に表示できるので、模型と同様の機能を期待できる。
【０００５】ところで、ＣＧにより構造物を表示しようとする場合には、構造物のモデリング、すなわち構造物を表すデータの生成が必要であり、そのため、構造物を形成する各曲面上の各点の３次元座標値をすべてコンピュータに入力する必要がある。これらの点の数は、表示画像を、その表面が滑らかで実物に近いものにしようとするほど多くしなければならず、よほど単純な構造物でない限り、通常は膨大な数となる。そして、このような膨大な数のデータをキーボードやマウスを操作して入力することになり、入力作業には多大の時間と労力が必要となる。また、入力ミスにより誤ったデータを入力してしまうという問題も生じる。
【０００６】そこで本発明の目的は、構造物をＣＧにより表示するためのデータを容易に、かつ短時間で、さらに正確に生成することを可能する構造物のモデリング方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成するため、構造物の３次元ＣＡＤデータを生成する方法であって、前記構造物を構成する各曲面を複数の曲線で表し、前記曲線を表現する数式を表すデータを生成する解析ステップと、前記解析ステップで生成した前記データが表す前記数式にもとづいて前記曲線上の各点の３次元の座標値データを生成する演算ステップと、前記演算ステップで生成した前記座標値データによりＤＸＦ形式の３次元ＣＡＤデータを生成するＣＡＤデータ生成ステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】本発明はまた、前記解析ステップでは前記構造物の設計図にもとづいて前記曲面を複数の前記曲線で表し、前記曲線を表現する前記数式を表すデータを生成することを特徴とする。本発明はまた、前記解析ステップでは、前記構造物の各部分の形状の同一性および対称性のいずれか一方または両方にもとづき、前記構造物のある部分に係わる既に生成した数式を表すデータを利用して、前記構造物の他の部分に係わる前記数式を表すデータを生成することを特徴とする。
【０００９】本発明はまた、前記数式が多項式であることを特徴とする。本発明はまた、前記数式が前記曲線を３次元直交座標系において表現することを特徴とする。本発明はまた、前記曲面が前記構造物の外面を成すことを特徴とする。本発明はまた、前記演算ステップをコンピュータにより実行することを特徴とする。本発明はまた、ＤＸＦ形式の３次元ＣＡＤデータが少なくともヘッダ部とデータ部とを含み、ヘッダ部は、前記構造物の画像の色と、画層に係わるデータとを含み、データ部は前記座標値データに係わるデータを含むことを特徴とする。本発明はまた、前記ＣＡＤデータ生成ステップをコンピュータにより実行することを特徴とする。
【００１０】解析ステップでは、構造物を構成する各曲面を複数の曲線で表し、曲線を表現する数式を表すデータを生成する。そして、演算ステップでは、解析ステップで生成したデータが表す数式にもとづいて曲線上の各点の３次元の座標値データを生成し、ＣＡＤデータ生成ステップでは、演算ステップで生成した座標値データによりＤＸＦ形式の３次元ＣＡＤデータを生成する。このＣＡＤデータにより、例えば市販のＣＡＤソフトを用いて、構造物を種々の角度から見た場合の画像をモニタの画面に表示したり、あるいは印刷することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明による構造物のモデリング方法により構造物の立体的な画像を表示する手順を示すフローチャートであり、図２、図３はそれぞれ画像表示すべき建物の一例を示す立面図および平面図である。以下では、図２、図３に示した建物２の特に屋根４の部分を立体的に表示する場合を例に説明する。
【００１２】この建物２は平面視矩形の屋根４を４本の柱６で支持した構造であり、屋根４の中央部の矩形領域は屋上８となっている。建物２の屋根４は、図３に示すように、中心線Ａ、Ｂに関して対称である。そして屋根４の長辺部１０の端部領域１２の形状は、平面視および側方視のいずれにおいても、短辺部１４との境界を成す稜線部１６に関して、短辺部１４の片側領域１８の形状と対称である。このような対称性は屋根４のいずれの角においても成立しており、従って、対向する２つの長辺部１０の各端部領域（１２など）、および対向する２つの短辺部１４の各片側領域（１８など）の曲面は基本的に同種の曲線の集合により表すことができる。
