BIM+VR在装配式建筑构件虚拟生产中的应用

沈立森，吴亚鹏，齐兴敏

(1.石家庄职业技术学院 建筑工程系，河北 石家庄 050081；2.河北轨道运输职业技术学院 机电工程系，河北 石家庄 052165)

装配式建筑是采用标准化设计、工业化生产、装配化施工等现代生产方式建造而成的建筑物.预制构件作为装配式建筑的基本组成元素，具有复用性、独立性、可组装性和标准性等特点，但装配式建筑预制构件的生产大都在生产车间进行，生产人员的人身安全往往难以保证，特别是对于经验缺乏的新入职人员来说，一旦发生安全事故，后果不堪设想[1].因此，模拟一种既安全又真实的预制构件生产过程就显得尤为必要.

BIM(建筑信息模型)和VR(虚拟现实技术)技术的出现，为模拟预制构件的生产过程提供了可能.BIM技术经过多年的发展，已得到了建筑行业的普遍认可.使用BIM软件，既可有效整合预制构件和生产线设备的相关信息，也便于进行管理[2].VR利用计算机生成一个三维虚拟场景，用户通过携带的VR设备，得到沉浸式交互体验[3].BIM+VR技术与装配式建筑领域的充分结合，不仅能为预制构件的虚拟生产提供技术支持，也可减少构件制作和吊运给生产人员带来的安全问题.

本文以石家庄职业技术学院2017年的校企合作企业河北雪龙机械制造有限公司的装配式建筑构件生产线为例，阐述装配式建筑构件生产工艺，并通过BIM+VR完成装配式建筑构件生产线模型的建立和构件生产的虚拟交互设计.

1 装配式建筑构件环形生产线及生产工艺流程

1.1 环形生产线

环形生产线分为原料处理区、循环生产区、养护储存区和脱模区四个区域，分别设有模台清理工位、划线工位、固定边模工位、钢筋笼吊装工位、预埋件安装工位、检查工位、布料工位、人工赶平工位、预养护工位、抹光工位、立体养护工位、拆模工位、侧立脱模工位等15种工位区.各工位区分别配有清扫机、划线机、喷油机、布料机、抹光机、摆渡车、拉毛机、码垛机、立体养护库、侧立脱模机、驱动轮、地轮、吊车等20余种设备.生产线重要工位区示意图见图1.

图1 生产线重要工位区示意图

1.2 生产工艺流程

装配式建筑构件的生产工艺流程如图2所示.

图2 构件的生产工艺流程

2 BIM技术建模

根据装配式构件生产线图纸，依托Revit平台，建立生产设备族库，绘制BIM模型，包括厂房主体、生产线设备布置和预制主体构件三部分.

2.1 厂房主体模型建立

厂房主体模型包括地面、钢柱、钢梁、钢板、门窗等构件.此部分模型在Revit软件中均为自有族，只需将族载入到项目文件中，再根据厂房布置图，依次绘制，并修改尺寸参数和材质即可建立.装配式生产厂房的主体模型如图3所示.

图3 装配式生产厂房主体模型

2.2 生产线设备布置模型建立

以装配式构件生产设备族库为基础，以装配式构件生产线布局图为依据，以Revit建模软件为平台，将设备族库载入项目文件，完成生产线设备布置模型的组建，如图4所示.

图4 生产线设备布置模型

2.3 预制主体构件模型建立

预制主体构件包括墙体、楼板、梁、构造柱、楼梯五大类，所需材料有混凝土、钢筋笼、预埋件、保温板等.以保温墙体为例，创建的墙体构件BIM模型如图5所示.

图5 墙体构件BIM模型

3 VR虚拟构件生产

装配式建筑构件的虚拟化生产是人机交互和可视化的关键，而BIM软件作为装配式建筑构件生产线模型的主要搭设平台，只能完成模型建立、赋予材质信息等前处理工作，而对于模型的后处理，如光源设置、动画交互、虚拟体验等过程，则必须借助虚拟设计平台的相关软件才能实现.为实现装配式建筑构件生产过程的虚拟体验，选用Unity3D平台，以生产线基础模型为对象，以实体构件的生产工艺为指导，还原装配式建筑构件的虚拟化生产过程.

3.1 Unity3D简介

Unity3D是由Unity Technologics公司开发的一款功能强大的虚拟现实开发引擎，可支持JavaScipt，C#等脚本语言，利用它能简便、迅速地制作出各种跨平台的交互动作内容，实现各种逻辑功能，完成游戏开发[4].此软件还支持BIM，3DMax，MAYA等主流建模软件，也可在PC，Web，Mac，iOS等多平台发布，用户可根据需求对软件进行二次开发，既可优化结构，又可提高开发效率.

3.2 模型导入

BIM三维信息模型是虚拟体验交互动作开发的数据基础，因此，首先需要将BIM模型对接导入到Unity3D中，通过对Unity3D的二次开发，增加“BIM模型导入”功能工具包，导入Unity3D认可格式的模型文件.由于模型组件繁多、琐碎，并非所有组件都能用于动态效果制作，故将各组件分为静态对象和动态对象两类，其中，静态对象是指在交互过程中，相对坐标、比例大小、材质颜色、是否隐藏等信息始终保持不变的组件；动态对象是指在交互过程中，相对坐标、比例大小、材质颜色、是否隐藏等信息有一类或多类信息发生改变的组件.组件的分类情况如表1所示.

表1 组件分类情况

3.3 光源设置

为增强体验者的沉浸感，使场景效果更加真实，需要对模型进行光源参数设置.由于厂房设备均位于室内，且无夜间作业，仅有个别设备(如抹光机、码垛机等)处于光线较暗的区域，这便导致构件在经过该类设备时变得模糊，因此，灯光应主要以平行光为主，在光线较暗的区域用聚光灯作为辅助光源，从而使光线覆盖整个厂房区域.光源的主要参数设置情况如表2所示.

表2 光源参数

3.4 动作设置

为减少模型交互动作的编程工作量，采用装配式构件的“一键生产”方法，在地面上添加3D Object中的Cube对象作为触发区域，如图6所示.

图6 触发区域

使用Unity3D中“Window-Animation”命令模拟构件生产过程，动作描述如图7所示.

图7 动作描述

模拟动作主要包括平移、拉伸、显示、隐藏、旋转及先后逻辑等.预制外墙板的生产流程及交互动作设置如图8所示.

图8 预制外墙板的生产流程及交互动作设置

3.5 模型发布及场景体验

交互动作设置完成后，将模型打包并发布，生成装配式建筑构件的三维虚拟生产线场景，场景清晰、真实.连接VR设备后，进入场景，有较强的沉浸感，可通过手柄移动人体所处位置并实现装配式构件的“一键生产”过程.装配式建筑构件生产线的BIM+VR交互场景如图9所示.

图9 装配式建筑构件生产线的BIM+VR交互场景

4 结语

根据装配式建筑构件生产线设备图和布局图，利用BIM和Unity3D相关平台软件，可建立装配式建筑构件的三维基础模型，完成装配式建筑构件生产线VR场景的动画交互，使装配式构件的生产过程更加直观和真实.装配式建筑构件生产与BIM+VR的充分结合，不仅能为车间作业人员提供安全保障，也能为创新装配式建筑构件生产工艺提供借鉴.