跨平臺3D虛擬施工進度系統(tǒng)的實現(xiàn)

饒平平　邵兆通　趙琳學(xué)

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上?！?00093)

?

跨平臺3D虛擬施工進度系統(tǒng)的實現(xiàn)

饒平平邵兆通趙琳學(xué)

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海200093)

工程施工需要直觀、形象的進度管理工具，將BIM技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合能夠開發(fā)出富信息化、可視化、多終端的施工進度演示系統(tǒng)。本文通過Revit建立符合標(biāo)準(zhǔn)的建筑施工模型，用3DMAX修改材質(zhì)貼圖后導(dǎo)入Unity3D中，使用Unity3D開發(fā)跨平臺施工進度系統(tǒng)。Revit模型信息采用IFC格式傳遞到Unity3D數(shù)據(jù)中，能夠輕松發(fā)布到PC端、Web端和手機端，可以為施工管理提供更好的服務(wù)。

BIM； 虛擬現(xiàn)實； 跨平臺； 施工進度

1　引言

工期、成本、質(zhì)量為工程項目管理三大核心，能否在合同總工期內(nèi)完成工程項目關(guān)系到工程款能否順利支付以及項目的總體利潤。工程施工進度往往通過流程圖、甘特圖或平面示意圖進行。這些方式的優(yōu)點在于簡單明了，對于實施短期計劃方便快捷； 在涉及到整個項目的進度控制時，資料不易保存，施工進度不夠準(zhǔn)確、形象。李勇[1]詳細(xì)介紹了基于BIM的工程項目進度研究方法，使用工具為Revit和造價相關(guān)客戶端軟件。趙彬[2]等結(jié)合BIM與4D虛擬建造技術(shù)介紹其相對于傳統(tǒng)建造方式的優(yōu)越性，但并沒有闡述技術(shù)實現(xiàn)。紀(jì)凡榮[3]等研究了基于BIM的三維可視化進度管理，但不能跨平臺、多終端應(yīng)用。隨著BIM技術(shù)在國內(nèi)建筑工程項目的推廣應(yīng)用，三維施工進度可以通過Navisworks等客戶端軟件實現(xiàn)，但其表現(xiàn)效果并不理想，而且只能通過文件拷貝的方式實現(xiàn)共享。雖然建筑可視化是當(dāng)下研究的熱點，能實現(xiàn)跨平臺、富信息、真實感的3D虛擬施工進度的并不多見。本文借助BIM、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)開發(fā)能支持多終端的3D施工進度平臺。

2　研究思路

作者在三年前做土建施工管理時了解到，施工管理比較看重構(gòu)件所含的信息而非效果，更側(cè)重于模型是否可以直接指導(dǎo)施工，而建筑信息模型(BIM)技術(shù)的到來恰好填補了這種需求。國內(nèi)最常用的BIM軟件Revit、Microstation、ArchiCAD、Tekla等，所建的模型構(gòu)件均富含信息，施工過程中可以直接選擇構(gòu)件查詢，因此可以借助BIM技術(shù)實現(xiàn)施工進度平臺的富信息化。不同的專業(yè)需要附加不同的構(gòu)件屬性，例如混凝土框架梁，頂標(biāo)高、底標(biāo)高和混凝土體積可以通過軟件直接提取，生產(chǎn)廠家、施工質(zhì)量、混凝土強度等級等需要在構(gòu)件的屬性里提取。這些信息對于施工管理是非常有幫助的。

3　平臺選擇

3.1Revit平臺

Revit是由Autodesk公司開發(fā)的一款BIM軟件，可以通過創(chuàng)建三維信息模型自動生成平面圖紙和節(jié)點圖紙，構(gòu)件模型一處更改，各個視圖同時更改，極大地降低了修改時間。每一個構(gòu)件均被賦予真實的物理屬性，墻梁柱不再是幾何的長方體等圖形。能夠減少設(shè)計時的邏輯錯誤，提高了工作效率。其建模時賦予構(gòu)件的數(shù)據(jù)能夠和公司的其他產(chǎn)品如3dsmax、AutoCAD、Navisworks等互通。每一款軟件發(fā)揮各自的專長，所以國內(nèi)市場占有率比較大。現(xiàn)如今，很多大型建筑尤其是裝配式建筑施工項目部為BIM應(yīng)用配置了相應(yīng)的硬件設(shè)備，作者咨詢了一些位于上海的項目管理人員，他們均使用Revit建了信息模型。Revit不僅在建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備方面具有強大信息建模能力，還被賦予了二次開發(fā)功能。通過基于Net平臺的C#語言可以擴展Revit功能或加快建模速度。

