交互式可视化虚拟施工过程技术研究

王楠楠，李一婷

(大连民族学院土木建筑工程学院辽宁大连116605)

传统施工过程由于无法再现施工过程，所以在施工中发生很多施工风险和错误的过程组织导致工程出现不可预见的施工问题，可视化施工过程通过再现施工过程可以有效降低和施工风险。虚拟施工技术是将虚拟现实技术应用于建筑施工中，为使用者提供基于交互和沉浸方式的施工过程再现，使得施工组织者通过三维空间分析和定量分析对施工过程进行研究。交互式可视化虚拟施工过程建立在建筑标准构件和建模基础上，以建筑工程验收规范为约束条件，结合计算机高性能计算和虚拟仿真技术，可视化虚拟施工建造过程。可视化虚拟施工技术可以辅助增强工程在实际建筑过程中的人员组织、材料筹备、关键工作控制的优化和决策能力，有效地提高建筑工程质量，将施工过程中的安全隐患减少到最低。

1 虚拟施工技术要点

虚拟施工技术主要包括施工模型快速建立、标准三维模型数据、施工规范判定数据库、施工平面数据以及施工过程轨迹等5个技术方面。

通过结合建筑工程施工验收规范建立施工方案可行性判定数据库，在3DMax中结合实际建立可调用的通用的三维模型数据库，应用Auto CAD二维数据建立地形和项目准确的平面数据，最后再将施工过程中设备的物理属性和不可变更属性(如旋转角度)编辑成运动轨迹脚本。交互式可视化虚拟施工过程流程图如图1。

图1 交互式可视化虚拟施工过程

2 虚拟施工模型的快速建立

2.1 建立多级模型库

模型作为虚拟仿真系统的最小元素，模型是系统的抽象，由此可以看出系统的好坏取决于模型是否正确真实，建立模型的时间长短等。一个建筑虚拟施工项目包括虚拟场景的绘制、虚拟建筑构件以及虚拟机械设备模型。交互式可视化虚拟施工过程将建筑工程项目的模型库划分成模型库、基础数据库、路径判断依据库。其中模型库包括环境模型、构件模型、材料模型，模型库层级关系如图2。

图2模型库层级关系图

环境模型是建筑工程项目所处环境通过建立模型进行的模拟仿真，如平地、山地、树木、其他原有建筑物。建筑构件，即建筑工程项目中的单体构件，如基础、梁、板、柱、屋顶、建筑附属构件等。机械设备模型，是完成建筑工程项目所必须需要的工具、机械。如员工厂房，围栏，脚手架，挖掘机塔吊等。

以建筑施工工艺和建筑施工验收规范为判断标准，根据模型库的要求快速搭建施工模型。

2.2 模型的快速建立方法

很多施工三维模型，采用直接建模方法，个体性较强，重用性较差，用于进行新模型生成需要花费的人力时间很大。实现施工模型的快速建模。第一要进行模型的优化，lod的目的是初始模型序列的简化，为了减少导入模型和关键帧的绘制，简化模型是必须考虑模型的细节。以植物模型为例，L3层级的模型是较详尽的模型，满足近距离观看的要求;L2层级的模型是保持模型外形不变，较少附属构件及细节构件;L1层级是以面以及纹理表示模型，用于建筑外布置的植物。第二，将整体的建筑模型进行参数化建模，并建立相应的模型库及参数信息库、贴图材质库等表1。在建模时，通过对数据库中标准模型的直接调用或者对参数直接进行修改。利用参数化建模平台，将各个施工设备及建筑构件进行层次化的拆分，并给拆分后的模型单体设置参数，生成所需要的构件施工节点模型。

表1 模型库信息

2.3 材质的设置

为使虚拟施工模型更加生动形象，对模型的贴图纹理处理具有很高的要求，通过图形处理软件将图片进行编辑并将图片大小设置成2的n次方像素大小 ，使用bitmap的贴图方式，并添加合适的UVWmapping处理效果，言简意赅容易理解的说就是将一个物体表面进行贴膜，并使表面图案不发生扭曲。相对规则整平的物体，一般选planner mapping或box mapping。曲面的物体一般选定为cylindrical mapping或spherical mapping，就是当物体表面非平面式如弧形球形表面的贴膜方式。形状比较复杂的模型，可能要指定两个以上的UVW贴图。不同的模型，指定贴图的坐标类型与方式相同，需要根据制作的模型要求灵活的选择。

