虛擬現(xiàn)實下建筑施工進程的BIM系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

王斌

摘? 要： 為了解決傳統(tǒng)建筑施工進程中BIM系統(tǒng)存在穩(wěn)定性差，無法針對不同施工階段進行有效控制的問題，提出虛擬現(xiàn)實下建筑施工進程的BIM系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。系統(tǒng)硬件設(shè)計采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)審核建筑施工進程的數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計時，考慮到子系統(tǒng)的連接性，應(yīng)用SD方程反映BIM優(yōu)化方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計虛擬現(xiàn)實可視化虛擬場景用于判斷建筑施工進程潛在質(zhì)量風(fēng)險。軟、硬件結(jié)合，完成基于虛擬現(xiàn)實的建筑施工進程的BIM系統(tǒng)優(yōu)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)穩(wěn)定性更佳。

關(guān)鍵詞： 建筑施工進程; 虛擬現(xiàn)實技術(shù); 系統(tǒng)優(yōu)化; 系統(tǒng)設(shè)計; 虛擬場景設(shè)計; 質(zhì)量風(fēng)險判斷

中圖分類號： TN911.73?34; TM46? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）10?0160?03

Optimization design of BIM system for construction building process in virtual reality

WANG Bin

（Sanjiang University， Nanjing 210012， China）

Abstract： In allusion to the problems that the BIM system of traditional construction building process has poor stability and cannot be controlled effectively for different construction stages， the optimization design of BIM system for the construction building process in the virtual reality is proposed. In the system hardware design， the virtual reality technology is adopted to audit the data of the construction building process. In the system software design， the connectivity of the each subsystem is considered， so the SD equation is used to reflect the system structure of BIM optimization scheme. On this basis， the virtual reality visualization scene is designed to judge the potential quality risk of the construction building process. In combination of the hardware and software， the virtual reality based optimization design of BIM system for construction building process is completed. The experimental results show that the proposed system has better stability.

Keywords： construction building process; virtual reality technology; system optimization; system design; virtual scene design; quality risk judgement

0? 引? 言

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)用一種全新的方式出現(xiàn)在人們的面前。它是通過計算機生成模擬環(huán)境，使用戶可以模擬出現(xiàn)實中的世界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以優(yōu)化BIM方案系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)施工過程動態(tài)模擬的目標(biāo)[1]。傳統(tǒng)建筑施工進程的BIM系統(tǒng)是對業(yè)主前期的策劃進行可行性研究[2]，在將其轉(zhuǎn)換為施工圖，由施工方按照圖施工，這樣的系統(tǒng)模式無法針對不同階段進行有效的溝通和控制，而且無法實現(xiàn)信息共享?；趥鹘y(tǒng)方法存在的問題，提出虛擬現(xiàn)實下建筑施工進程的BIM系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。該系統(tǒng)通過硬件和系統(tǒng)軟件的設(shè)計，通過環(huán)境模擬，拓寬可視化的范圍，實現(xiàn)虛擬施工。

1? BIM系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

1.1? 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在傳統(tǒng)BIM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計虛擬現(xiàn)實下建筑施工進程的BIM系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1） 數(shù)據(jù)可關(guān)聯(lián)：系統(tǒng)的硬件具備3D模型數(shù)據(jù)和設(shè)計數(shù)據(jù)以及施工時間信息等關(guān)聯(lián)整合，它能夠根據(jù)設(shè)計的要求獲取與線路相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，主要包括沿線地質(zhì)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等，BIM附加信息格式必須要符合建筑施工數(shù)據(jù)存儲的標(biāo)準(zhǔn)要求，在初期準(zhǔn)備時，可以保證建模數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)設(shè)計保持一致，以便于設(shè)計師建模[3]。

2） 智能化三維設(shè)計：其功能主要確定支柱布置位置坐標(biāo)和吊弦位置等工作，在施工的過程中需要很多設(shè)備，為了提高設(shè)計效率，在設(shè)計時，要使系統(tǒng)功能具備一定的智能性[4]。

3） 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口：它具有良好的數(shù)據(jù)信息兼容能力等。

4） 參數(shù)設(shè)計約束：將自定義可量化設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)作為BIM 約束條件，主要包括線路條件和氣象條件相關(guān)的集合參數(shù)約束，在應(yīng)用時，要對約束條件進行設(shè)計校驗，對設(shè)計中不符合規(guī)定的部分進行錯誤提示[5]。

5） 動態(tài)化設(shè)計校驗：該功能充分利用了BIM系統(tǒng)中三維模型和附加信息的優(yōu)勢對設(shè)計進行靜態(tài)參數(shù)校驗[6]。

6） 線路模型可測量：該功能除了能夠?qū)Σ灰?guī)則表面進行測量外，還能根據(jù)建筑施工項目的特點進行設(shè)計審核[7]。

7） 權(quán)限管理：具有確定信息權(quán)限、模型權(quán)限管理和數(shù)據(jù)權(quán)限管理的能力，另外，還能針對建筑施工進程進行遠程訪問權(quán)限管理。

8） 符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)輸出：將采用二維圖紙設(shè)計的建筑工程項目轉(zhuǎn)換成三維模型，在將其輸入到BIM系統(tǒng)中經(jīng)過設(shè)計校驗和性能分析，得到合格的圖紙[8]。