3.23DMAX軟件

3DMAX使用歷史悠久，全球用戶最多，在網(wǎng)絡(luò)游戲、室內(nèi)設(shè)計、影視廣告領(lǐng)域表現(xiàn)突出。具有強大的建模能力，支持多邊形建模，NUBRS建模、細(xì)分曲面技術(shù)、基于圖像的繪制能夠創(chuàng)建逼真的建筑動畫， 3DMAX支持腳本開發(fā)，能夠渲染出接近真實的情景畫面。由于Revit所建的模型沒有方便使用的建筑動畫信息，故結(jié)合3DMAX創(chuàng)建施工過程動畫，以此演示工程進度，同時也可以改善模型的視覺效果。

3.3Unity3D平臺

Unity3D是三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是全面整合的專業(yè)游戲引擎，只需要一次投入精力開發(fā)目標(biāo)產(chǎn)品，就可以在IOS、Windows、安卓等平臺同一配置，對于不同的信息終端交流提供了極大的便利。Unity3D在游戲領(lǐng)域風(fēng)靡的同時，建筑可視化方面同樣發(fā)揮著重要的角色。Unity3D的開發(fā)方式視覺化，擁有比較詳細(xì)的屬性編輯器可以方便操作，減少了修復(fù)BUG的工作量。Unity3D擁有功能完備的物理引擎，能夠模擬各種物理現(xiàn)象。因此它被廣泛應(yīng)用于虛擬世界的創(chuàng)建。在3D虛擬施工進度的實現(xiàn)中，Unity3D主要提供了跨平臺和方便編程的特性。

4　實現(xiàn)方法

4.1開發(fā)流程

在汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)維修、汽車自動變速器維修、汽車電氣系統(tǒng)維修等課程過程考核中，引入汽車檢測與維修技能大賽的規(guī)則評分標(biāo)準(zhǔn)，不僅考核學(xué)生的理論知識掌握情況，同時從學(xué)生的崗位操作技能、故障分析能力等方面對學(xué)生進行綜合評價。例如：汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)維修課程過程考核中設(shè)有進氣系統(tǒng)電氣元件檢測、發(fā)動機電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、發(fā)動機不能起動故障診斷等內(nèi)容，通過考試模式的改革和考核標(biāo)準(zhǔn)的變更力求實現(xiàn)與崗位技能要求的零對接。

滿慶鵬等[5]對建筑施工過程信息需求分析，結(jié)合IFC標(biāo)準(zhǔn)對建筑信息的定義，建立了與IFC數(shù)據(jù)實體一致的模型標(biāo)準(zhǔn)，可以按照該標(biāo)準(zhǔn)建立工程施工所需要的工程進度BIM模型。創(chuàng)建梁時可以包含混凝土等級、混凝土體積、計劃施工日期、實際施工日期等施工管理所需要的數(shù)據(jù)，建好模型以后將Revit模型導(dǎo)入IFC中間數(shù)據(jù)文件，市面上有很多可以讀取IFC文件的插件和軟件，也可以通過編程開發(fā)讀取。導(dǎo)出IFC的同時將Revit模型通過FBX中間格式導(dǎo)入到3DMAX軟件，在3DMAX軟件中設(shè)置貼圖與構(gòu)建出現(xiàn)動畫，然后通過FBX格式導(dǎo)入Unity3D，通過Unity3D的動畫播放控制與IFC信息集成，部署到各平臺即可。其開發(fā)流程如圖1所示。

圖1　開發(fā)流程示意

4.2Revit導(dǎo)出數(shù)據(jù)

Revit可以將模型導(dǎo)出為IFC作為中間格式或通過二次開發(fā)導(dǎo)出到數(shù)據(jù)庫。Revit與其他軟件的數(shù)據(jù)交互主要有兩種方式：一種是借助第三方軟件如Excel或SQL SERVER承擔(dān)信息載體，通過C#語言對Revit和Excel二次開發(fā)將Revit中的構(gòu)件信息導(dǎo)出到Excel中，此過程中，可以將ElementID作為唯一標(biāo)識[6]，在構(gòu)件信息與Unity3D構(gòu)件模型匹配時可以用到此唯一標(biāo)識；第二種方式是采用IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，Revit程序本身提供了IFC的導(dǎo)出功能，可以導(dǎo)出圖元及圖元的參數(shù)，也可以通過軟件開發(fā)的方式自定義導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

4.33DMAX動畫設(shè)置

3DMAX雖然建模、動畫功能比較強大，但經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)，Unity3D對修改器動畫支持能力不佳，支持整體移動、縮放、旋轉(zhuǎn)動畫，同時支持骨骼動畫。3DMAX中對模型的處理主要涉及以下兩個方面：

