交互式可視化虛擬施工過(guò)程技術(shù)研究

王楠楠，李一婷

(大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院遼寧大連116605)

傳統(tǒng)施工過(guò)程由于無(wú)法再現(xiàn)施工過(guò)程，所以在施工中發(fā)生很多施工風(fēng)險(xiǎn)和錯(cuò)誤的過(guò)程組織導(dǎo)致工程出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的施工問(wèn)題，可視化施工過(guò)程通過(guò)再現(xiàn)施工過(guò)程可以有效降低和施工風(fēng)險(xiǎn)。虛擬施工技術(shù)是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)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(guò)程再現(xiàn)，使得施工組織者通過(guò)三維空間分析和定量分析對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行研究。交互式可視化虛擬施工過(guò)程建立在建筑標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和建模基礎(chǔ)上，以建筑工程驗(yàn)收規(guī)范為約束條件，結(jié)合計(jì)算機(jī)高性能計(jì)算和虛擬仿真技術(shù)，可視化虛擬施工建造過(guò)程。可視化虛擬施工技術(shù)可以輔助增強(qiáng)工程在實(shí)際建筑過(guò)程中的人員組織、材料籌備、關(guān)鍵工作控制的優(yōu)化和決策能力，有效地提高建筑工程質(zhì)量，將施工過(guò)程中的安全隱患減少到最低。

1 虛擬施工技術(shù)要點(diǎn)

虛擬施工技術(shù)主要包括施工模型快速建立、標(biāo)準(zhǔn)三維模型數(shù)據(jù)、施工規(guī)范判定數(shù)據(jù)庫(kù)、施工平面數(shù)據(jù)以及施工過(guò)程軌跡等5個(gè)技術(shù)方面。

通過(guò)結(jié)合建筑工程施工驗(yàn)收規(guī)范建立施工方案可行性判定數(shù)據(jù)庫(kù)，在3DMax中結(jié)合實(shí)際建立可調(diào)用的通用的三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用Auto CAD二維數(shù)據(jù)建立地形和項(xiàng)目準(zhǔn)確的平面數(shù)據(jù)，最后再將施工過(guò)程中設(shè)備的物理屬性和不可變更屬性(如旋轉(zhuǎn)角度)編輯成運(yùn)動(dòng)軌跡腳本。交互式可視化虛擬施工過(guò)程流程圖如圖1。

圖1 交互式可視化虛擬施工過(guò)程

2 虛擬施工模型的快速建立

2.1 建立多級(jí)模型庫(kù)

模型作為虛擬仿真系統(tǒng)的最小元素，模型是系統(tǒng)的抽象，由此可以看出系統(tǒng)的好壞取決于模型是否正確真實(shí)，建立模型的時(shí)間長(zhǎng)短等。一個(gè)建筑虛擬施工項(xiàng)目包括虛擬場(chǎng)景的繪制、虛擬建筑構(gòu)件以及虛擬機(jī)械設(shè)備模型。交互式可視化虛擬施工過(guò)程將建筑工程項(xiàng)目的模型庫(kù)劃分成模型庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、路徑判斷依據(jù)庫(kù)。其中模型庫(kù)包括環(huán)境模型、構(gòu)件模型、材料模型，模型庫(kù)層級(jí)關(guān)系如圖2。

圖2模型庫(kù)層級(jí)關(guān)系圖

環(huán)境模型是建筑工程項(xiàng)目所處環(huán)境通過(guò)建立模型進(jìn)行的模擬仿真，如平地、山地、樹(shù)木、其他原有建筑物。建筑構(gòu)件，即建筑工程項(xiàng)目中的單體構(gòu)件，如基礎(chǔ)、梁、板、柱、屋頂、建筑附屬構(gòu)件等。機(jī)械設(shè)備模型，是完成建筑工程項(xiàng)目所必須需要的工具、機(jī)械。如員工廠(chǎng)房，圍欄，腳手架，挖掘機(jī)塔吊等。

以建筑施工工藝和建筑施工驗(yàn)收規(guī)范為判斷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)模型庫(kù)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(gè)體性較強(qiáng)，重用性較差，用于進(jìn)行新模型生成需要花費(fèi)的人力時(shí)間很大。實(shí)現(xiàn)施工模型的快速建模。第一要進(jìn)行模型的優(yōu)化，lod的目的是初始模型序列的簡(jiǎn)化，為了減少導(dǎo)入模型和關(guān)鍵幀的繪制，簡(jiǎn)化模型是必須考慮模型的細(xì)節(jié)。以植物模型為例，L3層級(jí)的模型是較詳盡的模型，滿(mǎn)足近距離觀看的要求;L2層級(jí)的模型是保持模型外形不變，較少附屬構(gòu)件及細(xì)節(jié)構(gòu)件;L1層級(jí)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(jìn)行參數(shù)化建模，并建立相應(yīng)的模型庫(kù)及參數(shù)信息庫(kù)、貼圖材質(zhì)庫(kù)等表1。在建模時(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)模型的直接調(diào)用或者對(duì)參數(shù)直接進(jìn)行修改。利用參數(shù)化建模平臺(tái)，將各個(gè)施工設(shè)備及建筑構(gòu)件進(jìn)行層次化的拆分，并給拆分后的模型單體設(shè)置參數(shù)，生成所需要的構(gòu)件施工節(jié)點(diǎn)模型。

