基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程的高精度控制

(臺州職業技術學院，浙江 臺州 318000)

基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程的高精度控制

張俊強

(臺州職業技術學院，浙江臺州318000)

為了確保建筑裝配過程能實現開發商定義的工業化標準，需要進行建筑裝配過程高精度控制。使用當前方法在建筑裝配的過程中對建筑裝配成本、質量的控制效果達不到開發商的要求;為此，提出一種基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程高精度控制方法;首先采用BIM技術通過計算機虛擬建筑裝配場地布置，建立BIM建筑裝配模型，并在BIM建筑裝配模型中輸入建筑配件以及施工項目相關的所有信息，其次，在BIM建筑裝配模型的各個施工構件上加上時間參數和成本計劃，構成5D BIM建筑裝配模型，對優化完成的5D BIM建筑裝配模型進行虛擬建造，調整進度和成本計劃，進而將BIM和智能視覺技術相結合，實現整個建筑裝配過程的三維可視化指導操作;實驗結果表明，所提方法能夠有效提高施工效率，且建筑裝配成本控制精度較高。

智能視覺；BIM；建筑裝配；高精度控制

0 引言

近年來，可持續發展觀念不斷地深入，環境、資源等問題也隨之成為社會關注的重點。從減少資源浪費、保護環境方面考慮，裝配式建筑為建筑工程的首選方案。近年來，很多學者對如何控制成本的前提下提高建筑質量進行研究。然而,現在使用的方法難以達到低成本高質量的要求[1]。為此，為了有效實現對建筑裝配成本及質量的高精度控制，提出一種基于智能視覺技術與BIM1(building information modeling，BIM)的建筑裝配過程高精度控制方法。智能視覺監控檢測技術在建筑裝配過程中主要進行建筑裝配圖像采集，形成圖像序列，選取該圖像序列中的任意兩幀圖像或兩幀以上圖像，與預存圖片進行比對[2]。因建筑裝配圖像序列中的相鄰圖像之間的相隔時間較短。所以整個動態建筑裝配過程表現的較為精確，由此推斷出建筑裝配過程中目標圖像是否偏離區域值，沒有偏離則說明建筑符合建筑裝配質量要求。并同時建立建筑裝配的BIM虛擬模型，該模型能夠描述建筑裝配過程的全部建筑信息，如建筑裝配的成本、以及建筑裝配時間等信息[3]。通過利用計算機技術對BIM模型進行解析，解析結果可以顯示出建筑裝配過程中出現的問題，可及時解決建筑裝配中出現的問題，并對BIM虛擬模型進行優化，在計算機上對優化后的BIM虛擬模型進行虛擬構建，實現建筑裝配過程的高精度控制，是解決上述問題的基本途徑，受到了眾多相關專家與學者的高度重視，由于建筑裝配過程高精度控制方法具有深遠的發展意義，目前受到了業內人士研究的熱點課題，同時也獲得了許多好的研究成果[4]。

現有的建筑裝配高精度控制方法有：文獻[5]提出一種基于DEMATEL(決策實驗和評價實驗方法)的建筑裝配過程高精度控制方法，該方法在計算機上使用MATLAB軟件對建筑裝配過程中所有信息數據進行計算，尋找出影響建筑裝配成本的主要因素。并對該因素進行具體分析，以自身對建筑裝配的經驗，提出具體的方法對建筑裝配成本進行調整，達到對建筑裝配成本進行控制。在此基礎上對建筑裝配過程進行分析，確保提出方法的可行性。該方法為建筑裝配施工提供了一定的參考價值，但對決策者做出準確判斷沒有太大的幫助[6]。文獻[6]提出一種基于RFID(射頻識別)的建筑裝配過程高精度控制的方法，該方法使用安裝建筑裝配的機械，將建筑裝配組件安裝在一起，使建筑裝配過程更加符合要求。使用該方法進行建筑裝配可以節約材料、減少人工費用，同時還能夠有效減少建筑垃圾、揚塵。該方法能夠有效減少建筑裝配的成本，但對實際建筑裝配過程中出現的問題不能夠及時解決。文獻[7]提出一種基于GIS系統與三維可視化的建筑裝配過程高精度控制方法。該方法從宏觀微觀控制整個建筑裝配過程，使用GIS系統對建筑裝配過程進行微觀處理，使建筑達到開發商的要求，同時使用三維可視化模型對整體建筑進行建模，可以提前了解建筑裝配后的整體效果[8]。該技術在規劃與管理方面起到很大的作用，但在控制建筑裝配成本方面沒有明顯的效果[9-10]。

