解决3D建模噩梦-检测和修复输入几何体
解决3D建模噩梦-检测和修复输入几何体
没有检测和清理3D几何错误的工具，3D岩土建模很快就会变得异常复杂。这就是为什么我们投入了大量精力开发专门解决这些问题的工具。本文将论述，3D建模对岩土工程的全部价值将通过这些工具得以实现。
3D几何错误检测和修复工具对于创建逼真的岩土模型至关重要。本文将帮助您了解在3D建模过程中可能遇到的常见几何输入问题，并指出我们提供的各种资源，帮助您克服这些挑战。
3D岩土建模的吸引力
自从计算技术引入到岩土工程和地质力学领域以来，它在开挖分析和设计中的应用逐渐增加。计算机建模的强大功能和优雅性，再加上我们对有限信息最大化利用的需求，推动了这一趋势的发展。
计算机建模帮助岩土工程师找到有效的解决方案，并避免灾难性后果。它使我们能够预测开挖和布局在建成后在现实环境中的表现。通过这些工具进行思维实验，能让我们更深入理解开挖和结构在各种载荷和条件下的表现。对于涉及非线性材料和各向异性的分析问题，计算机建模尤为重要，因为在这些情况下，预期的开挖响应难以通过直觉预测。它使我们能够最大限度地利用有限的输入数据和资源，并对比不同的方案。
我们都能体会到3D建模的强大与优雅。最近的3D技术进步增强了我们对地下和地表开挖及地质介质（岩体和土壤）性能的可视化和理解。它们使我们能够以以前无法实现的方式观察岩土项目，并为我们提供了有关开挖响应和相互作用的新见解。正是因为这些特点，3D建模在我们的行业中得到了加速应用。然而，在这一过程中，我们遇到了重大障碍。
到底发生了什么？为了构建3D岩土模型，我们从地质、测量、采矿规划、CAD团队等导入了几何模型。一切看起来都那么顺利和简单。凭借导入的3D几何体，我们以为可以直接添加岩土输入，计算并可视化我们的结果。然而，事情比我们想象的要复杂得多！
我们发现，输入的几何体存在许多错误，必须在使用之前修复。而修复过程并非简单，而是繁琐且耗时，可能占用了我们90%的建模工作量！
错误的输入几何体会在3D岩土建模中引发许多问题。首先，它们会使3D模型几何体的开发变得复杂，导致诸如难以解决的交点、模型几何体构建缓慢，以及生成错误的数值网格（有限元和有限差分）等问题。几何体的缺陷会导致模型收敛速度变慢，甚至更糟的是，它们可能导致错误的结果。
我们现在明白，修复输入几何体的工具是至关重要的。为了享受最佳的3D建模体验，我们必须在保留足够几何细节、确保计算速度和资源可接受之间找到平衡。
如果3D建模要成为岩土工程中的常规操作，我们需要简单易用的工具，能够快速解决输入几何体问题。我们已经在我们的3D软件中开发了这些工具，稍后将在本文中详细讨论。
3D输入几何体错误
我们用于构建采矿和土木工程岩土模型的3D几何体来源多种多样，包括以下几类：
地质表面或体积：这些几何体代表场地的不同土壤和岩体，是通过钻孔数据的地质建模、地球物理勘测等方法生成的。
开挖设计：这些是由采矿规划、隧道设计等团队开发的3D CAD图纸或对象。
实测开挖几何体和地形：这些体积和表面由测量部门使用无人机、空洞监测系统、GIS、全站仪等技术生成。
地下水面：这些通常是通过水文地质建模创建的潜水面。
这些3D几何形状，无论多么复杂，都是由三角形（面）通过边和顶点（两个或多个边的交点）构建的。由于3D几何采集设备和三角网格化算法的限制，它们生成的表面和体积有时会受到几何错误的影响。主要的几何错误包括：
近退化三角形 孔洞 非流形几何 近折叠三角形 自相交三角形 不一致的三角形法线（垂直向量） 邻近体积之间的微小间隙
在构建稳健的岩土模型之前，必须修复这些缺陷。
接下来我们将简要描述这些缺陷。
近退化三角形 近退化三角形具有近共线的顶点和近乎为零的面积。此类三角形有两种情况：
一个内角约为180°，而另外两个角接近0°。
两个内角接近90°，而第三个角几乎为0°（一条边的长度接近零，三角形的面积接近零）。
3D几何体可以容纳少量的近退化三角形，但如果数量过多，可能会导致严重的建模问题，包括模型无法收敛。
图：近退化三角形的图像
孔洞
孔洞是三角网格化表面或体积中的缺失三角形区域，也就是说，它们是完全被包围但没有三角形覆盖的表面区域。有效的3D对象必须没有孔洞，所有三角形面必须形成一个完全密闭的整体。
带有孔洞的表面在与其他表面或体积相交时，或在进行拉伸操作时，会产生问题。而带有孔洞的体积则会引发类似的问题，且无法在岩土模型中分配材料属性。在构建3D岩土模型的几何体时，这种缺陷通常是无法容忍的。
非流形几何体
从技术上讲，非流形3D几何体是一种无法展开成具有所有法线（法向量）指向相同方向的二维表面的形状。
图：3D几何体（立方体）展开为示例2D表面
当几何体满足以下条件时，它是非流形的：
Ÿ一条边连接了两个以上的面
Ÿ一个节点连接了多个封闭体积
图：3D几何中非流形节点和边的图像
非流形形状如果未被解决，在构建3D岩土工程模型时会引发问题。
