交互式可視化虛擬施工過程技術研究

王楠楠，李一婷

(大連民族學院土木建筑工程學院遼寧大連116605)

傳統施工過程由于無法再現施工過程，所以在施工中發生很多施工風險和錯誤的過程組織導致工程出現不可預見的施工問題，可視化施工過程通過再現施工過程可以有效降低和施工風險。虛擬施工技術是將虛擬現實技術應用于建筑施工中，為使用者提供基于交互和沉浸方式的施工過程再現，使得施工組織者通過三維空間分析和定量分析對施工過程進行研究。交互式可視化虛擬施工過程建立在建筑標準構件和建模基礎上，以建筑工程驗收規范為約束條件，結合計算機高性能計算和虛擬仿真技術，可視化虛擬施工建造過程。可視化虛擬施工技術可以輔助增強工程在實際建筑過程中的人員組織、材料籌備、關鍵工作控制的優化和決策能力，有效地提高建筑工程質量，將施工過程中的安全隱患減少到最低。

1 虛擬施工技術要點

虛擬施工技術主要包括施工模型快速建立、標準三維模型數據、施工規范判定數據庫、施工平面數據以及施工過程軌跡等5個技術方面。

通過結合建筑工程施工驗收規范建立施工方案可行性判定數據庫，在3DMax中結合實際建立可調用的通用的三維模型數據庫，應用Auto CAD二維數據建立地形和項目準確的平面數據，最后再將施工過程中設備的物理屬性和不可變更屬性(如旋轉角度)編輯成運動軌跡腳本。交互式可視化虛擬施工過程流程圖如圖1。

圖1 交互式可視化虛擬施工過程

2 虛擬施工模型的快速建立

2.1 建立多級模型庫

模型作為虛擬仿真系統的最小元素，模型是系統的抽象，由此可以看出系統的好壞取決于模型是否正確真實，建立模型的時間長短等。一個建筑虛擬施工項目包括虛擬場景的繪制、虛擬建筑構件以及虛擬機械設備模型。交互式可視化虛擬施工過程將建筑工程項目的模型庫劃分成模型庫、基礎數據庫、路徑判斷依據庫。其中模型庫包括環境模型、構件模型、材料模型，模型庫層級關系如圖2。

圖2模型庫層級關系圖

環境模型是建筑工程項目所處環境通過建立模型進行的模擬仿真，如平地、山地、樹木、其他原有建筑物。建筑構件，即建筑工程項目中的單體構件，如基礎、梁、板、柱、屋頂、建筑附屬構件等。機械設備模型，是完成建筑工程項目所必須需要的工具、機械。如員工廠房，圍欄，腳手架，挖掘機塔吊等。

以建筑施工工藝和建筑施工驗收規范為判斷標準，根據模型庫的要求快速搭建施工模型。

2.2 模型的快速建立方法

很多施工三維模型，采用直接建模方法，個體性較強，重用性較差，用于進行新模型生成需要花費的人力時間很大。實現施工模型的快速建模。第一要進行模型的優化，lod的目的是初始模型序列的簡化，為了減少導入模型和關鍵幀的繪制，簡化模型是必須考慮模型的細節。以植物模型為例，L3層級的模型是較詳盡的模型，滿足近距離觀看的要求;L2層級的模型是保持模型外形不變，較少附屬構件及細節構件;L1層級是以面以及紋理表示模型，用于建筑外布置的植物。第二，將整體的建筑模型進行參數化建模，并建立相應的模型庫及參數信息庫、貼圖材質庫等表1。在建模時，通過對數據庫中標準模型的直接調用或者對參數直接進行修改。利用參數化建模平臺，將各個施工設備及建筑構件進行層次化的拆分，并給拆分后的模型單體設置參數，生成所需要的構件施工節點模型。

表1 模型庫信息

2.3 材質的設置

為使虛擬施工模型更加生動形象，對模型的貼圖紋理處理具有很高的要求，通過圖形處理軟件將圖片進行編輯并將圖片大小設置成2的n次方像素大小 ，使用bitmap的貼圖方式，并添加合適的UVWmapping處理效果，言簡意賅容易理解的說就是將一個物體表面進行貼膜，并使表面圖案不發生扭曲。相對規則整平的物體，一般選planner mapping或box mapping。曲面的物體一般選定為cylindrical mapping或spherical mapping，就是當物體表面非平面式如弧形球形表面的貼膜方式。形狀比較復雜的模型，可能要指定兩個以上的UVW貼圖。不同的模型，指定貼圖的坐標類型與方式相同，需要根據制作的模型要求靈活的選擇。