針對上述問題，提出一種基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程高精度控制方法。實驗仿真證明，所提方法能夠有效提高施工效率，且建筑裝配成本控制精度較高。

1 基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程高精度控制方法

1.1 基于BIM技術的建筑裝配過程成本控制

在建筑裝配過程中采用BIM技術可以控制5D動態成本、建筑裝配過程可視化交底以及建筑裝配場地的管理。

1) 采用BIM技術對建筑裝配過程的施工場地管理方法，使用計算機技術在計算機上建立BIM虛擬模型，并對建筑裝配過程進行模擬，提前了解整個建筑裝配施工面積以及建筑材料的按放位置以及建筑裝配使用材料的數量，以免施工材料的二次搬放和施工材料的浪費，因此使整個建筑裝配工程的準備工作有條不紊的進行，減少10%的人力與24%的物力；

2)基于BIM技術對建筑裝配過程的5D動態成本控制方法。5D動態成本控制即5D建筑裝配信息模型，是以3D建筑裝配模型為基礎，在3D建筑裝配模型上加上建筑裝配工程時間、建筑裝配工程的成本。 在計算機上構建5D建筑裝配模型后可以及時了解建筑裝配工程的進度、建筑材料的使用情況以及投入的成本資金合理與否等問題，并及時解決建筑裝配過程中發現的問題，形成完美的5D建筑裝配模型。如圖1所示。

圖1 BIM模型5D建筑裝配模型動態圖

建立完美的5D建筑裝配模型后可進行下一步操作，建立BIM虛擬模型，并在BIM虛擬模型上輸入完整的建筑裝配信息，其中包括建筑裝配的規格、型號、開發商、供應商以及5D建筑裝配模型中所有的建筑裝配信息。利用計算機技術建立建筑裝配的BIM虛擬模型，并在計算機上進行虛擬化建筑裝配過程，用來檢測建筑裝配的成本、建筑裝配工程時間等各種建筑裝配過程中可能出現的問題，并及時解決虛擬化建筑裝配出現的問題，同時對BIM虛擬模型進行優化，對優化后的BIM虛擬模型再次進行虛擬化建造，如果沒有發現其它建筑裝配問題，就可以在建筑工地進行建筑裝配工程的施工。BIM虛擬模型具有所有建筑裝備信息，當建筑裝配的過程中有所變更時，代入BIM虛擬模型進行信息關聯，可同時反映出調整后對應的建筑裝配成本、建筑工程時間等建筑裝配相關信息；

3)可視化交底是指使用建立BIM虛擬模型時對各個建筑裝配工程細節進行三維圖像展示，可視化交底可減少因決策者、設計者以及施工者等建筑裝配過程中涉及的相關人員的主觀意識造成錯誤的理解。同時使建筑裝配過程中所有信息數據更加直觀，更加容易理解。如圖2所示。

圖2 可視化交底操作流程

建筑裝配使一個系統化得建筑工程，需要各個行業之間的相互配合，形成一體化發展。BIM技術是建筑行業較為重要的技術，BIM技術有建筑裝配全過程的建筑裝配信息、系統集成。BIM技術將信息一體化，并與多方信息化應用系統進行連接，實現建筑裝配全過程信息共享、協同工作。隨著社會的發展，信息化與工業化將進一步地相融合，BIM技術推動建筑裝配一體化的發展。

1.2 智能視覺對建筑裝配過程高精度控制

基于智能視覺監控檢測技術對建筑裝配過程高精度控制，智能視覺監控檢測技術是對建筑裝配過程中安裝行為進行分析。在使用智能視覺監控技術時希望該技術可以不受光線、天氣等其它外界因素的影響，為此分別利用背景減法、相鄰幀差法和光流法對智能視覺監控檢測技術進行優化。背景減法主要對建筑裝配過程中負責建筑裝配的建筑工人的運動行為進行檢測，由建筑工人的行為推斷建筑裝配是否符合要求。背景減法將實時采集到的建筑裝配過程中建筑工人運動的圖像與先前儲存的標準圖像進行相減，如公式(1)、(2)所示：

B0(x,y)=I0(x,y)

(1)

Bt(x,y)=Bt-1(x,y)+sgn(It(x,y)-Bt-1(x,y))

(2)

