基于BIM与VR技术装配式建筑与虚拟仿真技术的设计与实现

1基于BIM与VR技术装配式建筑与虚拟仿真技术的设计与实现王守平陆海燕宁宝宽（沈阳工业大学建筑与土木工程学院邮编110870）【摘要】为构建现代化装配式建筑三维模型和可视化软件系统，本研究利用三维视图设计方法获得装配式建筑及设施的模型参数，根据参数生成BIM模型；利用VR虚拟现实技术，实现包括装配式构件模型、施工模拟、构件查询等场景的现代化建筑工程虚拟现实施工，从而可在互联网平台上再现施工环境与设施装备场景，并为施工生产管理和监测预警物联网系统的设计与实现提供技术支持。【关键词】装配式建筑；Unity3D；BIM；虚拟现实技术近年来，我国装配式建筑越来越普及，产业越来越集中，装配式建筑技术不断提高，对现代化技术的依靠越来越明显。现代化装配式建筑施工普遍提高施工技术和管理水平。其中，物联网技术的应用，可实现对施工现场的的环境监控，使项目实施过程变得更直观；各部门之间能够协调统一，既提高工程效率，又能避免重复劳动，控制成本风险；提高预制装配工程施工品质、推进预制装配工程发展，降低工程成本[1]；减少施工带来的污染问题；物联网的应用为装配式建筑发展带来新的飞跃。物联网建筑施工系统包含施工环境监测、施工过程监控、智能化设施装备和产品质量安全溯源等多个功能平台。本文基于BIM和VR虚拟现实技术，针对装配式建筑的设计、施工及物联网设备，进行虚拟仿真设计与实现的研究探讨。1、BIM和VR虚拟现实发展现况BIM（BuildingInformationModeling）技术是近十年来在传统的CAD技术基础上发展起来的一种建筑信息模型集成技术，涵盖了几何学、空间关系、地理信息系统、各种建筑组件的性质及数量（例如供应商的详细信息）。建筑信息模型可以用来展示整个建筑生命周期，包括了兴建过程及营运过程。可以方便的提取建筑内材料的信息。建筑内各个部分、各个系统都可以呈现出来。项目建设的各相关参与方能够在三维的建筑模型环境中，在建筑全生命周期中协同操作建筑模型信息，从而提高工作效率和质量，减少错误和风险。20世纪90年代我国在虚拟现实技术研究才刚刚起步，该技术在建筑领域上的应用研究比工业、军事、造船、飞机制造等更为滞后。随着社会经济的不断发展，虚拟现实（VirtualReality，VR）技术逐渐地渗透进入人们的生活中，它可有效模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。该技术是人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、网络技术以及高度并行的实时计算技术等系列技术的综合集成。这种模拟改变了传统生硬、枯燥和被动的人机交互模式，增强人的感性和理性认识，具有三种基本特征：临境感、交互性和想象性[2]。2、系统概括建立现代化装配式建筑三维建模与视景仿真系统，对装配式建筑现代化生产进行设计与虚拟展示。系统基于三维可视化、视景仿真、数字动画生成，综合BIM建模、Unity3D处理和虚拟现实技术实现，利用三维视图设计方法获得装配式建筑的模型参数，根据参数生成三维模型，利用虚拟现实技术，实现对装配式建筑施工过程进行虚拟漫游，对施工人员和工程进行管理与监控；创立构件的查询系统和施工流程的展示，实现现代化施工虚拟现实可视化系统，并将这套系统导入云端，供客户购买使用。3、系统关键技术我们由BIM建模软件提供三维模型的创建，通过云端上传到系统。但是光凭借上述的技术还远远无法实现我们的预期，所以在这里将引进Unity3D平台。2Unity3D是由UnityTechnologies开发的三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。