可视化技术在标准施工工艺中的应用

潘福营，胡紫航

（1.国网新源控股有限公司基建部，北京市 100761；2.山东文登抽水蓄能有限公司，山东省威海市 264419）

0 引言

2011年，国网新源控股有限公司发布了72项标准施工工艺示范手册（以下简称示范手册）。通过施工工艺劳动竞赛、监督检查等措施，推动标准施工工艺全面应用，在示范手册指导下，基建施工工艺水平和工程质量有较大提升。但原示范手册主要以图文形式进行展示，缺乏生动性和直观性，对于缺乏工程经验的技术管理人员，学习掌握建设施工要点需大量时间和精力，原示范手册为书籍，不方便随时携带和应用。

建立一套面向基建现场的可视化施工工艺，采用直观生动、三维可视化的形式表达标准施工工艺，让缺乏工程经验的技术管理人员对工程实施方案、工艺作业流程、质量控制标准一目了然、快速理解掌握、便于携带和随时应用，既是工程建设现场管理的需要，也是技能人员培育需求，对进一步提升工程建设质量管控水平具有重要意义。

可视化技术应用于标准施工工艺制作的每项成果中均有施工过程照片、施工过程录像、三维动画展示，清晰展示质量控制要点，高度真实模拟出整个标准施工过程[1,2]。照片、录像、动画展示能根据演示需要和技术人员需求互相交替，实现可视化标准工艺与技术管理人员的交互，让培训人员学习后能快速掌握每项施工工艺、施工方法和全过程安全质量控制重点。特别是可以在手机上安装App，随时查阅。

1 可视化系统开发

1.1 三维模型建模

依据标准施工工艺现场施工场景，采用AutoCAD、3DMax等建模工具直接建立三维场景模型[2]，模型建立完成后进行贴图处理及效果处理，利用相关插件将模型导出为Unity3D能够识别的fbx实体模型文件，实现标准施工工艺三维可视化。

1.2 模型贴图

所有的施工场景及施工机具物体表面都具有自身材质、纹理和颜色。这些属性在标准施工工艺可视化系统中是十分重要的。为保证施工场景及施工流程真实度，需要对系统中模型材质采用贴图法处理，否则各类场景及机具模型无光彩、变得难于区分。

利用贴图增加标准施工工艺及施工场景中模型质感，完善造型，使创建的标准工艺可视化三维场景更接近现实，增添系统真实性和沉浸感。利用贴图节约系统资源，提升整个标准施工工艺可视化系统的运行速度。本系统中采用的主要方法是3DMAX中的位图和UVW贴图[3]。

1.3 碰撞检测

标准工艺可视化系统中，存在作业人员、机械运动、材料及机具摆放、工序衔接作业面移动等[4]，作业人员和机械在遇到障碍物时要像在现实中一样，无法穿越。所以在系统研发时，需要设计碰撞检测，否则会出现移动的模型在遇到障碍时随意穿行现象，存在失真。因此在标准工艺可视化系统中对人及墙壁添加了碰撞器组件。比如，给作业人员添加Capsule Collider，岩壁等固定场景部位可以添加Box Collider，设置系统计算的碰撞器碰撞范围即可实现碰撞检测。

1.4 遮挡剔除

标准施工工艺可视化属于虚拟现实项目，施工场景大且施工作业范围内各类物体较多，无法进行整个场景渲染。采用Unity内置遮挡剔除功能使其仅对可视化场景中第一视角视野范围内物体渲染，降低系统渲染负荷，提高系统运行效率，使标准工艺可视化系统运行更加流畅，使用者在采用系统翻看标准施工工艺流程时，可以很方便快捷的看到标准施工艺施工的连续性，减少卡顿现象的产生，使用和操作更加舒适性、便捷。

1.5 特效制作

抽水蓄能施工过程中，存在爆破作业、焊接切割、地下洞室通风散烟等场景，为使标准施工工艺场景效果更真实，使用粒子系统在Unity中制作爆炸、焊接等特效[5]。

1.6 UI制作

标准施工工艺可视化系统为保证使用者可以同时打开多个窗口，设计过程中，为保证使用者打开的窗口可以实现任意切换、拖拽、移动、开合等功能，使用UI设计，从标准施工工艺系统使用中能体现软件用途和特点，操作起来简单舒适。在本次应用中，利用NGUI插件制作菜单栏、按钮等界面。同时使各窗口具有屏幕自适应作用，适应不同分辨率屏幕。

2 可视化施工工艺应用

2.1 施工工艺场景漫游

抽水蓄能参建各方技术人员可通过Unity3D虚拟现实工具构建的标准施工工艺三维可视化系统[6]，通过电脑评估从任意角度、采用放大或缩小按钮，查看标准施工工艺场景、外观及工艺流程。该系统利用动画模型模拟施工工艺过程，通过鼠标点击播放、暂停、重播等观看标准施工工艺三维模拟动画过程演示，从而直观的熟悉并掌握标准施工工艺。