其中：B0為初始化建筑裝配工程背景圖像,這里選擇不包含在建的建筑裝配工程的背景圖像I0。Bt為當前建筑裝配工程背景圖像，It為當前建筑裝配工程圖像，sgn()為微積分數學中的符號函數。將公式(1)、(2)的結果在一定的取值范圍內進行圖像的二值化，如公式(3)、(4)所示：

(3)

(4)

其中：T為取值范圍，Bt-1為前一刻建筑裝配工程背景圖，if()為一種判斷函數，I為預存建筑裝配工程背景圖。判斷建筑裝配過程中負責裝配的建筑工人的運動圖像是否偏離區取值范圍，若沒有偏離則說明該建筑的質量符合建筑裝配工程的要求。反之建筑質量則不符合要求。同時還可以知道建筑裝配工程當時的建筑信息。背景減法對建筑裝配過程中運動的建筑工人進行檢測與信息提取，并實時更新圖像與信息。背景減法對建筑裝配過程中的多種變化都可以適應，尤其在光線變化時可以進行自主的調整，以減輕光線帶來的影響。

相鄰幀差法在建筑裝配過程中對運動的建筑工人進行圖像序列的采集，取兩幀或兩幀以上的圖像，進行檢測和提取。圖像序列中相鄰圖像之間的時間間隔較短，所以圖像間的動態變化不是很明顯，該方法的適應性強，但提取相關特征不是很完全，有空洞現象的發生。因此使用累積圖像差分法進行空洞現象的處理。累積圖像差分法對歷史積累的建筑裝配信息圖像進行一階和二階差分分析。在復雜的情況下,也可以有效的判斷建筑裝配過程中負責裝配的建筑工人的運動狀態。相鄰幀差法常在建筑裝配工程背景圖不運動的情況下使用。當建筑裝配工程背景發生運動時需提前對由攝像機引起的背景移動進行補償。流光法是對建筑裝配過程中現實運動目標圖像序列檢測的方法。流光法顯示了建筑裝配過程中負責裝配的建筑工人運動的像素點、建筑工人運動速度的行為信息。通過計算建筑裝配過程中建筑工人運動圖像序列得到裝配材料運動的特點，并對其檢測。建筑裝配工程圖像序列中相鄰圖像之間的時間間隔很小，小到可以忽略不計的情況。在其他條件不變的前提下進行計算。如公式(5)所示：

(5)

其中：u、v是兩個速度分量；?為一個常量；E為建筑裝配過程圖像序列，t為建筑裝配過程圖像間隔時間。

在僅有的方程中無法計算出兩個未知數，以此借用其他因數的區域值進行求解。使用流光法時經常用到流光場，流光場是建筑裝配物體同時運動引起的，光流場具有連續性、平滑性，但流光場具有一定的約束，全局平滑約束就是流光場的特定約束。全局平滑約束是指在一定的區間里，以加權最小二乘技術計算建筑裝配像素點的相近像素。將計算出的結果與預留像素點進行對比，對比后你可以直觀看出在建筑裝配過程中是否有不合理的裝配過程。

隨著建筑行業的發展，智能視覺技術與BIM技術已廣泛的應用到建筑裝配的過程中，在兩大技術協同合作的條件下，不僅做到減少了資源浪費、環境保護，而且建造出低成本高質量的理想建筑。

2 實驗結果與分析

為了驗證智能視覺和BIM對建筑裝配成本及質量的高精度控制效果，需要進行仿真實驗，仿真實驗將驗建立在Matlab編程進行建模實驗。該實驗采用SketchUp Make軟件對建筑裝配工程進行BIM虛擬建模，在BIM虛擬模型中輸入梁、柱、板、門窗等建筑裝配信息。BIM虛擬建筑裝配模型，可以同時進行多個設計，包括協同設計、并行設計、異地設計。根據祥瑞小區建筑裝配工程計劃書，進行建筑裝配工程的數據分析，同時預估該建筑裝配過程需要消耗的材料費用人工費、機械設備費用。為了測試結果準確率，將同時施工5個不同的建筑裝配工程。

在進行高精度控制實驗過程中，首先設計BIM建筑裝配模型，考慮所有對建筑裝配模型控制效果有影響的因素，如設計、受力分析、可制造性、可裝配性，減少反復、形成高效、優質的建筑模型。通過對建筑裝配工質量、效率、成本控制的多目標貼近度數學關系圖，得到建筑裝配建設中的質量水平、效率水平、單位成本的關聯結果如圖3、4所示。