近折叠三角形
近折叠三角形几乎重叠在一起，作为表面或体积的一部分，它们对整体几何描述几乎没有贡献。相反，它们只会使计算和数值模型网格的生成变得复杂。因此，这些三角形需要简化为布局更合理的三角形。
图：近折叠三角形的图像
自相交三角形
自相交三角形会造成问题，因为它们在几何体内创建明显的内部结构，这可能会干扰3D模型构建算法。例如，如果需要计算一个物体的表面积，可以通过简单地将构成该实体的各个三角形的面积相加来得到。然而，如果某些三角形发生自交，则总面积不再是各个部分的简单总和。
图：自相交三角形的图示
自相交三角形在必须对物体进行相交或切割时也会产生冲突。可以通过将这些区域重新三角剖分为没有歧义的附加面来修复自交配置。
不一致的三角形法向量
在许多3D几何建模领域，期望或甚至必要的是，一个表面或体积的所有三角形法向量都朝向“正确”的方向。不一致的三角形法向量可能对许多著名的几何处理算法造成灾难性后果。它们会导致诸如错误的体积计算和物体属性分配等问题。
图：具有一致法向量表面（虽然由四边形构成）的图示。
来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Normal_(geometry)
相邻体积之间的微小间隙
间隙是指相邻对象面之间的空隙。微小的间隙不一定是单个对象的缺陷。然而，它们可能对3D岩土模型造成相当大的问题。它们可以使数值网格不必要地增大或使计算不稳定，从而导致结果不佳。微小的间隙难以被用户发现和修复。。
图：显示对象之间存在微小间隙的图片
检测和修复几何问题
理想情况下，应该有一个工具能够检测和修复上述所有缺陷。然而，3D建模实践证明，几乎不可能有一个完全自动化的清理工具能够始终如一地处理所有几何体。通常，棘手的网格必须通过各种方法进行修复，而这个过程可能非常耗时。（如前所述，这个过程可能消耗高达90%的总建模时间。）
为了帮助岩土工程师修正几何缺陷，我们在所有的3D软件中提供了一整套错误检测和修复工具，包括Slide3、RS3、EX3、RocFall3和新发布的RocSlope3。
这个过程在您导入几何体时开始。我们的软件提供了三角形数量的信息和简化三角化的预览。它们还提供了自动检测和简化缺陷的功能，后面将进行详细讨论。
一旦几何体被导入，程序就会通过实体类型描述各个几何体。如果一个应该是体积的对象被分配为表面实体类型，这就预示着可能存在三角化的问题，比如孔洞。此类实体的材料字段将呈灰色不可选状态。
接下来，您可以选择一个对象并调用名为“修复”的工具。当您选择一个对象并应用此工具时，它将检测以下五种错误：近退化三角形、孔洞、非流形几何、近折叠三角形和自交三角形。
顾名思义，修复工具也可以修复这些问题。然而，它的默认设置，尤其是针对体积的设置，可能需要进行调整以获得更好的结果。
一旦您使用修复工具识别出输入几何体的五种问题中的任何一种，软件将提供多种方便的选项来修复这五种错误及本文所述的其他缺陷。几何修复算法包括重三角化、合并、形成闭合三角形、取消分组不连通体和取消分组非流形体。其名称不言而喻。形成闭合三角形除了能填补固体中的孔洞外，还能使三角形法线保持一致。这些工具可以单独使用或顺序应用，以修复有问题的几何体。
我们在本文中提到的最后一个（也可以说是最强大的）工具是“全部划分”，这是一个3D布尔工具。虽然其主要目的是在创建3D模型时进行3D对象的相交（包括在不同对象相交时查找生成的子体积），但它也可以应用于单一几何体。以这种方式使用时，它可以自动简化几何体，从相交表面形成正确的体积，并纠正与3D输入几何体相关的多个错误。该操作可以从有问题的对象生成多个流形子体积，并在指定公差内关闭实体之间的间隙（当其选项之一“严格约束”被激活时）。
在大多数情况下，应用上述几何选项将足以解决您在3D输入几何体中遇到的任何问题。在极少数情况下，一些极其有问题的几何体可能需要在生成您输入对象的软件中进行修复。
精通几何清理
我们制作了视频和文档，帮助用户掌握修复输入几何体的技巧。在掌握这些技能后，您可以成功构建各种现实世界的3D岩土工程模型，包括那些在没有几何错误检测和修复工具的情况下难以处理的模型。
结束语
市面上可用的岩土工程3D建模工具数量正在迅速增加。例如，我们最近推出的RocSlope3是一款用于分析不连续岩体中块体和楔体稳定性的软件。这些软件结合了计算岩土力学和3D几何建模的进展，使学术界和日常岩土工程实践者能够解决具有挑战性的问题。
为了使3D岩土工程建模能够常规使用，我们必须具备识别和修复输入几何体错误的工具，并尽可能实现自动化。
我们相信，每位具备良好计算建模技能的工程师都能掌握几何错误的检测和修复。
下次您构建3D岩土工程模型时，您知道该怎么做了！！
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