基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程的高精度控制

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺州 318000)

基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程的高精度控制

張俊強

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江臺州318000)

為了確保建筑裝配過程能實現(xiàn)開發(fā)商定義的工業(yè)化標準，需要進行建筑裝配過程高精度控制。使用當(dāng)前方法在建筑裝配的過程中對建筑裝配成本、質(zhì)量的控制效果達不到開發(fā)商的要求;為此，提出一種基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程高精度控制方法;首先采用BIM技術(shù)通過計算機虛擬建筑裝配場地布置，建立BIM建筑裝配模型，并在BIM建筑裝配模型中輸入建筑配件以及施工項目相關(guān)的所有信息，其次，在BIM建筑裝配模型的各個施工構(gòu)件上加上時間參數(shù)和成本計劃，構(gòu)成5D BIM建筑裝配模型，對優(yōu)化完成的5D BIM建筑裝配模型進行虛擬建造，調(diào)整進度和成本計劃，進而將BIM和智能視覺技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)整個建筑裝配過程的三維可視化指導(dǎo)操作;實驗結(jié)果表明，所提方法能夠有效提高施工效率，且建筑裝配成本控制精度較高。

智能視覺；BIM；建筑裝配；高精度控制

0 引言

近年來，可持續(xù)發(fā)展觀念不斷地深入，環(huán)境、資源等問題也隨之成為社會關(guān)注的重點。從減少資源浪費、保護環(huán)境方面考慮，裝配式建筑為建筑工程的首選方案。近年來，很多學(xué)者對如何控制成本的前提下提高建筑質(zhì)量進行研究。然而,現(xiàn)在使用的方法難以達到低成本高質(zhì)量的要求[1]。為此，為了有效實現(xiàn)對建筑裝配成本及質(zhì)量的高精度控制，提出一種基于智能視覺技術(shù)與BIM1(building information modeling，BIM)的建筑裝配過程高精度控制方法。智能視覺監(jiān)控檢測技術(shù)在建筑裝配過程中主要進行建筑裝配圖像采集，形成圖像序列，選取該圖像序列中的任意兩幀圖像或兩幀以上圖像，與預(yù)存圖片進行比對[2]。因建筑裝配圖像序列中的相鄰圖像之間的相隔時間較短。所以整個動態(tài)建筑裝配過程表現(xiàn)的較為精確，由此推斷出建筑裝配過程中目標圖像是否偏離區(qū)域值，沒有偏離則說明建筑符合建筑裝配質(zhì)量要求。并同時建立建筑裝配的BIM虛擬模型，該模型能夠描述建筑裝配過程的全部建筑信息，如建筑裝配的成本、以及建筑裝配時間等信息[3]。通過利用計算機技術(shù)對BIM模型進行解析，解析結(jié)果可以顯示出建筑裝配過程中出現(xiàn)的問題，可及時解決建筑裝配中出現(xiàn)的問題，并對BIM虛擬模型進行優(yōu)化，在計算機上對優(yōu)化后的BIM虛擬模型進行虛擬構(gòu)建，實現(xiàn)建筑裝配過程的高精度控制，是解決上述問題的基本途徑，受到了眾多相關(guān)專家與學(xué)者的高度重視，由于建筑裝配過程高精度控制方法具有深遠的發(fā)展意義，目前受到了業(yè)內(nèi)人士研究的熱點課題，同時也獲得了許多好的研究成果[4]。

現(xiàn)有的建筑裝配高精度控制方法有：文獻[5]提出一種基于DEMATEL(決策實驗和評價實驗方法)的建筑裝配過程高精度控制方法，該方法在計算機上使用MATLAB軟件對建筑裝配過程中所有信息數(shù)據(jù)進行計算，尋找出影響建筑裝配成本的主要因素。并對該因素進行具體分析，以自身對建筑裝配的經(jīng)驗，提出具體的方法對建筑裝配成本進行調(diào)整，達到對建筑裝配成本進行控制。在此基礎(chǔ)上對建筑裝配過程進行分析，確保提出方法的可行性。該方法為建筑裝配施工提供了一定的參考價值，但對決策者做出準確判斷沒有太大的幫助[6]。文獻[6]提出一種基于RFID(射頻識別)的建筑裝配過程高精度控制的方法，該方法使用安裝建筑裝配的機械，將建筑裝配組件安裝在一起，使建筑裝配過程更加符合要求。使用該方法進行建筑裝配可以節(jié)約材料、減少人工費用，同時還能夠有效減少建筑垃圾、揚塵。該方法能夠有效減少建筑裝配的成本，但對實際建筑裝配過程中出現(xiàn)的問題不能夠及時解決。文獻[7]提出一種基于GIS系統(tǒng)與三維可視化的建筑裝配過程高精度控制方法。該方法從宏觀微觀控制整個建筑裝配過程，使用GIS系統(tǒng)對建筑裝配過程進行微觀處理，使建筑達到開發(fā)商的要求，同時使用三維可視化模型對整體建筑進行建模，可以提前了解建筑裝配后的整體效果[8]。該技術(shù)在規(guī)劃與管理方面起到很大的作用，但在控制建筑裝配成本方面沒有明顯的效果[9-10]。