圖3 建筑裝配中成本貼近度與效率貼近度間的關系圖

圖4 質量貼近度與效率貼近度間的關系圖

從圖3、圖4可以看出，本文使用智能視覺監控檢測技術，在建筑裝配過程中質量水平、效率水平、單位成本都得到了高精度的控制。通過BIM虛擬模型對建筑裝配工程成本預算增長指數時間序列分析，有效控制建筑裝配過程中的建筑成本和工程質量，使得開發商在相應的建筑成本下建造出高質量建筑。最后，利用本文算法和傳統算法進行建筑裝配工程成本預測和成本控制，所得到的預算精度如圖5所示。

圖5 成本控制模型性能對比

從圖5可知，使用智能視覺和BIM對建筑裝配的成本預算及質量的控制到達了高精度的控制成果，BIM虛擬模型的預算精準，大幅度降低成本，提高了建筑效率，節約32%的成本，提高10%的效率，而智能視覺監控檢測技術提高了建筑裝配的質量，與相同成本的建筑進行對比，質量提高了12%。

3 結論

針對當前方法在建筑裝配的過程中無法顯示成本、質量的信息，決策者無法做出準確的判斷問題。提出一種基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程高精度控制方法，仿真實驗結果表明，所提方法能夠有效提高施工效率，且建筑裝配成本控制精度較高。

[1]陳 遠,任 榮.基于BIM的建筑消防安全管理應用框架研究[J].圖學學報,2016,37(6):816-821.

[2]廖哲男,魏 巍,趙 亮,等.大體積混凝土BIM智能溫控系統的研究與應用[J].土木建筑與環境工程,2016,38(4):132-138.

[3]喻 鋼,胡 珉,高新聞,等.基于BIM的盾構隧道施工管理的三維可視化輔助系統[J].現代隧道技術,2016,53(1):1-5.

[4]任繼昌,楊曉東.基于互信息的高精度雙目視覺測距方法研究[J].控制工程,2015,22(1):199-204.

[5]張曉龍,尹仕斌,任永杰,等.基于全局空間控制的高精度柔性視覺測量系統研究[J].紅外與激光工程,2015,44(9):2805-2812.

[6]王耀南,陳鐵健,賀振東,等.智能制造裝備視覺檢測控制方法綜述[J].控制理論與應用,2015,32(3):273-286.

[7]李冠楠.基于智能視覺的電力網絡敏感區設備過熱識別[J].電網與清潔能源,2016,32(1):59-63.

[8]湯一平,韓旺明,胡安國,等.基于機器視覺的乘用式智能采茶機設計與試驗[J].農業機械學報,2016,47(7):15-20.

[9] 羅 威, 周 航, 侯 云. 基于機器人技術的電能表拆箱機的設計[J]. 電子設計工程, 2016, 24(20):143-146.

[10]顏 萌.基于傳感視覺智能化的工業污水監測系統設計[J].現代電子技術,2016,39(14):143-146.

HighPrecisionControlofBuildingAssemblyProcessBasedonIntelligentVisionandBIM

Zhang Junqiang

(Taizhou Vocational &Technical College,Taizhou 318000,China)

In the construction engineering and intelligent visual assembly BIM has been widely used in the assembly process, building BIM for high precision control of assembly cost of construction, in the construction of the assembly process is intelligent vision in order to achieve the high-precision control of the construction process. The assembly quality of the current method is used in the construction of the assembly and assembly cost control of construction. The quality is not up to the requirements of developers. Therefore, a kind of architectural vision and BIM assembly process intelligent control method based on high precision. Firstly using BIM technology through the computer virtual assembly building site layout, building BIM building assembly model, and in the BIM assembly building mode All the information input, construction fittings and construction projects related to the type in the second, plus time parameters and cost plan in each construction member BIM building on the assembly model, assembly model construction 5D BIM, virtual construction optimization of the completion of the 5D BIM building assembly model, adjust the schedule and cost, and then BIM and intelligent the combination of visual technology, 3D visualization instruction operation to achieve the whole building assembly process. The experimental results show that the proposed method of building assembly cost, quality control of high precision.

intelligent vision; BIM; building assembly; high precision control

2017-03-21；

2017-04-07。

臺州市科技計劃項目(2017)；浙江省建設科研項目(2014Z156)。

張俊強(1977-)，男，河南洛陽人，碩士研究生，講師，主要從事土木工程技術、工程管理、工程經濟方向的研究。

1671-4598(2017)10-0066-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.018

TU17

A