Unity类似于DirectorBlendergameengine或TorqueGameBuilder等利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件其编辑器运行在Windows和MacOSX下，可发布游戏至Windows、Mac、IPhone和Android平台也可以利用Unitywebplayer插件发布网页游戏，支持Mac和Windows的网页浏览。它的网页播放器也被Macwidgets所支持。Unity3D支持所有主要文件格式，并能和大部分相关应用程序协同工作，自动瞬时导入，Unity支持大部分3D模型，骨骼和动画直接导入，贴图材质自动转换为U3D格式；着色器系统整合了易用性、灵活性和高性能，低端硬件亦可流畅运行广阔茂盛的植被景观可视化编程界面完成各种开发工作；支持JavaScript、C#、Boo脚本语言，高效脚本编辑，方便开发；简单实用的物理引擎，高质量粒子系统，轻松上手，效果逼真；Unity性能卓越，开发效率出类拔萃，极具性价比优势；支持从单机应用到大型多人联网游戏开发；只需一键即可完成作品的多平台开发和部署。将BIM模型导入Unity平台，通过利用物理引擎、贴图、粒子系统等，对模型进行渲染，增加三维模型真实感与美观性；建立装配式建筑相关的数据库；搭建UI界面，方便用户的操作；根据现实的施工现场和工艺流程制作模拟动画；添加脚本，实现对装配式建筑施工过程的虚拟漫游，对施工人员和工程进行管理与监控；以及查询系统的创建、施工流程的展示；最后，打包发布到云平台，面向客户端开放（BIM、VR技术装配式建筑与虚拟仿真技术实现流程如图1所示。）图1基于BIM、VR技术装配式建筑与虚拟仿真技术实现流程4、系统功能的实现利用先进的虚拟现实和三维互动技术，构建装配式建筑虚拟现实系统，实现对装配式建筑施工过程进行虚拟漫游，对施工人员和工程进行管理与监控；创立构件查询系统和工艺流程展示系统，实现现代化施工虚拟现实可视化系统。建筑模型要求严格根据图纸进行创建，3这项工作将交由设计院或BIM工程师进行，建立BIM数据库，导入完善后的BIM模型，方便模型的调用。4.1虚拟漫游（1）漫游的种类三维虚拟场景中，常见的场景漫游方式分两种：一种属于交互式的漫游方式，这种漫游方式相对比较灵活，给用户更多的可操作性，它完全是通过用户控制鼠标、键盘或其他输入设备，根据用户的意图和想法随意改变视线方向或者旋转视野浏览虚拟场景，但是这种漫游方式也有缺陷，如果当用户处在一个陌生的虚拟环境中进行自由交互漫游操作时，用户会很容易迷失方向，减少了用户的体验兴趣，因此在虚拟系统中还需要实现另外一种场景漫游方式，即自动寻径漫游方式，这种场景漫游方式是用户按照事先设定好的固定路线，在三维虚拟场景中漫游，这样可以让用户更好的浏览建筑场景[3]，在虚拟漫游中需要建立这两种漫游方式。（2）交互式漫游虚拟场景漫游实现本质是通过Unity平台中的虚拟相机实现的，将脚本挂载到摄像机上，通过键盘输入W、S、A、D，分别控制摄像机的前、后、左、右的移动，通过移动鼠标进行视野的旋转。当按下W、S、A、D或旋转鼠标，实现场景的变换，这样就完成了交互式漫游。（3）自动寻路漫游自动寻路漫游是指：用户从初始点位置沿着系统事先设定好的路径到达指定目标的漫游方式。这种漫游方式与自由漫游方式最大的不同就是：以两个指定地点的最短路径最为漫游路线，用户只需要跟踪观察。通过这种方式，用户可以大致了解周围建筑的环境，增强了用户的沉浸式体验，提高了用户与施工环境的互动性和漫游效率。4.2人员管理在Unity3D中的装配式建筑施工场景中建立与参与施工人员职务与人数相匹配的人员模型，并加入信号的接收装置；在参与装配式建筑施工人员的安全帽中配备实时人员位置信号发射装置。