面向虚拟施工的BIM模型组织与优化

任琦鹏， 郭红领

(清华大学建设管理系，北京 100084)

面向虚拟施工的BIM模型组织与优化

任琦鹏， 郭红领

(清华大学建设管理系，北京 100084)

建筑信息模型(BIM)技术的拓展应用给建筑业的发展带来了新的动力。虚拟施工(VC)技术作为BIM技术在施工阶段的延伸，能够更好地对施工过程进行模拟与优化，提前检测施工过程中可能存在的问题，从而减少返工、提高施工效率。但是，大量的数据处理工作降低了施工模拟的效率。本研究为了提高VC过程中动态模拟、分析和渲染的效率，通过构建多层次建模规则，首先定义了设计各专业、施工工人和机械在不同阶段相应发展程度(LOD)的 BIM模型，然后结合场景管理的理念对虚拟施工场地进行合理地划分与组织，并在不同规模的场景中调用不同详细程度的BIM模型加以渲染，以实现不同规模场景中施工过程的高效动态模拟与分析。本研究期望，可为虚拟施工的有效实施提供一定参考。

虚拟施工；建筑信息模型；多层次建模规则；模型发展程度；场景管理

信息技术的发展给建筑业注入了新的活力，提高了建筑业的生产效率。特别是建筑信息建模(building informationModeling，BIM)技术的快速发展，受到了行业较高地关注，对BIM在建筑全生命周期中的应用探索也逐渐增多。施工作为建筑生命周期的重要环节，一些研究对虚拟施工(virtual construction，VC)[1]进行了尝试，即如何应用BIM技术、模拟技术进行施工现场规划布置、过程模拟分析与优化，并辅助施工过程管理。

施工现场规划布置直接影响到施工的效率，Zolfagharian和Irizarry[2]认为信息技术的引入有助于施工现场规划地实施。现场布置情况取决于多个变量，如场地现状、交通流、材料摆放等，而每一个项目的布置又都是个性化的，因此合理处理这些变量和约束条件，减少施工现场的冲突，优化施工作业面，有助于提升施工生产效率。这就需要设定相应的规则，建立评判施工现场最优布局的方法，而信息技术则可以支撑这一过程的实施。

在施工过程模拟与管理方面，Huang等[3]提出借助VC技术，可以在施工前对施工可行性、施工安全以及机械设备等进行分析，以便及早发现问题、解决问题。VC不仅可以实现施工过程的数字化、可视化表达，同时还继承了其他维度因素对施工的影响。张建平等[4]通过建立基于工业基础类(industry foundation class，IFC)的模型，将BIM与4维(four-dimensional，4D)技术融合，实现了对施工现场的动态管理和可视化模拟。因此，通过VC思想的实施，可以发现工程施工中可能存在的问题并加以解决，达到节约成本、优化施工方案等目的[5]。

然而，施工模拟中涉及到大量的BIM模型，占用计算机大量的资源，如果进行多维度地处理和计算，对计算机的资源需求量就会更加巨大。这将大幅降低施工模拟效率，影响VC理念的推广与应用。为此，何波[6]提出模型拆分的方法，例如对于大型项目的BIM模型，在处理、分析时根据一定的规则进行适当地拆分，以便进行高效的协同工作和施工模拟分析。同时，由于施工是一个动态的过程，模型在施工过程模拟中会实时地动态渲染，仅将项目进行分区拆分并不能有效缓解模拟中产生的巨大数据量。针对这一问题，现有研究认为可以借鉴层次模型可视性研究中的多层级细节(level of detail，LOD)思想[7]和场景管理思想通过建立多个不同细节深度的模型，在同一场景的不同阶段保证理想的视觉效果下进行加载，从而有效降低场景中模型的复杂程度和绘制深度，避免不必要的计算[8]，提高场景的渲染效率。

在LOD技术的应用方面，Liu和Li[9]提出将不同细节层次的BIM模型与施工计划相结合，在4D/5D(five-dimensional)模拟过程的不同阶段，采用不同细节层次的模型进行模拟展示。Vicosoftware公司基于LOD-BIM模型成本的考虑，对LOD进行了分级定义，为不同深度等级模型的成本核算提出了一个较为理性和准确的核算方式。之后，美国建筑师协会(American Institute of Architects，AIA)提出这一思想可以应用到BIM模型能耗和5D分析中。由于BIM模型不仅包含几何信息，而且还包含非几何特性信息，为了与模型层次细节相区别，2008年，AIA在相关文件中定义了模型发展程度(level of development，LOD)[10]，即随着工程的推进，设计的深度逐渐增加，模型信息量逐渐增大，直观的表现(模型外观的细节层次)逐步加深，且非几何特征信息逐步集成。