使用时，选择某个标准施工工艺，点击相应施工场景浏览。进入场景时，提供一段自动漫游动画进行主要场景浏览，完成后自动停在施工工艺区域。在标准施工工艺场景中，通过键盘、鼠标操作，实现全方位浏览[7]。场景漫游功能键分为6个方向自由度，系统能在6个方向自由变化。该可视化技术采用固化浏览快捷键方式来控制场景漫游，提供多种漫游和操作方式，使用者可选择适合的操作方式。

在系统中提供了人性化的人机交互形式，提供鸟瞰和第一视角漫游，使用者采用鼠标和键盘操作进行鸟瞰，并根据漫游视角，自动适配运行速度，采用对话框方式告知操作者鼠标和键盘操控方法，如图1所示。

图1 施工工艺场景虚拟漫游Figure 1 Virtual tour of construction process scene

2.2 施工工艺要求查询

在该系统中通过两种方式实现对施工工艺要求的查询，一是使用者采用人机交互方式，通过目录树点击某工艺进入相应工序场景，选择具体工序相应的“工艺要求”菜单，打开工艺要求文档说明窗口，如图2所示；二是在三维仿真场景中直接采用鼠标点击触发，快速导航到对应工艺要求内容，如图3所示。

2.3 施工工艺现场视频浏览

在系统的可视化界面中补充了采用三维仿真难以表现的复杂工序，针对现场关键工序步骤重点拍摄，将拍摄的真实的施工工艺视频单模块插入进行工艺展示，与实际高度融合。现场视频浏览如图4所示。

2.4 施工工艺标准规范查询

建设项目所有施工必须依据相应的图纸及规程规范，本系统增加了施工工艺技术要求中引用的规程规范及其标准，通过后台系统管理模块添加了标准库目录树。通过使用者自行点击选择标准库，下拉菜单可以在系统管理模块自定义添加行政法规、国家标准、部门标准、行业及企业标准等；用户可点击选择相应标准进行查询浏览。效果示例如图5所示。

2.5 与基建智能管控平台集成

本系统采用信息化及仿真技术实现抽水蓄能标准施工工艺流程可视化，并与国网新源基建智能管控平台的质量验评系统、标准管理系统、质量巡检系统等多个智能化系统集成，通过信息接口，实现施工工艺可视化与质量全过程管理数据融合。

系统集成到“基建智能管控平台”，实现对标准施工工艺可视化资料的存储和管理，包括：提供基础数据服务和管理功能，将标准施工工艺可视化资源作为抽水蓄能施工标准规范的一部分，导入基建智能管控平台，实现对系统的管理与可视化标准施工工艺的版本控制，并对可视化数据模块或其所引用的资源更新；提供系统数据存储后台及维护服务。

图2 施工工艺要求小窗口展示Figure 2 Construction process requires small window display

图3 施工工艺要求场景中触发展示Figure 3 The construction process requires the scene to trigger the display

图4 施工工艺视频浏览图示Figure 4 Construction process video browse diagram

通过利用可视化技术将标准施工工艺系统集成，记录下真实的施工工艺数据，使用者能够通过系统查阅施工工艺全过程、质量控制要点。各建设单位和各技术人员通过基建智能管控平台进行标准施工工艺可视化系统的使用，针对标准施工工艺操作的错误进行书面反馈，系统研发人员通过平台标准施工工艺可视化系统对基础数据增加、删减、修改、查询等服务，可将施工工艺操作的错误进行纠正。

标准施工工艺可视化施工过程可与基建智能管控平台中的质量巡检系统管理相关联，通过质量巡检管理数据，检查现场施工工序是否符合标准施工工艺的工序要求。施工工艺可视化中的质量控制点与质量验评管理系统的质量控制点相一致，现场施工过程与施工工艺过程要求相符。系统集成示例如图6所示。

图5 施工工艺引用标准查询Figure 5 Inquiry of construction process reference standard

3 结束语

标准施工工艺可视化技术是将施工工艺按照三维交互场景、视频/图片、引用标准、工艺要点、声音讲解等五项内容集成体现展示。视频、图片、录像、标准要求在系统中互相匹配，让使用的管理及技术人员直观多角度的对标准施工工艺过程进行体验；在视频演示时，通过文字和配音，实现视觉和听觉全面掌控；同时，可实现人机交互，使用人员可随时查阅对应的标准施工工艺要求和控制标准、查阅现场相关施工影像。可视化技术研发的标准施工工艺与基建智能管控平台的质量验评、质量巡检等系统集成，实现施工工艺可视化与质量全过程管理的数据融合。管理人员同步可通过手机移动端操作，使技术培育及现场应用不受时间和空间限制，随时随地查询标准施工工艺[8]，持续提升工程实体质量，保证工程本质安全。

图6 系统集成图示Figure 6 System integration diagram