【００１３】図４および図５はそれぞれ屋根４の長辺部１０および短辺部１４を表す、設計図としての立面図であり、これらの図ではより分かり易くするため、屋根各部の曲りが強調して表示されれている。図４の長辺部１０は、中央領域２０と左右の端部領域１２、２２とに分けることができる。中央領域２０は立面図および平面図（図３）のいずれにおいても矩形であり、その水平方向の長さは本実施例では４ｍとなっている。また、上方に若干膨らんだ形状となっているが、膨らみ方は長手方向のどの位置でも一定であり、詳しくは、長手方向に直交する鉛直面内で、屋根４下の所定位置を中心とする半径１６．８ｍの円弧を描いている。
【００１４】一方、左右の端部領域１２、２２では軒先２４、２６および稜線部１６、２８が曲線を描いており、中央領域２０より複雑な形状となっている。寸法については、屋上８の各角３０、３２と屋根４（長辺部１０）の各角３４、３６との水平距離は本実施例では３．７５ｍであり、屋上８の各角３０、３２と、上記中央領域２０の端３８Ａ、３８Ｂとの間の水平距離は、本実施例では３．５ｍとなっている。
【００１５】また、全体は、中央領域２０と同様、上方に若干膨らんだ形状となっており、長手方向に直交する鉛直面内で、屋根４下の所定位置を中心とする半径１６．８ｍの円弧を描いている。ただし、これら端部領域１２、２２の場合には、円弧の中心位置は、長手方向の位置によって少しずつ変化しており、それにより長辺部１０の両端部で若干跳ね上がった形状が形成されている。
【００１６】稜線部１６、２８は、屋根４下の所定位置を中心とする半径１６．８ｍの円弧を描き、一方、端部領域１２、２２の軒先２４、２６は、屋根４上の所定位置を中心とする適宜半径ＲＡの円弧を描いている。また、屋上８と長辺部１０の各角３４、３６との間の垂直距離は１．６ｍ、中央領域２０の軒先５４と角３４、３６との間の垂直距離は０．２５ｍとなっている。
【００１７】図５に示した短辺部１４は、図４の長辺部１０において中央領域２０を削除した形状となっている。従って、短辺部１４の各片側領域４０、１８はそれぞれ長辺部１０の端部領域１２または端部領域２２と同じ形状であり、稜線部１６、４２は、この図面においても、屋根４下の所定位置を中心とする半径１６．８ｍの円弧を描き、一方、軒先４４、４６は、屋根４上の所定位置を中心とする適宜半径ＲＢの円弧を描いている。
【００１８】図１のフローチャートにおいて、処理手順の主要部は３つのステップ（ステップＳ１～ステップＳ３）から成り、各ステップが本発明の解析ステップ、演算ステップ、ＣＡＤデータ生成ステップに相当している。まず、ステップＳ１では、屋根４の各曲面を複数の曲線で表し、曲線を表現する数式を表すデータを生成する。図６は、屋根４の角３６の部分を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は立面図、（Ｃ）は断面立面図である。ステップＳ１では、これらの図に示すように、まずＸ、Ｙ、Ｚの直交座標を設定する。本実施例では、長辺部１０の延在方向にＸ座標、短辺部１４の延在方向にＹ座標、鉛直上方にＺ座標を設定する。
【００１９】図６の（Ｃ）に示した断面立面図は、Ｘ軸の方向から屋根４の長辺部１０を見たものである。この図にも示すように、稜線部２８は、半径１６．８ｍの円弧を描き、一方、屋根４の中央領域２０も、稜線部２８の場合と中心の位置は異なるが、半径１６．８ｍの円弧を描いている。
【００２０】そして、本実施例では、端部領域２２を成す曲面は、屋上８の縁４８と軒先２６とを結ぶ、Ｙ軸およびＺ軸に平行な多数の曲線５０および稜線部２８と軒先２６とを結ぶ、Ｙ軸およびＺ軸に平行な多数の曲線５２により表す。隣接する曲線５０の間隔および隣接する曲線５２の間隔は共に、本実施例では、屋根４を構成する鉄骨の間隔に一致させ、例えば０．２５ｍとする。従って、屋根４をこのような曲線５０、５２で表すようにした場合、各曲線は屋根４を構成する鉄骨の配置位置を表すことになる。