在场景管理方面，Sowizral[11]指出场景技术的应用可以简化图形编程，提升三维图形的渲染效率。并且随着场景技术的发展可以在虚拟环境中支持声音和触觉等模式，这对通过计算机模拟现实世界至关重要，未来可用于施工中噪声的检测和安全培训等。Kamtat和Martinez[12]通过场景图来管理施工过程中三维模型的图形数据库，并结合相应算法实现了对施工规划中离散事件的模拟。Rekapalli和Martinez[13]改进了场景图更新算法，使施工模拟的虚拟动画更加流畅，从而更加真实地表达了施工的过程。

尽管将LOD思想集成于BIM模型辅助解决了一些问题，但当前研究仅限于概念性探讨，大多面向于建筑体模型本身，而对于人员、机械、材料等模型的应用和优化综合考虑较少。VC不仅是对建筑工序的模拟，还有人员、机械和材料等模型的模拟和分析。当对施工现场的多个维度进行模拟时，就不得不考虑各个维度模型和数据的组织和优化，同时如何在模拟平台中实现高效地过程模拟也值得探讨和研究。本研究首先将对施工过程中建筑、人员、机械和材料等多维数据、模型进行组织和优化，然后通过模型的组织管理机制实现对施工现场高效地过程模拟。

1 虚拟施工中的数据流分析

VC技术可以在虚拟平台中完成对施工现场全面地模拟和展示。一个智能化的施工过程模拟不仅可以对设定好的数据进行简单地绘制、渲染处理，更重要的是可以对数据处理的结果进行分析，通过VC平台的模拟和分析及早发现施工现场存在的问题，对问题进行有效地反馈和预警，辅助管理人员实现对施工过程中人员、材料、机械等资源的组织利用和优化，有效地提高施工效率、保证工程的安全和质量，节约成本。其间涉及到的大量数据流动如图1所示。

数据是实现施工模拟的基础。一个工程的施工过程涉及众多数据，其中和VC关系密切的有4大类：①各设计专业的模型数据；②其他模型数据：包括机械、人员和材料等；③控制虚拟施工过程的目标计划；④非结构化信息：主要有法律、法规、行业规范等信息。在获取了大量的初级数据之后，需要对输入的数据进行整理。首先需要提取基础模型数据用于构建静态的虚拟施工现场；其次提取基于真实施工状态下的位置数据、运动学和动力学数据，并建立施工现场真实事物与虚拟模型间的映射关系，这是进行模拟、分析和响应的关键数据；再者是通过法律法规、安全规范和工程施工现场规定提取安全规则，为进行安全性分析提供支持；同时根据政府市政要求和工程项目的实际情况提取系统阈值，作为控制项目的约束条件。最后通过统一的转化接口将数据进行标准化，输入到虚拟施工的引擎中。

图1 施工模拟过程中的数据流

有了数据的支撑，虚拟施工引擎就可以全方位、多层次地模拟施工的过程，实现虚拟和现实结合的过程模拟，并据此进行动态分析及响应，实现对施工现场的动态管理。其中，动态分析及响应需要基于大量数据进行实时计算，并对计算的结果进行分析、响应和渲染。这一过程会给计算机和虚拟施工引擎造成巨大的负荷，会占用计算机大量的存储和内存资源，还对中央处理器和图形处理器提出了更高的要求。而工程项目的唯一性，使得每个项目对虚拟施工的引擎和计算机的需求能力也不尽相同，如果对计算机以及引擎的要求太过专业，不利于现场管理人员对VC技术的推广和应用，也就不能很好地发挥VC在施工现场中的重要作用。

因此，通过借鉴虚拟现实领域[14]，游戏业、制造业等领域的解决方法，在VC过程中合理地组织需要处理的数据，适当地优化绘制、渲染量，降低虚拟施工过程对计算机和引擎的负荷，进而高效地展示虚拟过程是很有必要的。本研究通过引入多层次建模及场景管理，为解决这一问题提供了思路。

2 多层次BIM建模规则

模型是VC中重要的数据，也是VC平台数据库中比例最大的一类数据。对模型数据的合理优化和简化有助于减少数据处理量和计算量。针对施工过程在不同阶段和不同状态下需要模拟的内容不同，将模型分为 2大类：①工程各专业和材料的模型；②人员和机械的模型。据此分别进行模型深度等级的定义。