針對上述問題，提出一種基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程高精度控制方法。實驗仿真證明，所提方法能夠有效提高施工效率，且建筑裝配成本控制精度較高。

1 基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程高精度控制方法

1.1 基于BIM技術(shù)的建筑裝配過程成本控制

在建筑裝配過程中采用BIM技術(shù)可以控制5D動態(tài)成本、建筑裝配過程可視化交底以及建筑裝配場地的管理。

1) 采用BIM技術(shù)對建筑裝配過程的施工場地管理方法，使用計算機技術(shù)在計算機上建立BIM虛擬模型，并對建筑裝配過程進行模擬，提前了解整個建筑裝配施工面積以及建筑材料的按放位置以及建筑裝配使用材料的數(shù)量，以免施工材料的二次搬放和施工材料的浪費，因此使整個建筑裝配工程的準備工作有條不紊的進行，減少10%的人力與24%的物力；

2)基于BIM技術(shù)對建筑裝配過程的5D動態(tài)成本控制方法。5D動態(tài)成本控制即5D建筑裝配信息模型，是以3D建筑裝配模型為基礎(chǔ)，在3D建筑裝配模型上加上建筑裝配工程時間、建筑裝配工程的成本。 在計算機上構(gòu)建5D建筑裝配模型后可以及時了解建筑裝配工程的進度、建筑材料的使用情況以及投入的成本資金合理與否等問題，并及時解決建筑裝配過程中發(fā)現(xiàn)的問題，形成完美的5D建筑裝配模型。如圖1所示。

圖1 BIM模型5D建筑裝配模型動態(tài)圖

建立完美的5D建筑裝配模型后可進行下一步操作，建立BIM虛擬模型，并在BIM虛擬模型上輸入完整的建筑裝配信息，其中包括建筑裝配的規(guī)格、型號、開發(fā)商、供應(yīng)商以及5D建筑裝配模型中所有的建筑裝配信息。利用計算機技術(shù)建立建筑裝配的BIM虛擬模型，并在計算機上進行虛擬化建筑裝配過程，用來檢測建筑裝配的成本、建筑裝配工程時間等各種建筑裝配過程中可能出現(xiàn)的問題，并及時解決虛擬化建筑裝配出現(xiàn)的問題，同時對BIM虛擬模型進行優(yōu)化，對優(yōu)化后的BIM虛擬模型再次進行虛擬化建造，如果沒有發(fā)現(xiàn)其它建筑裝配問題，就可以在建筑工地進行建筑裝配工程的施工。BIM虛擬模型具有所有建筑裝備信息，當(dāng)建筑裝配的過程中有所變更時，代入BIM虛擬模型進行信息關(guān)聯(lián)，可同時反映出調(diào)整后對應(yīng)的建筑裝配成本、建筑工程時間等建筑裝配相關(guān)信息；

3)可視化交底是指使用建立BIM虛擬模型時對各個建筑裝配工程細節(jié)進行三維圖像展示，可視化交底可減少因決策者、設(shè)計者以及施工者等建筑裝配過程中涉及的相關(guān)人員的主觀意識造成錯誤的理解。同時使建筑裝配過程中所有信息數(shù)據(jù)更加直觀，更加容易理解。如圖2所示。

圖2 可視化交底操作流程

建筑裝配使一個系統(tǒng)化得建筑工程，需要各個行業(yè)之間的相互配合，形成一體化發(fā)展。BIM技術(shù)是建筑行業(yè)較為重要的技術(shù)，BIM技術(shù)有建筑裝配全過程的建筑裝配信息、系統(tǒng)集成。BIM技術(shù)將信息一體化，并與多方信息化應(yīng)用系統(tǒng)進行連接，實現(xiàn)建筑裝配全過程信息共享、協(xié)同工作。隨著社會的發(fā)展，信息化與工業(yè)化將進一步地相融合，BIM技術(shù)推動建筑裝配一體化的發(fā)展。