【００２１】これらの曲線５０、５２は、平面図および立面図では直線であり、そして、図６の（Ｃ）に示した、Ｘ軸方向から見た断面立面図では、稜線部２８や中央部２０と同様、円弧となっているので、次のような２次の多項式により表される。
【数１】Ｙ＝ａＸ² ＋ｂＸ＋ｃＺ＝ｐＸ² ＋ｑＹ² ＋ｒＸ＋ｓＹ＋ｔここで係数ａ、ｂ、ｐ、ｑ、ｒ、ｓ、ｔは定数である。これらの定数は、円弧を成す各曲線５０、５２の中心の位置、および曲線５０、５２の始点と終点の位置により決まるものであり、従って、上述のような屋根４の寸法に関する設計値にもとづいてすべて決定することができる。これらの定数のデータが曲線５０、５２を表現する数式を表すデータとなる。
【００２２】そして、屋根４の長辺部１０の他の３つの端部領域および短辺部１４の４つの片側領域においても、曲線５０、５２に相当する曲線をそれぞれ設定して各端部領域および各片側領域の曲面を多数の曲線で表し、各曲線を表す、［数１］に示した形の多項式を決定する。短辺部１４の各片側領域は、上述のように、長辺部１０の端部領域と基本的に同じ形状であるから、方向や位置が異なるものの長辺部１０の場合と基本的に同種の曲線により表すことができる。
【００２３】また、長辺部１０の中央領域２０も、Ｙ軸およびＺ軸に平行な多数の曲線により表す。この場合には、Ｘ軸上の位置によって断面形状は変化しないので、各曲線は１つの曲線をＸ軸上で、鉄骨の間隔に相当する距離だけ移動したものとなる。中央領域２０も上述のように円弧を描いているので、各曲線は２次の多項式により表され、各項の係数を求め、曲線を表す数式のデータとする。
【００２４】次に、ステップＳ２では、ステップＳ１で生成した数式を表すデータにもとづいて、すなわち係数が決定された［数１］の形の多項式にもとづいて、長辺部１０および短辺部１４ごとに、各曲線上における各点の３次元の座標値データを求める。例えば曲線５０、５２の場合には、Ｘ座標値は既知であるから、Ｘ座標値としてはその既知の値を与え、Ｙ座標値を一定のピッチで変化させて、各ＸおよびＹ座標値に対するＺ座標値を算出し、曲線５０、５２上の各点の３次元の座標値データを求める。
【００２５】このようにして求めた各点のＸ、Ｙ、Ｚの座標値の例を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】表中、各列は、左から順にＸ、Ｙ、Ｚの座標値を表し、各行のＸ、Ｙ、Ｚの座標値の組みがそれぞれ各点の座標値となっている。単位はｍｍである。また、各グループＬ１～Ｌ４は各々１本の曲線上の各点の座標値を表している。なお、［数１］のような多項式にもとづいて座標値を求める演算は例えばパーソナルコンピュータを用いることにより容易に行うことができる。
【００２８】また、例えば端部領域２２に関して、３次元の座標値データを求める点の位置を、図６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各図面に対応させてプロットすると、図７に示すようなものとなる。図７の（Ａ）は端部領域２２の箇所の平面図、（Ｂ）は同立面図、（Ｃ）は同断面立面図である。これらの図面中の各点Ｐが３次元の座標値データを求める点を表している。ただし、点が密集している箇所では、縦（図７の（Ｂ））あるいは横（図７の（Ｃ））の直線として表示されている。
【００２９】その後、ステップＳ３において、ステップＳ２で求めた座標値データにより、例えばパーソナルコンピュータ上でＤＸＦ形式の３次元ＣＡＤデータを生成する。ＤＸＦ形式はＣＡＤの分野では標準的なデータ形式として広く利用されており、市販の多くのＣＤソフトは、この形式のＣＡＤデータを取り込み、画像表示を行うことができる。このＤＸＦ形式ではデータは大きく分けてヘッダ部、データ部、フッタ部の３つの部分から成る。そしてヘッダ部は、画像の色と画層に係わるデータを含み、データ部は座標値データに係わるデータを含んでいる。従って、本実施例では、ヘッダ部に、屋根４をどのような色で表すかを指定するデータと、屋根４を表示する際の画層に関するデータを書き込み、そして、データ部に、ステップＳ２で求めた座標値データを所定の形式で書き込んで、ＤＸＦ形式の３次元ＣＡＤデータを生成する。
