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基于虚拟现实技术的智构3D管理系统

引言

建筑工业化在全球建筑业发展的潮流，建筑工业化的BIM及相关信息化技术是重要基础，通过建筑工业化的BIM可以提高设计效率，在生产、运输和安装阶段的BIM应用，随着各企业和组织对此认识增长，将设计阶段的BIM工作延伸到下游，为建筑工业化的BIM应用产生显著的商业利润和管理成本的优势。预制混凝土PC构件作为建筑工业化的主要组成部分，对预制混凝土PC构件的全寿命周期内的信息管理与BIM结合提出新的要求。

本文介绍一种在建筑工业化BIM的框架下,基于虚拟现实技术，利用物联网技术和移动互联技术，对预制混凝土PC构件的信息进行三维可视化管理的方法，并在上海某项目中实施的简介。

1、建筑工业化的信息化技术 BIM

在建筑工业化中，基于信息化、机械化和软件技术的工艺和工具都具有很重要的位置，特别是建筑信息模型（简称 BIM）在建筑行业的得到广泛的应用，BIM以三维数字技术，将集成的建筑工程项目各阶段的相关信息通过三维可视化的方法体现，提高管理人员信息管理的效率。目前能够支持建筑工业化应用的BIM软件，主要有AutoCAD Architecture、Revit、TEKLA、ALLPLAN，它们都具有与其他软件的信息交换的数据格式，方便将BIM数据的传播。在建筑工业化的实施过程中，在项目会涉及各种产品和专业的工艺时，存在大量的信息数据，通过BIM的方法，对设计、生产、运输、安装和运维阶段进行信息数据共享，在建筑工业化领域具有广泛的应用价值。

2、预制混凝土 PC 构件的虚拟现实技术

虚拟现实技术是一门崭新的综合性信息技术。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，其根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了广泛的应用。

在土木工程中，长期以来人们不得不用抽象的概念表示非常丰富的内容，虚拟现实技术可以在其中得到广泛应用。在虚拟现实技术在仿真建模中的应用、建筑CAD中的虚拟现实技术、建筑结构设计与施工过程的可视化计算、建筑设计与施工的先期技术成果演示和验证技术等方面都在实践中。

目前在实际工程项目中，基于虚拟现实的方法是指利用虚拟现实技术，在虚拟的环境中，建立周围场景、结构构件等的三维CAD模型(虚拟模型)，形成基于计算机的具有一定功能的仿真系统，让系统中的模型具有动态性能，并对系统中的模型进行虚拟显示，在人机交互的可视化环境中对工程进行管理。主要在针对设计阶段和一部分施工过程模拟阶段的使用，在工程项目管理中实际使用虚拟现实的技术的方法还很少见。

3、一种基于虚拟现实的3D管理系统

智构系统3D管理系统（简称 3D 系统）是基于虚拟现实技术整合BIM数据，将设计、生产、运输、安装和运维各阶段的信息，在以建筑目标的BIM为基准，协同各阶段的项目管理工作的平台。

图 3.1 预制外墙挂板构件实景图

通过3D系统在上海某工程中对外墙挂板的信息管理工作，对3D系统的方法做相应介绍，图3.1是工程完成后的实景图，外立面采用预制外墙挂板。

3D系统利用设计阶段所使用的BIM软件，具有与其他软件的信息交换的数据格式，通过3D系统BIM数据转换步骤，将设计阶段的BIM数据整合在3D系统中，图3.2表示整合后的预制外墙挂板构件BIM数据的虚拟现实图，与工程完成后的实景照片中显示构件的信息是一致的。

图 3.2 预制外墙挂板构件BIM数据的3D虚拟现实

3D 系统虚拟现实就是最终建筑完成的信息内容的三维模型显示，作为信息管理各阶段工作的入口和构件信息展示的窗口，是一个三维显示和三维交互的界面。与虚拟现实的三维的交互是通过手势和按钮键操作，对三维模型进行各种角度和方向进行观察，图3.3表示在三维模型在不同视角下的三维模型的虚拟现实。

图 3.3 三维模型不同角度下的虚拟现实

对预制混凝土PC构件的信息管理就通过上述虚拟现实的方法进行，在管理人员通过用户名和密码进入3D系统后，图3.2和图3.3显示的虚拟现实界面就是用户的三维交互的窗口，在工程项目实施过程中的预制混凝土PC构件的状态及其所属的信息阶段，采用不同颜色标识，颜色表示的信息阶段如下：

1) 状态红色：表示构件处于未安排生产计划阶段；

2) 状态橙色：表示构件处于已安排生产计划阶段；

3) 状态黄色：表示构件处于生产过程阶段；

4) 状态绿色：表示构件处于在工厂仓库堆场阶段；

5) 状态青色：表示构件处于物流阶段；

6) 状态蓝色：表示构件处于在现场堆场阶段；

7) 状态紫色：表示构件处于施工安装完成阶段。

管理人员通过观察虚拟现实中的预制混凝土PC构件的不同颜色，快速掌握整个工程的预制构件相关信息，当需要详细了解特定预制构件的信息时，对虚拟现实中的预制构件用手指点击，虚拟现实的三维窗口会弹出信息框，在信息框内详细表述其指定构件的信息的状态，见图3.4。

图 3.4 虚拟现实中弹出特定预制构件的信息框

当预制混凝土PC构件处在工厂仓库、物流中和现场堆场时的PC构件，在信息框内增加一项GIS地理信息，简要显示预制构件所处的位置信息，见图3.5。对于工程中的预制混凝土PC构件数据管理和信息汇总可在信息框内中表示，见图 3.6。

图 3.5 PC 构件的位置信息

图 3.6 PC 构件的信息汇总

3D系统的虚拟显示和智构生产管理系统（图3.7）相辅相成，两个系统对于工程的数据库是一致的，在任一系统中的管理的信息在两个系统中都得到实时体现，都基于“智构云”平台管理数据库。通过智构生产管理系统将由生产、安装人员将预制混凝土PC构件的数据进行录入，3D系统进行虚拟现实，快速掌握信息。

在项目信息管理工作中，管理人员在某一阶段通过对于操作人员可以通过智构扫描识别器扫描预埋在预制混凝土PC构件内的唯一性识别芯片后（图3.8），在手机上显示相应预制混凝土PC构件相应信息（图3.10），包含图纸文件（图 3.11）和各阶段验收文件。管理人员只需对当前阶段进行确认后，就完成信息的管理工作，可以上传其管理工作的照片。同时对所有预制混凝土PC构件进行搜索（图 3.9），对其在深化设计、生产、物流、安装和竣工等各阶段信息资料进行的实时查询（图 3.12）。