1.2 智能視覺對建筑裝配過程高精度控制

基于智能視覺監(jiān)控檢測技術(shù)對建筑裝配過程高精度控制，智能視覺監(jiān)控檢測技術(shù)是對建筑裝配過程中安裝行為進行分析。在使用智能視覺監(jiān)控技術(shù)時希望該技術(shù)可以不受光線、天氣等其它外界因素的影響，為此分別利用背景減法、相鄰幀差法和光流法對智能視覺監(jiān)控檢測技術(shù)進行優(yōu)化。背景減法主要對建筑裝配過程中負責(zé)建筑裝配的建筑工人的運動行為進行檢測，由建筑工人的行為推斷建筑裝配是否符合要求。背景減法將實時采集到的建筑裝配過程中建筑工人運動的圖像與先前儲存的標準圖像進行相減，如公式(1)、(2)所示：

B0(x,y)=I0(x,y)

(1)

Bt(x,y)=Bt-1(x,y)+sgn(It(x,y)-Bt-1(x,y))

(2)

其中：B0為初始化建筑裝配工程背景圖像,這里選擇不包含在建的建筑裝配工程的背景圖像I0。Bt為當(dāng)前建筑裝配工程背景圖像，It為當(dāng)前建筑裝配工程圖像，sgn()為微積分數(shù)學(xué)中的符號函數(shù)。將公式(1)、(2)的結(jié)果在一定的取值范圍內(nèi)進行圖像的二值化，如公式(3)、(4)所示：

(3)

(4)

其中：T為取值范圍，Bt-1為前一刻建筑裝配工程背景圖，if()為一種判斷函數(shù)，I為預(yù)存建筑裝配工程背景圖。判斷建筑裝配過程中負責(zé)裝配的建筑工人的運動圖像是否偏離區(qū)取值范圍，若沒有偏離則說明該建筑的質(zhì)量符合建筑裝配工程的要求。反之建筑質(zhì)量則不符合要求。同時還可以知道建筑裝配工程當(dāng)時的建筑信息。背景減法對建筑裝配過程中運動的建筑工人進行檢測與信息提取，并實時更新圖像與信息。背景減法對建筑裝配過程中的多種變化都可以適應(yīng)，尤其在光線變化時可以進行自主的調(diào)整，以減輕光線帶來的影響。

相鄰幀差法在建筑裝配過程中對運動的建筑工人進行圖像序列的采集，取兩幀或兩幀以上的圖像，進行檢測和提取。圖像序列中相鄰圖像之間的時間間隔較短，所以圖像間的動態(tài)變化不是很明顯，該方法的適應(yīng)性強，但提取相關(guān)特征不是很完全，有空洞現(xiàn)象的發(fā)生。因此使用累積圖像差分法進行空洞現(xiàn)象的處理。累積圖像差分法對歷史積累的建筑裝配信息圖像進行一階和二階差分分析。在復(fù)雜的情況下,也可以有效的判斷建筑裝配過程中負責(zé)裝配的建筑工人的運動狀態(tài)。相鄰幀差法常在建筑裝配工程背景圖不運動的情況下使用。當(dāng)建筑裝配工程背景發(fā)生運動時需提前對由攝像機引起的背景移動進行補償。流光法是對建筑裝配過程中現(xiàn)實運動目標圖像序列檢測的方法。流光法顯示了建筑裝配過程中負責(zé)裝配的建筑工人運動的像素點、建筑工人運動速度的行為信息。通過計算建筑裝配過程中建筑工人運動圖像序列得到裝配材料運動的特點，并對其檢測。建筑裝配工程圖像序列中相鄰圖像之間的時間間隔很小，小到可以忽略不計的情況。在其他條件不變的前提下進行計算。如公式(5)所示：

(5)

其中：u、v是兩個速度分量；?為一個常量；E為建筑裝配過程圖像序列，t為建筑裝配過程圖像間隔時間。

在僅有的方程中無法計算出兩個未知數(shù)，以此借用其他因數(shù)的區(qū)域值進行求解。使用流光法時經(jīng)常用到流光場，流光場是建筑裝配物體同時運動引起的，光流場具有連續(xù)性、平滑性，但流光場具有一定的約束，全局平滑約束就是流光場的特定約束。全局平滑約束是指在一定的區(qū)間里，以加權(quán)最小二乘技術(shù)計算建筑裝配像素點的相近像素。將計算出的結(jié)果與預(yù)留像素點進行對比，對比后你可以直觀看出在建筑裝配過程中是否有不合理的裝配過程。

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，智能視覺技術(shù)與BIM技術(shù)已廣泛的應(yīng)用到建筑裝配的過程中，在兩大技術(shù)協(xié)同合作的條件下，不僅做到減少了資源浪費、環(huán)境保護，而且建造出低成本高質(zhì)量的理想建筑。