【００３０】以上により屋根４のモデリングは終了であり、以降、得られたＣＡＤデータにより屋根４を立体的に表示することができる。具体的には、市販のＣＡＤソフトを例えばパーソナルコンピュータ上で走らせ、まず、ステップＳ３で得られたＤＸＦ形式のＣＡＤデータを読み込む（ステップＳ４）。その後、使用するＣＡＤソフトにおける操作手順に従って、屋根４を種々の角度から見た場合の立体的な画像を、上記パーソナルコンピュータのモニタに表示させたり、あるいはプリンタにより印刷したりすればよい（ステップＳ５）。図８の（Ａ）～（Ｆ）は、このようなレンダリング出力の例を示す説明図である。
【００３１】これらの出力例では色付けは行われていないが、上記ヘッダ部に書き込んだ色に関するデータにもとづき、上記ＣＡＤソフトにより屋根４の各部を色付けすることも容易であり、より実際に近い屋根４の画像を表示することができる。このような出力結果、すなわち図８に示したような画像や、色付けされた画像を参照することにより、従来のように建物２の模型に頼ることなく、建物２の建築施工を計画することができる。そして、本実施例では、屋根４を表す各点の座標値は［数１］に示した形の多項式により算出するので、従来のように各点の座標値を１つ１つキーボードやマウスを操作して入力するといった手間と時間のかかる作業は一切不要である。
【００３２】なお、本実施例では建物２の屋根４を例に説明したが、本発明は言うまでもなく屋根以外の任意の構造物に適用することができる。例えば地中に埋設する種々の配管などに対して、本発明の方法を適用して３次元ＣＡＤデータを生成し、それらの配管の画像を立体的に表示することも可能である。このような画像は、例えば、配管を地中内の他の配管などの構造物を避けて埋設するような場合、他の構造物との位置関係を把握するのに有用である。
【００３３】また、上記実施例では、屋根４を表す曲線（曲線５０、５２など）は、上述のように、屋根４を構成する鉄骨の位置に配置したので、曲線の数が屋根を構成する鉄骨の数を表し、また各曲線の長さが対応する各鉄骨の長さを表している。従って、曲線の数および長さから鉄骨の重量などを見積もることも可能である。さらに、各曲線は数式により厳密に表され、そして鉄骨の接合点での角度データも数式より取得できるので、各曲線の数式データを、鉄骨を製作する際に用いる原寸図の作成に利用することもできる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように本発明の構造物のモデリング方法では、解析ステップにおいて、構造物を構成する各曲面を複数の曲線で表して、曲線を表現する数式を表すデータを生成し、演算ステップでは、解析ステップで生成したデータが表す数式にもとづいて曲線上の各点の３次元の座標値データを生成する。そして、ＣＡＤデータ生成ステップにおいて、演算ステップで生成した座標値データによりＤＸＦ形式の３次元のＣＡＤデータを生成する。このＣＡＤデータにより、例えば市販のＣＡＤソフトを用いて、構造物を種々の角度から見た場合の画像をモニタの画面に表示したり、あるいは印刷することができ、これらの出力結果により、構造物の模型を参照することなく例えば構造物の建築施工計画を立てることができる。そして、本発明の構造物のモデリング方法では、構造物の各点の３次元座標値は、上記数式にもとづいて算出するので、従来のように各点の座標値を１つ１つキーボードやマウスを操作して入力するといった手間と時間のかかる作業は一切不要である。また、その結果、入力ミスの問題も解消し、正確に座標値データを生成することができる。

【出願人】	【識別番号】０００１１２６６８【氏名又は名称】株式会社フジタ
【出願日】	平成８年（１９９６）３月１９日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】野田茂
【公開番号】	特開平９－２５９３０２
【公開日】	平成９年（１９９７）１０月３日
【出願番号】	特願平８－９０２１７