2.1 工程各专业及材料建模规则

基于AIA的文件规范[10]，本研究建立了建筑工程各专业及材料的模型深度等级建模规则，如表1所示。

表1 建筑工程各专业及材料模型深度等级划分

本规则将建筑工程各专业(主要包括建筑、结构、机电、幕墙、装饰等)的模型深度以及材料的模型深度设置为5个级别，从LOD 100到LOD 500。每个等级包含的模型信息内容逐步增多，模型深度逐渐加深。不同深度的模型可根据设置在虚拟施工的不同阶段和不同的施工状态下加以调用，以高效、快速地展现施工现场的真实情况。

2.2 人员及机械建模规则

由于人员和机械比施工现场其他专业的模型更为复杂，模型控制和反馈的信息也更加多样化，所以建立了针对人员及机械的多层次建模规则，如表2所示。

本规则根据人员、机械的动作复杂程度、实现功能的多少将模型划分为 3个深度等级，分别是初级、中级和高级模型，包含的信息逐步增多。为了更好地识别和定义人员、机械的模型深度等级，引入机械系统中的自由度概念，根据人员、机械在虚拟施工中具有确定运动时所必须设定的独立运动参数的数目进行划分[1]。在不同的施工阶段和施工状态，根据人员和机械所要实现的功能的多少调取相应等级的模型。图 2展示了根据机械的层次建模规则建立的不同深度的塔吊模型。

在过程模拟的不同阶段和状态下，调用基于层次建模规则建立的不同深度模型可以有效降低数据的计算量和渲染量，进而提高过程模拟的效率。但是，真实的施工现场，各专业之间的交叉、协同作业较多，同一时段在不同空间区域存在许多施工作业，使得虚拟施工平台在同一时段会加载大量不同专业、不同深度的模型，此时就需要一种组织方式清晰明了地对这些模型进行组织、安排，进而合理地展示VC的过程。为此，本研究引入了场景管理的思想。

表2 人员、机械模型深度等级划分

图2 不同深度等级的机械模型

3 模型的组织优化机制

3.1 场景的组织和管理

为了把虚拟世界的模型进行合理地组织和安排，就需要一个组织管理模型的容器[15]。把现实世界施工所处的场地和环境映射到虚拟世界就会生成一个虚拟世界中事件发展的平台，这个平台就可以看作是一个场景。不同时间、不同空间发生的事件可以在不同的场景中进行。延伸到虚拟施工中，一个工程由众多分部分项工程构成，每个分部分项工程的过程模拟都可以看作是一个在小场景中发生的事件。通过场景的组织就能够有效的对施工现场的所有施工作业进行有组织地模拟，进而实现较为完整的施工过程模拟。与现实中的施工场地相对应，每一个虚拟施工场景都由具体的场景元素构成，如图3所示。

VC场景主要由模型、效果和符号信息构成。模型中包含地形、场地、静态模型和动态模型；效果主要是过程模拟中引擎向外界展示的模型细节和施加于模型的作用效果，通过这些效果，可以更加真实的对现实中的施工场地进行模拟和展示。另一部分就是过程模拟中推送和展示的交互信息。不同的场景由不同深度的模型、效果和信息元素构成。

图3 虚拟施工场景构成元素

为了对整个施工现场进行有组织、高效率地模拟，需要将施工现场对应于虚拟世界中的大场景进行剖分。然后通过层次性机制将剖分后的由模型和数据构成的多个小场景组织起来。场景的剖分基于空间层次聚类，将施工现场的空间按照功能的相关程度进行聚类，划分成多个较小的场景。在不同大小的场景中分别调用相应等级的模型进行模拟，如表3所示。

3.2 场景的生成和应用

根据场景规模的不同，实时匹配相适应深度的模型，实现对场景的组织和优化。由于场景的组织是基于层次结构的树形结构，所以想要控制和显示任何施工现场的细节场景都可以实现快速地检索和调用。当视角处于一个宏观、广阔的范围时，是一个整体性地展示和控制，随着视角范围的缩小，场景通过设定的要求实现转化，模拟过程的细节也可以通过调用微观场景逐步呈现。图4展示了微观场景的生成过程。

在生成微观场景之前，首先对场景的组织和剖分进行合理性判断，并对场景的模型深度进行设置。然后，虚拟施工引擎为微观场景准备资源和空间，并对场景中的施工状态进行判定，如果这一区域处于施工状态，开始进行施工模拟，也就是模型的绘制和与之对应的动态分析及响应。在绘制模型之前，根据模拟深度的设置，动态加载相应等级的模型。对于模拟深度要求高的场景，加载深度等级高的模型，并生成较高深度的微观场景。对于模拟深度要求低的场景，加载深度等级中等的模型，并生成中等深度的微观场景。同理，中观、宏观场景的生成与微观场景类似。中观场景在生成过程中可以调用已绘制好的微观场景，只要对微观场景中深度较高的模型进行部分替换，就可以快速地生成符合要求的中观场景。这样既合理地利用了场景组织的优势，又提高了虚拟施工过程模拟的效率。绘制宏观场景时也是如此。

