基于BIM技術(shù)的機(jī)電管線排布信息獲取方法研究

郝慧民 陳靜茹 周東明 崔維久 王成龍

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266033)

引言

近年來(lái)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，建筑業(yè)通過(guò)BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，為建筑工程的信息化管理提供了新的技術(shù)保障[1，2]。BIM技術(shù)已在設(shè)計(jì)、施工、管理、運(yùn)維等多個(gè)方面發(fā)揮其作用，為多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、安全管理、質(zhì)量管理、進(jìn)度管理和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等提供技術(shù)支持[3，4]。但是目前的BIM技術(shù)在管線綜合信息管理的過(guò)程中，存在著管線排布信息獲取過(guò)程復(fù)雜，信息查看不直觀的問(wèn)題，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤且工作效率低下。本研究通過(guò)兩次投影的方法對(duì)復(fù)雜管線之間的距離進(jìn)行測(cè)量，在BIM云平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了管線距離的自動(dòng)測(cè)量及顯示，操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。在機(jī)電管線安裝施工時(shí)可以使工人更精確地還原設(shè)計(jì)，也為管線的工廠預(yù)制加工提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[5]。兩次投影是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)，模式識(shí)別原理[6，7]通過(guò)空間點(diǎn)之間的正交投影計(jì)算出各個(gè)三維空間點(diǎn)之間的距離的方法[8]。

1 距離自動(dòng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)原理

Unity 3D中的物體由Unity 3D中內(nèi)置的Mesh.Vertices索引數(shù)組組成的三角形構(gòu)成[9](如圖1所示)。所選物體的頂點(diǎn)列表獲取形式如下所示，

Mesh Filter mf=this. game Object. Get Component()；

Listvertice List=new List()；

int vertice Count=mf. mesh.vertices. Length；

for(int vertice Index=0； vertice Index

{Vertice List. Add(mf. mesh. vertices[vertice Index])； }

獲取所選物體的數(shù)字索引數(shù)組，即與三角形三維坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)組(如圖2所示)實(shí)現(xiàn)代碼如下：

Listtriangle List=new List()；

int triangle Count=mf. mesh. Triangles.Length；

for(int triangle Index=0； triangle Index

{Triangle List. Add(mf. Mesh. triangles[triangle Index])； }

為進(jìn)行距離測(cè)量，團(tuán)隊(duì)通過(guò)循環(huán)程序在Unity 3D中遍歷頂點(diǎn)坐標(biāo)，確定各頂點(diǎn)之間的位置關(guān)系，進(jìn)而確定構(gòu)件之間的距離及管線的直徑等信息。

圖1 物體在Unity3D中的組成方式

圖2 數(shù)學(xué)數(shù)組與三角形頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

(a)平行 (b)異面 (c)異面垂直圖3 管線間位置關(guān)系

2 距離測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法

本研究通過(guò)兩次投影實(shí)現(xiàn)復(fù)雜情況下管線間距的測(cè)量，將物體頂點(diǎn)列表在兩個(gè)互相垂直的平面上分別投影，隨后與上文頂點(diǎn)列表對(duì)比得到投影后的頂點(diǎn)坐標(biāo)，在此過(guò)程將第一次投影的投影面法向量所在平面為第二次投影的平面，確保兩次投影相互垂直。進(jìn)而篩選兩次投影后的點(diǎn)，根據(jù)第二次投影面比較得到x，y，z最大值、最小值，求出數(shù)組中最短距離并在UI面顯示，由此實(shí)現(xiàn)管線直徑和管線距離的自動(dòng)測(cè)量。

2.1 管件直徑和距離測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法

在確定管線直徑時(shí)，團(tuán)隊(duì)利用圖形學(xué)原理對(duì)管線進(jìn)行剖切，利用剖切面上產(chǎn)生的組成管線數(shù)組，搜索全部組成單個(gè)管線的三角形頂點(diǎn)信息，抽取數(shù)值最大的兩個(gè)頂點(diǎn)，將其距離作為管線直徑，再搜索物體頂點(diǎn)信息，將數(shù)值最小的距離作為管線與其他物體之間的距離。在管線排布設(shè)計(jì)中，由于管線排布錯(cuò)綜復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)上述方法實(shí)現(xiàn)管線間距離信息化，為此通過(guò)對(duì)管線排布情況的分析，應(yīng)用兩次投影的方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜排布情況距離測(cè)量，進(jìn)而為現(xiàn)場(chǎng)的安裝工程活動(dòng)服務(wù)。

2.2 管件排布位置分析方法

在工程應(yīng)用中管線間的位置關(guān)系通常按照其中心線在空間的關(guān)系判斷，由于實(shí)際工程管線間不會(huì)出現(xiàn)相交的情況，則只存在平行和異面兩種位置關(guān)系，其中互為異面的管線夾角為90°時(shí)，為異面垂直關(guān)系，如圖3 所示。對(duì)于平行管線應(yīng)用垂直于管線剖切的方法進(jìn)行位置、直徑測(cè)量； 對(duì)于異面關(guān)系的管線距離則計(jì)算其公垂線長(zhǎng)度，將其轉(zhuǎn)化為求平行平面間的距離。因此可以將管線投影在某個(gè)面上來(lái)達(dá)到互相平行的目的，隨后將兩構(gòu)件間距離轉(zhuǎn)化為兩點(diǎn)間距離，實(shí)現(xiàn)此類構(gòu)件的距離測(cè)量。

2.3 兩次投影方法

為實(shí)現(xiàn)各種排布形式管線的自動(dòng)測(cè)距，需要對(duì)管線及各管件模型頂點(diǎn)在不同平面進(jìn)行兩次投影。

首次投影的平面選擇與當(dāng)前相機(jī)相平行的平面，利用當(dāng)前窗口所在的相機(jī)的前方向向量作為首次投影面的法向量，確定首次投影面，取模型上各頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)遍歷頂點(diǎn)列表，使用式1求解投影后的頂點(diǎn)坐標(biāo)。