為了保證所提系統(tǒng)正常運行，設(shè)計系統(tǒng)配置，見表1。應(yīng)用表1配置的系統(tǒng)能夠流暢地進行圖像渲染和遠程監(jiān)控[9]。

[配置項 配置要求 操作系統(tǒng) 推薦配置：64 bit Microsoft? Windows? 7 with Service Pack 1 or Windows 8.1 or Microsoft Windows 10

CPU型號 推薦配置：Intel? Xeon? E3 or Core i7 or equivalent，

3.0 GHz或更快 內(nèi)存 推薦配置：16 GB RAM或更高 硬盤 推薦配置：250 GB free disk space or more 顯卡 推薦配置：Microsoft? Direct3D 11? or capable

graphics card or higher 其他 顯示器分辨率：1 280 ×1 024或更高 ]

1.2? 軟件功能設(shè)計

傳統(tǒng)BIM系統(tǒng)的子系統(tǒng)連接性差，無法保證模擬結(jié)果的置信度，為此，采用SD方程，確保模擬數(shù)據(jù)的置信度[10]。SD方程為：

[A·KL=F]? ? ?（1）

式中：[A]表示輔助變量名;[K]表示狀態(tài)變量;[L]表示輔助變量;[F]表示常量;[KL]表示一段出現(xiàn)在[K]時刻的單位時間間隔。應(yīng)用式（1）可以清晰地反映BIM優(yōu)化方案系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以此保證模擬結(jié)果的置信度[11]。

虛擬現(xiàn)實下建筑施工進程的BIM優(yōu)化系統(tǒng)軟件是通過數(shù)據(jù)的形式在不同的計算機代碼轉(zhuǎn)化中創(chuàng)建的。因其建模軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口不同，因此，采用Revit系列的分析軟件建立BIM優(yōu)化方案系統(tǒng)的核心[12]。系統(tǒng)軟件操作基本流程如圖2所示。

在完成BIM系統(tǒng)優(yōu)化軟件流程的設(shè)計后，需要模擬建筑施工進程中可能出現(xiàn)的質(zhì)量風(fēng)險。因此，建立虛擬現(xiàn)實可視化模擬場景，用于快速分析建筑施工進程的質(zhì)量問題，以此預(yù)防工程中潛在的質(zhì)量風(fēng)險[13]。虛擬現(xiàn)實可視化整體框架如圖3所示。

在預(yù)防和抵御工程方面，虛擬現(xiàn)實可視化模擬的主要表現(xiàn)[14]：

1） 在對建筑施工進程進行質(zhì)量監(jiān)控時，可以提前模擬施工過程，為施工方提供一個虛擬施工環(huán)境，以此確保建筑施工的質(zhì)量。

2） 在計算機模擬施工環(huán)境時，無法擺脫現(xiàn)實環(huán)境中不利因素的影響，因此，利用參數(shù)化腳本模型對生成的3D 模型進行虛擬場景的交換，在3D模型特定的數(shù)據(jù)下，最大程度地進行極限施工操作，為實際應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)。

3） 虛擬現(xiàn)實可視化模擬利用了結(jié)構(gòu)和力學(xué)的仿真對建筑物進行科學(xué)的虛擬仿真計算，在最少的成本下對施工補救方案進行判斷[15]。

由此，完成基于虛擬現(xiàn)實的建筑施工進程的BIM優(yōu)化方案系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

2? 實驗分析

為驗證虛擬現(xiàn)實下建筑施工進程的BIM優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計的可行性，設(shè)置對比實驗，對比傳統(tǒng)BIM系統(tǒng)與所提系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1? 實驗平臺

為驗證所提系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)置實驗研究平臺，用于對比兩個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具體內(nèi)容見表2。

Analysis軟件 NET框架 NET Framework 4.0 開發(fā)平臺 Microsoft Visual Studio 2010，C# ]

依據(jù)表2開展仿真實驗，驗證基于虛擬現(xiàn)實的建筑施工進程的BIM 優(yōu)化方案系統(tǒng)開發(fā)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時，驗證該系統(tǒng)的設(shè)計是否滿足實際需求。

2.2? 實驗結(jié)果

基于虛擬現(xiàn)實的建筑施工進程的BIM 優(yōu)化方案系統(tǒng)的組件是開放的，在實驗中便于擴展。當(dāng)某個組件需要修改時，可以最大額度地減輕系統(tǒng)開發(fā)的壓力，其應(yīng)用軟件也是一個通用化可擴展的虛擬模擬平臺，能夠復(fù)用，圖4為此次仿真實驗的對比結(jié)果。分析圖4可知，所提系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，可以在本次設(shè)計的實驗平臺完成仿真工作;而采用傳統(tǒng)的BIM系統(tǒng)穩(wěn)定性差，其軟件缺乏可擴展性，無法完成后續(xù)的改進和更新。

3? 結(jié)? 語

針對傳統(tǒng)BIM系統(tǒng)存在的問題，提出虛擬現(xiàn)實下建筑施工進程的BIM 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。在硬件的設(shè)計上考慮到了系統(tǒng)流暢度的問題，并分別推薦了最佳配置，以此確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在軟件的設(shè)計上，為加強子系統(tǒng)的連接性，利用SD方程，保證系統(tǒng)虛擬模擬場景的置信度。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計虛擬現(xiàn)實可視化場景，預(yù)防潛在風(fēng)險。實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)的穩(wěn)定性更佳，更適合推廣使用。

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