另外在材質設置的過程中，要根據整個模型及場景的大小來進行具體尺寸的選擇，例如場景中要求非常逼真，需要近距離觀察的圖像，可以設置1024×1024像素，相反就可以設置為分辨率較小的，這樣可以有效的減少數據量，方便以后運行時能快速加載，不會出現運行時的卡頓現象。

2.4 交互式技術路線

虛擬現實軟件VRP可以完成三維場景的模型導入、后期編輯、交互制作、特效制作、界面設計、打包發布等工作，逼真的模擬各種物理學運動［1］，具備建筑設計和施工過程模擬過程中可以模擬真實的日照條件、空間環境等外界真實環境。

建立好模型后的場景，先進行烘焙，將光影效果帶入虛擬現實平臺中。烘焙出的圖片是一張完整的大圖，它攜帶全部可以用眼睛看到的信息即光的折射信息。VRP平臺下進行處理時首先要賦予場景內部模型物理屬性;其次，對模型的自然環境進行設定，如太陽。最后我們將進行腳本設置，賦予模型結構相應的功能，如顯示、隱藏、開始動畫、結構詳解、相機轉化等。

3 某一鋼結構廠房交互式可視化虛擬施工實現過程

某一在建鋼結構廠房，在建設之前，對其進行可視化虛擬施工。包括施工場地布置、塔吊安放位置，旋轉半徑的判斷等。

首先要進行施工模型的搭建。整個系統的建模流程如下:將圖片和圖紙導入到參數化模塊中，在Photoshop中編輯腳本，使得輸出的圖片大小都是2的n次方并保存為jpg和png格式;材質文件調用材質規則，系統判斷是否符合規則要求。圖紙導入3ds軟件進行參數建模，調用物理規則進行判定，再次調用材質庫材質進行貼圖。在3ds中利用3dmax-for-vrp將這些數據與模型結合導出到正確屬性的模型文件庫。上述步驟以實現快輸修圖、建模、貼圖的操作。

以履帶式起重機為例，其中履帶式起重機常用形式有以下三種:W1-50型、W1-100型、W1-200型。不同型號的履帶式起重機外形尺寸，由于其尺寸會影響到構件擺放距離和場地布置情況，因此將尺寸參數錄入數據庫是判定施工組織是否合理的一個依據。

根據梁板柱的安裝過程，在數據庫中調用正確的施工機械及施工方法，選擇正確的開始安放位置，然后結合施工要求選擇正確的施工方案，在此設定動畫相機，給對相機進行路徑編輯，給施工機械編輯運動路徑，結合實際操作半徑和行進速率，將施工機械運動細節進行設定［2］。最后通過相機功能輸出視頻格式的施工過程過程如圖3。

圖3 某一鋼結構廠房交互式可視化虛擬施工實現過程

4 結語

安全施工組織設計是保證施工現場全部安全生產工作合理實施的重要條件。首先要結合擬建工程規模，結構特點，在對原始資料進行調查分析的基礎上，編制指導工程全部施工活動的施工組織設計［3］。根據設計預先將施工過程利用可視化技術將其展示出來。為了達到快速建模的目的，預先建立好施工模型庫及其運動判定軌跡。為使施工場景具有真實感，先利用AutoCAD對圖形圖像預先處理，再建立建筑構件模型庫，利用數據庫對建筑構件進行參數化定義。最終導入VRP平臺對運動路徑的編輯依據施工規范規定，實現可交互、準確、可判斷優劣的施工過程模擬技術。

［1］邢林濤，張建平，袁江，等.計算機圖形系統在建筑施工中的應用［J］.施工技術，1999，28(11):13-14.

［2］黃曉翔，呂麗平.建筑施工行業信息化管理優化模型研究與仿真［J］.科技通報，2013，29(04):70-72.

［3］周海云，劉俊峰.加強建筑施工管理的有效措施［J］.技術與市場，2011，18(07):409.