(1)構(gòu)件貼圖的修改

構(gòu)件貼圖是建筑構(gòu)件的主要效果傳達(dá)方式。經(jīng)過測試，室內(nèi)設(shè)計常用的UVW貼圖修改器經(jīng)過調(diào)整Gizmo導(dǎo)入到Unity3D中會顯示不正確，通過使用UVW展開修改器就完全解決了該問題。

(2)建筑施工進度演示中建筑構(gòu)件的出現(xiàn)

模擬建筑構(gòu)件的出現(xiàn)最基本的方式就是幀動畫，了解如何創(chuàng)建導(dǎo)入到Unity3D的動畫將會節(jié)約大量時間，少走很多彎路。從Revit導(dǎo)出的FBX模型導(dǎo)入到3DMAX后，只是每個單獨構(gòu)件相互獨立的模型。需要根據(jù)項目部制定的施工計劃或?qū)嶋H施工進度創(chuàng)建每個構(gòu)件的出現(xiàn)動畫，從無到有的過程可以采用縮放動畫，將Gizmos中心點移至構(gòu)件的最底端，在一定的時間間隔內(nèi)設(shè)置兩個關(guān)鍵幀，第一個關(guān)鍵幀設(shè)置縮放比例為0%，第二個關(guān)鍵幀設(shè)置縮放比例為100%，這樣就可以實現(xiàn)構(gòu)件從無到有的動畫，對于整個項目來說比較形象。對于建筑工程項目來說，通過Revit創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到3DMAX中，構(gòu)件模型往往比較多，而且這種操作雖然工作量比較大，但相對簡單，所以可以借助3DMAX腳本編程的方式完成。建筑構(gòu)件在3DMAX中處理的結(jié)果是通過點擊播放動畫命令能夠產(chǎn)生和要求施工進度一致的動畫效果。

4.4Unity3D平臺開發(fā)

經(jīng)過3DMAX的修改，就可以將模型通過FBX格式文件導(dǎo)入到Unity3D中。通過Unity3D的開發(fā)，實現(xiàn)拖動滑動條控制FBX模型幀動畫的播放來控制施工進度。其窗口面板如圖2。

圖2　施工進度管理窗口

5　結(jié)論與不足

本文開發(fā)了跨平臺3D虛擬施工進度系統(tǒng)，實現(xiàn)了以下突破：

(1)將BIM技術(shù)的建筑模型信息集成到管理系統(tǒng)中，能夠在施工過程中隨時調(diào)取，方便施工管理；

(2)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入3D施工進度管理系統(tǒng)，視覺效果得到明顯提升；

(3)通過選用Unity3D作為模型發(fā)布平臺，可以輕松實現(xiàn)跨平臺部署，方便施工管理人員通過多終端查看工程進度情況。

該進度管理系統(tǒng)還有以下方面需要改進：

(1)由于建筑模型構(gòu)件比較多，對于大型的建筑施工項目需要較高的硬件平臺以支持Revit與3DMAX的運行；

(2)可以通過開發(fā)以支持多位項目管理人員分片區(qū)錄入施工計劃或施工進度。

[1]李勇. 建筑工程施工進度BIM預(yù)測方法研究[D].武漢理工大學(xué)， 2014.

[2]趙彬， 王友群，牛博生.基于BIM的4D虛擬建造技術(shù)在工程項目進度管理中的應(yīng)用[J].建筑經(jīng)濟， 2011， 347(9)： 93-95.

[3]紀(jì)凡榮， 曲娣，尚方劍.BIM情景下的可視化工程進度管理研究[J].建筑經(jīng)濟， 2014， 35(10)： 40-43.

[4]胡西偉. 基于三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論研究[D].武漢大學(xué)， 2005.

[5]滿慶鵬， 孫成雙.基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑施工信息模型[J].土木工程學(xué)報， 2011， 44增： 239-243.

[6]Autodesk Asia Pte Ltd.AUTODESK Revit 二次開發(fā)基礎(chǔ)教程[M].同濟大學(xué)出版社， 2015.

Realization of Cross-platform Virtual 3D Construction Progress System

Rao Pingping, Shao Zhaotong, Zhao Linxue

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Engineering construction needs visual progress management tools to integrate BIM and VR to develop a visualized and multi-terminal construction progress demonstration system with rich information. Building the standard construction model with Revit, this article modifies the texture of materials using 3DMAX and then imports the model to Unity3D so as to develop a cross-platform construction progress system. Model information in Revit is transmitted to Unity3D in IFC format, which can be easily released to the PC, Web and mobile terminal and provide better service for construction management.

BIM；VR；Cross-platform；Construction Progress

饒平平(1984-)，男，副教授，主要從事巖土力學(xué)教學(xué)與科研工作；

邵兆通(1990-)，男，碩士研究生，主要從事BIM軟件開發(fā)工作。

TU17； P642

A

1674-7461(2016)01-0080-03

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.14