表1 模型庫(kù)信息

2.3 材質(zhì)的設(shè)置

為使虛擬施工模型更加生動(dòng)形象，對(duì)模型的貼圖紋理處理具有很高的要求，通過(guò)圖形處理軟件將圖片進(jìn)行編輯并將圖片大小設(shè)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(jiǎn)意賅容易理解的說(shuō)就是將一個(gè)物體表面進(jìn)行貼膜，并使表面圖案不發(fā)生扭曲。相對(duì)規(guī)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(dāng)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(fù)雜的模型，可能要指定兩個(gè)以上的UVW貼圖。不同的模型，指定貼圖的坐標(biāo)類(lèi)型與方式相同，需要根據(jù)制作的模型要求靈活的選擇。

另外在材質(zhì)設(shè)置的過(guò)程中，要根據(jù)整個(gè)模型及場(chǎng)景的大小來(lái)進(jìn)行具體尺寸的選擇，例如場(chǎng)景中要求非常逼真，需要近距離觀察的圖像，可以設(shè)置1024×1024像素，相反就可以設(shè)置為分辨率較小的，這樣可以有效的減少數(shù)據(jù)量，方便以后運(yùn)行時(shí)能快速加載，不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行時(shí)的卡頓現(xiàn)象。

2.4 交互式技術(shù)路線(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)軟件VRP可以完成三維場(chǎng)景的模型導(dǎo)入、后期編輯、交互制作、特效制作、界面設(shè)計(jì)、打包發(fā)布等工作，逼真的模擬各種物理學(xué)運(yùn)動(dòng)［1］，具備建筑設(shè)計(jì)和施工過(guò)程模擬過(guò)程中可以模擬真實(shí)的日照條件、空間環(huán)境等外界真實(shí)環(huán)境。

建立好模型后的場(chǎng)景，先進(jìn)行烘焙，將光影效果帶入虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)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(tái)下進(jìn)行處理時(shí)首先要賦予場(chǎng)景內(nèi)部模型物理屬性;其次，對(duì)模型的自然環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，如太陽(yáng)。最后我們將進(jìn)行腳本設(shè)置，賦予模型結(jié)構(gòu)相應(yīng)的功能，如顯示、隱藏、開(kāi)始動(dòng)畫(huà)、結(jié)構(gòu)詳解、相機(jī)轉(zhuǎn)化等。

3 某一鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房交互式可視化虛擬施工實(shí)現(xiàn)過(guò)程

某一在建鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房，在建設(shè)之前，對(duì)其進(jìn)行可視化虛擬施工。包括施工場(chǎng)地布置、塔吊安放位置，旋轉(zhuǎn)半徑的判斷等。

首先要進(jìn)行施工模型的搭建。整個(gè)系統(tǒng)的建模流程如下:將圖片和圖紙導(dǎo)入到參數(shù)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(zhì)文件調(diào)用材質(zhì)規(guī)則，系統(tǒng)判斷是否符合規(guī)則要求。圖紙導(dǎo)入3ds軟件進(jìn)行參數(shù)建模，調(diào)用物理規(guī)則進(jìn)行判定，再次調(diào)用材質(zhì)庫(kù)材質(zhì)進(jìn)行貼圖。在3ds中利用3dmax-for-vrp將這些數(shù)據(jù)與模型結(jié)合導(dǎo)出到正確屬性的模型文件庫(kù)。上述步驟以實(shí)現(xiàn)快輸修圖、建模、貼圖的操作。

以履帶式起重機(jī)為例，其中履帶式起重機(jī)常用形式有以下三種:W1-50型、W1-100型、W1-200型。不同型號(hào)的履帶式起重機(jī)外形尺寸，由于其尺寸會(huì)影響到構(gòu)件擺放距離和場(chǎng)地布置情況，因此將尺寸參數(shù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)是判定施工組織是否合理的一個(gè)依據(jù)。

根據(jù)梁板柱的安裝過(guò)程，在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用正確的施工機(jī)械及施工方法，選擇正確的開(kāi)始安放位置，然后結(jié)合施工要求選擇正確的施工方案，在此設(shè)定動(dòng)畫(huà)相機(jī)，給對(duì)相機(jī)進(jìn)行路徑編輯，給施工機(jī)械編輯運(yùn)動(dòng)路徑，結(jié)合實(shí)際操作半徑和行進(jìn)速率，將施工機(jī)械運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)定［2］。最后通過(guò)相機(jī)功能輸出視頻格式的施工過(guò)程過(guò)程如圖3。

圖3 某一鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房交互式可視化虛擬施工實(shí)現(xiàn)過(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

安全施工組織設(shè)計(jì)是保證施工現(xiàn)場(chǎng)全部安全生產(chǎn)工作合理實(shí)施的重要條件。首先要結(jié)合擬建工程規(guī)模，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對(duì)原始資料進(jìn)行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，編制指導(dǎo)工程全部施工活動(dòng)的施工組織設(shè)計(jì)［3］。根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)先將施工過(guò)程利用可視化技術(shù)將其展示出來(lái)。為了達(dá)到快速建模的目的，預(yù)先建立好施工模型庫(kù)及其運(yùn)動(dòng)判定軌跡。為使施工場(chǎng)景具有真實(shí)感，先利用AutoCAD對(duì)圖形圖像預(yù)先處理，再建立建筑構(gòu)件模型庫(kù)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化定義。最終導(dǎo)入VRP平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑的編輯依據(jù)施工規(guī)范規(guī)定，實(shí)現(xiàn)可交互、準(zhǔn)確、可判斷優(yōu)劣的施工過(guò)程模擬技術(shù)。

［1］邢林濤，張建平，袁江，等.計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)在建筑施工中的應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，1999，28(11):13-14.

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

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