通过对施工现场的剖分和模型的组织管理，可以使VC辅助施工的整个过程。在不同的施工阶段，应用不同的VC场景，不仅可以解决不同阶段的施工需求，而且可以合理的分配、利用计算机资源，如表4所示。同时，在同一个阶段，通过场景的组织和管理，可以为不同专业、不同工种的施工过程进行专项模拟，进而辅助不同专业、不同工种进行施工。

通过场景的组织，可以对不同阶段、不同视角范围和要求下的施工现场进行模拟。使得 VC的整个过程通过层次结构的场景串联起来，在降低计算机及引擎资源消耗的同时，使施工过程模拟准确、实时地展现出来。基于VC的动态分析、响应以及针对施工不同阶段或者不同专业、工种的模拟效率也可以稳步提高，从而高效地辅助施工。

表3 虚拟施工场景剖分及相应模型的深度等级

图4 微观场景的生成过程

表4 不同规模场景在施工各阶段中的应用

4 结 论

本研究通过构建多层次建模规则和搭建场景的方式优化了施工模拟过程中的数据流。使VC场景中的模型资源能够在合适的阶段被高效、迅速地加以调取，然后进行模拟。针对人员、机械所具有的独立运动参数，引入自由度的概念，对模型的深度加以表征。从而使VC过程中的模型数据有了较为完善的管理规则。这也使得目前BIM模型在建筑全生命周期的不同阶段建立的交付模型得到合理地利用，同时构建的规则对全生命周期中BIM交付模型地建立有一定的指导作用。为了合理地组织模型数据，引入了场景的概念。基于层次结构的场景管理模式可以有效地组织、安排不同类型、不同规模的场景，并且在需要的时候实现不同规模场景间资源的相互调用和更新，为虚拟施工中模型的实时渲染节省了时间和资源。同时，由于场景的更新是一个自下而上的过程，不需要从大场景自上而下遍历。这使得虚拟施工模型的更新和绘制更为高效。有利于虚拟施工过程的动态分析及响应，也使得对施工现场动态管控的处理和反馈更加便捷。

本研究提出的多层次建模规则和场景的结合为虚拟施工的高效运行提供了理论支持，但对虚拟施工中场景管理的实现和具体应用还处于探索阶段，未来可以继续深入研究并逐步实现。

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Configuration and Optimization of BIMModels for Virtual Construction

Ren Qipeng, Guo Hongling
(Department of ConstructionManagement, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

With the rapid development of building informationModeling (BIM), it is being regarded as a promising technology to improve the productivity of the construction industry. As an extensive application of BIM, virtual construction (VC) technology can be used toSimulate and optimize construction processes in an effective way, and identify the potential problems during construction in advance, thus reducing construction reworks and improving construction efficiency. However, large amounts of data is involved in construction processSimulation and this often has aSerious influence on the efficiency ofSimulation. This research aims to improve the efficiency of dynamicSimulation, analysis and rendering of construction processes by using two concepts, i.e. level of development (LOD) andSceneManagement. TheMulti-levelModeling rules are first established, different LOD BIMModels for building components, workers andMachines defined, then different levels of constructionSites classified based on the hierarchicalStructure ofSceneManagement, and finally the approaches to integrating appropriate level BIMModels into differentStages and constructionScenes of construction projects presented. Through the implementation of the proposed approach, relevant BIMModels can be rapidly rendered and therefore the efficiency ofSimulation and analysis of construction processes improved. It is expected that this research would benefit the efficient implementation of virtual construction.

virtual construction; building informationModeling;Multi-levelModeling rules; level of development;SceneManagement

TU 721

A

2095-302X(2015)02-0289-09

2014-11-12；定稿日期：2015-01-06

国家自然科学基金资助项目(51208282)；清华大学(土水学院)—广联达BIM 联合研究中心资助与支持项目

任琦鹏(1989–)，男，内蒙古乌兰察布人，硕士研究生。主要研究方向为BIM、虚拟施工技术。E-mail：rqp13@mails.tsinghua.edu.cn

郭红领(1978–)，男，河南商丘人，副教授，博士。主要研究方向为建筑信息模型、虚拟施工技术、建设信息技术等。E-mail：hlguo@tsinghua.edu.cn