当人员进入施工现场佩戴安全帽的同时启动该装置，在另一头的接收装置接收到模拟信号，并将这种信号反应在人员模型的身上，模型将会作出相应的动作。这样做既保证了现场施工人员的监控与管理，同时也保证了施工人员的隐私安全，极大程度的提高了施工的效率。4.3施工管理在装配式建筑施工现场搭建自动扫描施工建筑设备，将扫描到的建筑物以3D模型的形式传输到电脑设备中，并在Unity3D平台中搭建模型，完成现场施工信息实时传回，实现施工现场的监控。这项系统操作不限时间与地点，更加快捷准确地获取施工进展信息，达到轻松管理施工的目的。4.4构件查询（1）搜索查询将BIM模型导入Unity3D后，在相关文件夹中建立与构件相关的详细信息库，如构件名称，构件尺寸，购买时间，生产厂家等。在Unity3D中，创建UI界面，包括InputField（输入框），Text（文本），Button（按钮）等控件。当在输入栏中输入想要查询的构件时，虚拟摄像机会找到所搜索的物体，将物体以合适的放大倍数所呈现出来，并调出数据库中该物体所匹配的信息显示在屏幕上。（2）点击查询在上述准备工作的基础上为场景添加HighlightingSystemV4.1（高亮系统插件），摄像机添加高亮显示所需的代码，移动鼠标找到所要查询的构件，点击鼠标左键，该构件高亮4显示，并调出数据库中该物体所匹配的信息显示在屏幕上。4.5施工流程展示装配式建筑如今被人们越来越提倡和认可，想要了解施工的方法与操作的人群也在不断增多。基于此种情况，在BIM、VR技术装配式建筑与虚拟仿真系统中开发了施工流程的教学展示。首先，为建筑设备与所需构件添加脚本和动作，创建预制体。在Unity3D平台中，创作施工动画，适当的借助一些动画制作软件进行动画的编辑与优化；再将讲解音频导入Unity3D，将动画与音频进行整合编译，即可达到预期效果，完成施工的展示与教学。5、讨论与展望5.1进一步构建基于BIM、VR技术装配式建筑与虚拟仿真系统在己有基础上，集成了装配式建筑三维模型资源库的建立、构件信息资源库的建立及Unity平台的使用，进一步采用了云平台技术。与早期数据资源获得方法（如手工测量、图像重建等）相比，该技术是采用非接触主动测量方式直接获取高精度的三维数据，具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强和全数字特征等优势。通过光照渲染、凹凸贴图、法线贴图和动态场景实时绘制等三维模型优化处理和真实感增强技术，实现装配式建筑施工现场三维模型的真实感处理。将这套系统展现给用户，可让用户在轻松管理施工的同时，得到虚拟现实所带来的沉浸式体验。5.2未来基于BIM、VR技术装配式建筑与虚拟仿真系统演变的规划基于虚拟现实、BIM建模、数字动画生成等技术，进一步研发规模化装配式建筑虚拟现实可视化系统，促进装配式建筑科技的可视化发展。设计出具有真实感的建筑模型、人物动作和动画处理等三维模型相结合的可视化操作系统。应用三维人体运动捕捉、运动分析和动画合成技术，实现装配式建筑操作演练模块，构建施工操作虚拟体验组件，在虚拟系统中实现施工的学习，现场的管理等操作。让使用者既能管理与学习装配式建筑的现场施工，又可以在系统中获得沉浸式体验带来的满足感。参考文献：[1]马跃强，施宝贵，武玉琼.BIM技术在预制装配式建筑施工中的应用研究[J]．上海建设科技，2016，(4)：45－47．[2]陆蓉．物联网猪场三维建模与视景仿真系统的设计与实现[J]．农业网络信息，2016,7：46－50．[3]李俊军．基于Unity3D的室内建筑三维建模与交互系统实现［D］．北京：中国矿业大学，2014．