(1)

注：

(X0，Y0，Z0)為模型三維坐標(biāo)；

(Xi，Yi，Zi)為頂點(diǎn)列表三維坐標(biāo)；

(Xn，Yn，Zn)為投影面法向量；

(X，Y，Z)為待求解的投影后頂點(diǎn)坐標(biāo)。

在對(duì)首次投影后的頂點(diǎn)進(jìn)行第二次投影前，需要先將模型的上方向向量投影到與相機(jī)所在平行的面上，從而得到第二次投影面的法向量，以此保證兩次投影的投影面互為垂直關(guān)系。技術(shù)人員通常多在俯視圖下查看管線的排布信息，此時(shí)只需將模型的上方向向量中Y軸的坐標(biāo)值取為0，得到第二次投影面的法向量。最后，通過(guò)遍歷首次投影后得到的頂點(diǎn)列表，運(yùn)用式1同樣將頂點(diǎn)投影到兩次投影面上。經(jīng)過(guò)兩次投影后，所有的頂點(diǎn)坐標(biāo)都位于同一直線。通過(guò)對(duì)需要測(cè)距的目標(biāo)管線進(jìn)行兩次投影處理后，依次獲得所有管線的頂點(diǎn)列表，通過(guò)遍歷頂點(diǎn)列表，計(jì)算出兩兩之間的最短距離，實(shí)現(xiàn)管線自動(dòng)測(cè)距。

2.4 距離可視化設(shè)計(jì)方法

通過(guò)對(duì)最短距離兩端點(diǎn)坐標(biāo)的返回值，捕捉世界坐標(biāo)下的位置生成兩側(cè)標(biāo)注線，然后在UI界面上顯示最短距離的連線并對(duì)距離進(jìn)行標(biāo)注。在距離可視化的設(shè)計(jì)中要使用GUI[10]，其目的是為了動(dòng)態(tài)更新劃線距離的顯示。

3 功能實(shí)現(xiàn)對(duì)比

通過(guò)功能實(shí)現(xiàn)的原理分析和簡(jiǎn)單工程的案例應(yīng)用，已證明通過(guò)兩次投影方法所測(cè)得的管線排布信息在終端的共享功能和自動(dòng)測(cè)距是可行的，自動(dòng)測(cè)距與傳統(tǒng)信息提取對(duì)比如圖4所示。

(a)傳統(tǒng)管線距離測(cè)量

圖4(a)是傳統(tǒng)的管線距離測(cè)量顯示，圖4(b)為管線距離自動(dòng)測(cè)距顯示。以Revit軟件為例，傳統(tǒng)測(cè)距在選擇管線過(guò)程時(shí)需要使用對(duì)齊工具選擇每個(gè)管線的邊，有時(shí)因?yàn)楣芫€遮擋的原因，需要選擇多個(gè)窗口進(jìn)行操作，再通過(guò)不斷地點(diǎn)擊Tab鍵選擇邊線，如需測(cè)量數(shù)量較多的管線距離時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)量過(guò)程效率低下。而使用自動(dòng)測(cè)距功能時(shí)，可直接點(diǎn)擊兩個(gè)管線，或者通過(guò)框選選擇多個(gè)管線進(jìn)行測(cè)量，提高工作效率。

4 工程應(yīng)用

本研究以青島市應(yīng)急備用醫(yī)院的機(jī)電管綜模型為對(duì)象進(jìn)行成果驗(yàn)證。通過(guò)應(yīng)用BIM云平臺(tái)的自動(dòng)測(cè)距功能及時(shí)獲取管線排布信息，從而使工作人員可以便捷快速地提取查看信息，從對(duì)管線的工廠預(yù)制加工和現(xiàn)場(chǎng)的定位、開孔、安裝進(jìn)行更加快速精確的指導(dǎo)。具體實(shí)現(xiàn)步驟及效果如下：進(jìn)入BIM云平臺(tái)，載入機(jī)電BIM模型，使用云平臺(tái)中的測(cè)量按鈕，框選要進(jìn)行測(cè)量的管線，即可顯示管線距離。BIM云平臺(tái)自動(dòng)測(cè)距功能及距離顯示效果如圖5所示。

通過(guò)對(duì)本工程分別使用BIM云平臺(tái)自動(dòng)測(cè)距功能及Revit傳統(tǒng)測(cè)量功能兩種方式進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，從測(cè)量效率、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)直觀性三個(gè)方面體現(xiàn)自動(dòng)測(cè)距功能的優(yōu)勢(shì)，具體過(guò)程及結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 Revit測(cè)量及云BIM平臺(tái)自動(dòng)測(cè)量對(duì)比

圖5 BIM云平臺(tái)自動(dòng)測(cè)距功能

圖6 Revit測(cè)量過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題

5 結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)BIM軟件在管線信息提取過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出兩次投影的測(cè)量方法，在基于Unity3D的BIM云平臺(tái)中開發(fā)了管線的自動(dòng)提取功能。主要?dú)w納如下：

(1)通過(guò)將兩次投影方法運(yùn)用到管線距離測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜管線排布信息的自動(dòng)測(cè)量功能，提高了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的工作效率；

(2)通過(guò)兩次投影及測(cè)量原理的分析，使程序能正確地識(shí)別管線距離，避免了因人工測(cè)量過(guò)程中的失誤造成誤差，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

(3)通過(guò)程序設(shè)計(jì)及開發(fā)，在BIM云平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了管線排布信息的可視化，更加直觀地展示管線的位置信息。