另外在材质设置的过程中，要根据整个模型及场景的大小来进行具体尺寸的选择，例如场景中要求非常逼真，需要近距离观察的图像，可以设置1024×1024像素，相反就可以设置为分辨率较小的，这样可以有效的减少数据量，方便以后运行时能快速加载，不会出现运行时的卡顿现象。

2.4 交互式技术路线

虚拟现实软件VRP可以完成三维场景的模型导入、后期编辑、交互制作、特效制作、界面设计、打包发布等工作，逼真的模拟各种物理学运动［1］，具备建筑设计和施工过程模拟过程中可以模拟真实的日照条件、空间环境等外界真实环境。

建立好模型后的场景，先进行烘焙，将光影效果带入虚拟现实平台中。烘焙出的图片是一张完整的大图，它携带全部可以用眼睛看到的信息即光的折射信息。VRP平台下进行处理时首先要赋予场景内部模型物理属性;其次，对模型的自然环境进行设定，如太阳。最后我们将进行脚本设置，赋予模型结构相应的功能，如显示、隐藏、开始动画、结构详解、相机转化等。

3 某一钢结构厂房交互式可视化虚拟施工实现过程

某一在建钢结构厂房，在建设之前，对其进行可视化虚拟施工。包括施工场地布置、塔吊安放位置，旋转半径的判断等。

首先要进行施工模型的搭建。整个系统的建模流程如下:将图片和图纸导入到参数化模块中，在Photoshop中编辑脚本，使得输出的图片大小都是2的n次方并保存为jpg和png格式;材质文件调用材质规则，系统判断是否符合规则要求。图纸导入3ds软件进行参数建模，调用物理规则进行判定，再次调用材质库材质进行贴图。在3ds中利用3dmax-for-vrp将这些数据与模型结合导出到正确属性的模型文件库。上述步骤以实现快输修图、建模、贴图的操作。

以履带式起重机为例，其中履带式起重机常用形式有以下三种:W1-50型、W1-100型、W1-200型。不同型号的履带式起重机外形尺寸，由于其尺寸会影响到构件摆放距离和场地布置情况，因此将尺寸参数录入数据库是判定施工组织是否合理的一个依据。

根据梁板柱的安装过程，在数据库中调用正确的施工机械及施工方法，选择正确的开始安放位置，然后结合施工要求选择正确的施工方案，在此设定动画相机，给对相机进行路径编辑，给施工机械编辑运动路径，结合实际操作半径和行进速率，将施工机械运动细节进行设定［2］。最后通过相机功能输出视频格式的施工过程过程如图3。

图3 某一钢结构厂房交互式可视化虚拟施工实现过程

4 结语

安全施工组织设计是保证施工现场全部安全生产工作合理实施的重要条件。首先要结合拟建工程规模，结构特点，在对原始资料进行调查分析的基础上，编制指导工程全部施工活动的施工组织设计［3］。根据设计预先将施工过程利用可视化技术将其展示出来。为了达到快速建模的目的，预先建立好施工模型库及其运动判定轨迹。为使施工场景具有真实感，先利用AutoCAD对图形图像预先处理，再建立建筑构件模型库，利用数据库对建筑构件进行参数化定义。最终导入VRP平台对运动路径的编辑依据施工规范规定，实现可交互、准确、可判断优劣的施工过程模拟技术。

［1］邢林涛，张建平，袁江，等.计算机图形系统在建筑施工中的应用［J］.施工技术，1999，28(11):13-14.

［2］黄晓翔，吕丽平.建筑施工行业信息化管理优化模型研究与仿真［J］.科技通报，2013，29(04):70-72.

［3］周海云，刘俊峰.加强建筑施工管理的有效措施［J］.技术与市场，2011，18(07):409.