三维几何建模引I擎GME

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团队简介

三维几何建模基础引擎GME团队，由清华大学牵头，联合多所高校及信创海河实验室组建。团队成员含1位院士、10位导师、44位学生与16位工程师。

针对工业设计软件“卡脖子”难题，团队专注自主三维几何建模引擎研发。基于船舶、路桥等设计需求，成功研发自主可控的GME。其性能出色，内存管理效率比国际主流引I擎ACIS平均高约 29% ，高次方程求解精度提升两个量级，效率提升一个量级，分类求交算法库有171种类别，部分鲁棒性更优。

此外，团队在混合几何建模引擎框架等方面成果显著，为船舶自主CAD软件提供内核支撑，也为拓展至航空、航天、建筑等领域筑牢基础，有力推动相关技术自主创新发展。

\bigcirc 内存管理

面对三维几何建模引擎处理模型规模不断增大（如船舶单体模型零部件数量达百万量级）的情况，GME针对几何建模场景，提出新型内存管理技术，优化内存管理开销，使内存管理效率相对ACIS平均提高 29%_{<} ，GME的分配效率较ACIS提升 18% （0.82倍耗时），释放速度优化41% （0.59倍耗时），实现了更高效的分配与释放能力。综合来看，GME在内存管理效率以及防闪退方面优势突出，有力保障了大规模模型处理时的性能表现。

核心模块

GME内核模块支持B-Rep的数据表示，可精准呈现几何模型；拥有完善的几何计算算法，其中核心算法曲线和曲面点投影在简单和复杂场景耗时效率相较ACIS分别提升 18.6% 和 0.27% ，NURBS曲线上样条点投影算法相较ACIS提速 9.1% 。

解方程模块

支持求解重根，求解精度达到小数点后10位（ACIS精度为8位）引入新的高次方程求解方法容差设计突破，减少高精度求解方程增根、漏根问题

求交模块

研发了多种先进求交技术，曲线-曲线、曲线-曲面计算效率较Gems6提升至少 5% ，曲面-曲面计算效率较Gems6提升大于 15% ，支持7大类几何对象相互求交和8类几何求交场景，与ACIS相比，在高精度几何交线插值方面，相同数据量下本模块精度更高，满足同一容差时所需数据量更少，如在不同误差要求下，本方法所需采样点数量比ACIS少很多。精度相对ACIS提升两个量级，效率提升一个量级

\bigcirc 构造器模块

具备强大的接口实现与几何处理能力，已实现51个ACIS核心接口以及6个船舶自主CAD系统扩展接口。

\bigcirc 布尔模块

GME布尔运算显著提升布尔运算效率与稳定性，新版算法在典型复杂体交场景下运行效率与ACIS相当，布尔Slice操作效率相对ACIS提升 17.6% ；同时新增模糊布尔运算机制，支持自定义容差的重合边面处理，鲁棒性与工程适配性显著增强，为复杂几何模型处理及相关软件国产化进程提供了有力技术支撑。

普通布尔运算（中）和模糊布尔运算（右）对于模型（左）生成的交线图

查询模块

优化决策所需要的表面积，体积，质心，转动惯量等属性计算场景可以提供完整的功能支持。第三版算法，在效率以及适应性方面有较好表现，支持任意实体计算。相比于ACIS，不依赖于求交模块，具有低耦合优势。

距离模块

距离模块支撑二次线面、自由线面等7大类几何对象相互距离计算和6类几何距离计算场景。与ACIS相比，在单元几何体计算时本模块效率更高。第三版算法优化了剪枝和采样点筛选方法，在效率上进一步提升。

\bigcirc 离散化模块

具备强大的接口实现与几何处理能力，已实现51个ACIS核心接口以及6个船舶自主CAD系统扩展接口。

消隐模块

GME的消隐模块在高负载场景下效率优势显著，资源占用更低，为工业设计提供更高效的隐藏线处理方案。

偏置模块

偏置模块算法拟合精度较ACIS提升一倍，支持11种解析曲面偏置（速度领先ACIS达 20% ，并开发了样条面曲率修复技术，在复杂曲面测例中最大误差低于ACIS且连续偏置稳定性更优。

轻量化模块

轻量化模块通过自动简化三维模型的复杂度，减少文件大小，提升处理效率，同时保留关键几何信息。支持去除重复特征、去除内部特征、包络替代、去除微小特征、B-Rep体拆分、B-Rep体转CSG体以及自动简化功能，相比于ACIS的去除小孔和倒角的单一简化功能，GME轻量化功能更加丰富和完善，自动简化的效率比人工手动简化效率提升了20倍以上，模型内存和存储空间占用降低1-2个量级。

原始完整模型
自动简化结果
人工简化结果

缝合模块

缝合模块基于边界重合段分割技术，支持平面/二次/自由曲面3类几何对象及5类缝合。

扫掠模块

扫掠模块实现沿路径、绕轴扫掠及多参数控制（如曲率采样、缩放律），自研算法在70个测例中平均Hausdorf距离0.049（优于同类方法)，支持船舶场景的甲板扫掠，为高精度复杂几何建模提供支撑。

集成模块

实现GME与船舶自主CAD软件SPD数据结构的双向转换，支撑SPD模型轻量化、小样布尔运算等系列功能。

船舶应用

在“船舶国产三维CAD研发”项目里，三维几何建模引擎GME团队汇聚多所高校专业人才，是推动项目进展的重要支撑。项目执行期间，团队全力围绕船舶国产三维CAD软件展开技术攻关。在几何内核、显示引擎、曲面造型等核心技术板块积极探索，取得了诸多实用成果。其中轻量化模块从无到有，实现一键简化，极大提升了处理效率。

航天应用

三维几何建模引擎GME团队提出了冯卡门复杂曲线表达技术，支撑了CAD系统中冯卡门整流罩的快速生成，为基于冯卡门曲线的整流罩外形曲面快速设计工具提供了算法支持。

路桥应用

在“国产三维CAD研发”项目的路桥专项应用拓展中，能够推动路桥三维数字化转型的核心引擎。针对复杂地形建模、桥梁结构仿真、道路曲面优化等关键技术，通过自主研发智能地形匹配算法，实现复杂地貌下的快速精准建模。可根据不同施工场景灵活调整模型精度，为路桥工程数字化建设提供了坚实的技术保障。

学术成果

GME三维几何建模引擎拥有10项专利、11项软件著作权，产出3篇高质量论文与27篇学位论文，成果涵盖三维几何建模引擎核心关键技术，构建起知识产权壁垒保护核心创新。

合作伙伴

在工业软件领域，技术的革新与突破绝非偶然，而是众多伙伴齐心协力、砥砺前行的结晶。三维几何建模引擎GME团队的成功，离不开那些志同道合、携手并肩的合作伙伴，他们在不同的领域发挥着关键作用，共同为打破国外技术垄断、推动国产工业软件发展而努力。

清华大学牵头，联合多所高校以及信创海河实验室，凭借其在多学科领域的专长和人才培养优势，为项目提供创新活力、攻克技术难题并输送人才。沪东中华造船（集团）有限公司提供船舶设计制造的实际需求和应用场景，保障GME满足行业实际需要；云基智慧工程股份有限公司在系统集成和市场拓展方面发挥作用，挖掘GME应用潜力。各方紧密合作形成强大合力，未来也将携手推动GME持续优化拓展，助力我国工业软件发展。