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證智能視覺和BIM對建筑裝配成本及質(zhì)量的高精度控制效果，需要進行仿真實驗，仿真實驗將驗建立在Matlab編程進行建模實驗。該實驗采用SketchUp Make軟件對建筑裝配工程進行BIM虛擬建模，在BIM虛擬模型中輸入梁、柱、板、門窗等建筑裝配信息。BIM虛擬建筑裝配模型，可以同時進行多個設(shè)計，包括協(xié)同設(shè)計、并行設(shè)計、異地設(shè)計。根據(jù)祥瑞小區(qū)建筑裝配工程計劃書，進行建筑裝配工程的數(shù)據(jù)分析，同時預(yù)估該建筑裝配過程需要消耗的材料費用人工費、機械設(shè)備費用。為了測試結(jié)果準確率，將同時施工5個不同的建筑裝配工程。

在進行高精度控制實驗過程中，首先設(shè)計BIM建筑裝配模型，考慮所有對建筑裝配模型控制效果有影響的因素，如設(shè)計、受力分析、可制造性、可裝配性，減少反復(fù)、形成高效、優(yōu)質(zhì)的建筑模型。通過對建筑裝配工質(zhì)量、效率、成本控制的多目標貼近度數(shù)學(xué)關(guān)系圖，得到建筑裝配建設(shè)中的質(zhì)量水平、效率水平、單位成本的關(guān)聯(lián)結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 建筑裝配中成本貼近度與效率貼近度間的關(guān)系圖

圖4 質(zhì)量貼近度與效率貼近度間的關(guān)系圖

從圖3、圖4可以看出，本文使用智能視覺監(jiān)控檢測技術(shù)，在建筑裝配過程中質(zhì)量水平、效率水平、單位成本都得到了高精度的控制。通過BIM虛擬模型對建筑裝配工程成本預(yù)算增長指數(shù)時間序列分析，有效控制建筑裝配過程中的建筑成本和工程質(zhì)量，使得開發(fā)商在相應(yīng)的建筑成本下建造出高質(zhì)量建筑。最后，利用本文算法和傳統(tǒng)算法進行建筑裝配工程成本預(yù)測和成本控制，所得到的預(yù)算精度如圖5所示。

圖5 成本控制模型性能對比

從圖5可知，使用智能視覺和BIM對建筑裝配的成本預(yù)算及質(zhì)量的控制到達了高精度的控制成果，BIM虛擬模型的預(yù)算精準，大幅度降低成本，提高了建筑效率，節(jié)約32%的成本，提高10%的效率，而智能視覺監(jiān)控檢測技術(shù)提高了建筑裝配的質(zhì)量，與相同成本的建筑進行對比，質(zhì)量提高了12%。

3 結(jié)論

針對當(dāng)前方法在建筑裝配的過程中無法顯示成本、質(zhì)量的信息，決策者無法做出準確的判斷問題。提出一種基于智能視覺和BIM的建筑裝配過程高精度控制方法，仿真實驗結(jié)果表明，所提方法能夠有效提高施工效率，且建筑裝配成本控制精度較高。

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HighPrecisionControlofBuildingAssemblyProcessBasedonIntelligentVisionandBIM

Zhang Junqiang

(Taizhou Vocational &Technical College,Taizhou 318000,China)

In the construction engineering and intelligent visual assembly BIM has been widely used in the assembly process, building BIM for high precision control of assembly cost of construction, in the construction of the assembly process is intelligent vision in order to achieve the high-precision control of the construction process. The assembly quality of the current method is used in the construction of the assembly and assembly cost control of construction. The quality is not up to the requirements of developers. Therefore, a kind of architectural vision and BIM assembly process intelligent control method based on high precision. Firstly using BIM technology through the computer virtual assembly building site layout, building BIM building assembly model, and in the BIM assembly building mode All the information input, construction fittings and construction projects related to the type in the second, plus time parameters and cost plan in each construction member BIM building on the assembly model, assembly model construction 5D BIM, virtual construction optimization of the completion of the 5D BIM building assembly model, adjust the schedule and cost, and then BIM and intelligent the combination of visual technology, 3D visualization instruction operation to achieve the whole building assembly process. The experimental results show that the proposed method of building assembly cost, quality control of high precision.

intelligent vision; BIM; building assembly; high precision control

2017-03-21；

2017-04-07。

臺州市科技計劃項目(2017)；浙江省建設(shè)科研項目(2014Z156)。

張俊強(1977-)，男，河南洛陽人，碩士研究生，講師，主要從事土木工程技術(shù)、工程管理、工程經(jīng)濟方向的研究。

1671-4598(2017)10-0066-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.018

TU17

A