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)施工過程由于無法再現(xiàn)施工過程，所以在施工中發(fā)生很多施工風(fēng)險和錯誤的過程組織導(dǎo)致工程出現(xiàn)不可預(yù)見的施工問題，可視化施工過程通過再現(xiàn)施工過程可以有效降低和施工風(fēng)險。虛擬施工技術(shù)是將虛擬現(xiàn)實技術(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程再現(xiàn)，使得施工組織者通過三維空間分析和定量分析對施工過程進行研究。交互式可視化虛擬施工過程建立在建筑標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和建?；A(chǔ)上，以建筑工程驗收規(guī)范為約束條件，結(jié)合計算機高性能計算和虛擬仿真技術(shù)，可視化虛擬施工建造過程?？梢暬摂M施工技術(shù)可以輔助增強工程在實際建筑過程中的人員組織、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，將施工過程中的安全隱患減少到最低。

1 虛擬施工技術(shù)要點

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、施工平面數(shù)據(jù)以及施工過程軌跡等5個技術(shù)方面。

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

圖1 交互式可視化虛擬施工過程

2 虛擬施工模型的快速建立

2.1 建立多級模型庫

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，建立模型的時間長短等。一個建筑虛擬施工項目包括虛擬場景的繪制、虛擬建筑構(gòu)件以及虛擬機械設(shè)備模型。交互式可視化虛擬施工過程將建筑工程項目的模型庫劃分成模型庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、路徑判斷依據(jù)庫。其中模型庫包括環(huán)境模型、構(gòu)件模型、材料模型，模型庫層級關(guān)系如圖2。

圖2模型庫層級關(guān)系圖

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

以建筑施工工藝和建筑施工驗收規(guī)范為判斷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)模型庫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，個體性較強，重用性較差，用于進行新模型生成需要花費的人力時間很大。實現(xiàn)施工模型的快速建模。第一要進行模型的優(yōu)化，lod的目的是初始模型序列的簡化，為了減少導(dǎo)入模型和關(guān)鍵幀的繪制，簡化模型是必須考慮模型的細節(jié)。以植物模型為例，L3層級的模型是較詳盡的模型，滿足近距離觀看的要求;L2層級的模型是保持模型外形不變，較少附屬構(gòu)件及細節(jié)構(gòu)件;L1層級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行參數(shù)化建模，并建立相應(yīng)的模型庫及參數(shù)信息庫、貼圖材質(zhì)庫等表1。在建模時，通過對數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)模型的直接調(diào)用或者對參數(shù)直接進行修改。利用參數(shù)化建模平臺，將各個施工設(shè)備及建筑構(gòu)件進行層次化的拆分，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)點模型。

表1 模型庫信息

2.3 材質(zhì)的設(shè)置

為使虛擬施工模型更加生動形象，對模型的貼圖紋理處理具有很高的要求，通過圖形處理軟件將圖片進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，言簡意賅容易理解的說就是將一個物體表面進行貼膜，并使表面圖案不發(fā)生扭曲。相對規(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，可能要指定兩個以上的UVW貼圖。不同的模型，指定貼圖的坐標(biāo)類型與方式相同，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)置的過程中，要根據(jù)整個模型及場景的大小來進行具體尺寸的選擇，例如場景中要求非常逼真，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，方便以后運行時能快速加載，不會出現(xiàn)運行時的卡頓現(xiàn)象。

2.4 交互式技術(shù)路線

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

建立好模型后的場景，先進行烘焙，將光影效果帶入虛擬現(xiàn)實平臺中。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平臺下進行處理時首先要賦予場景內(nèi)部模型物理屬性;其次，對模型的自然環(huán)境進行設(shè)定，如太陽。最后我們將進行腳本設(shè)置，賦予模型結(jié)構(gòu)相應(yīng)的功能，如顯示、隱藏、開始動畫、結(jié)構(gòu)詳解、相機轉(zhuǎn)化等。

3 某一鋼結(jié)構(gòu)廠房交互式可視化虛擬施工實現(xiàn)過程

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

首先要進行施工模型的搭建。整個系統(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軟件進行參數(shù)建模，調(diào)用物理規(guī)則進行判定，再次調(diào)用材質(zhì)庫材質(zhì)進行貼圖。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。上述步驟以實現(xiàn)快輸修圖、建模、貼圖的操作。

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

根據(jù)梁板柱的安裝過程，在數(shù)據(jù)庫中調(diào)用正確的施工機械及施工方法，選擇正確的開始安放位置，然后結(jié)合施工要求選擇正確的施工方案，在此設(shè)定動畫相機，給對相機進行路徑編輯，給施工機械編輯運動路徑，結(jié)合實際操作半徑和行進速率，將施工機械運動細節(jié)進行設(shè)定［2］。最后通過相機功能輸出視頻格式的施工過程過程如圖3。

圖3 某一鋼結(jié)構(gòu)廠房交互式可視化虛擬施工實現(xiàn)過程

4 結(jié)語

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

［1］邢林濤，張建平，袁江，等.計算機圖形系統(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，2013，29(04):70-72.

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