基于VR的幕墙故障辅助维护应用探讨

张喆 罗才喜 常兵兵

摘 要：为了实现幕墙安装人员对幕墙故障的快速发现和有效排除，本文将虚拟现实（VR）技术应用在幕墙故障辅助维护中，并设计了一种应用流程：虚拟建筑模型的建立、三维场景的导入、故障辅助维护模块的设计与实现。除此之外，本文针对幕墙工程故障维护的应用过程中涉及到的关键技术：三维幕墙模型的建立与导入、材质的渲染、效果展示脚本的编写等进行研究和应用，并以Unity和3DMAX为主要工作平台，对其中的关键操作步骤进行说明，最终实现模拟仿真效果。

关键词：虚拟现实幕墙工程;故障辅助维护

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.024

本文著录格式：张喆，罗才喜，常兵兵.基于VR的幕墙故障辅助维护应用探讨[J].软件，2021，42（02）：081-084

Discussion on Application of VR-based Curtain Wall Failure Aid Maintenance

ZHANG Zhe1， LUO Caixi1， CHANG Bingbing2

（1. Binhai College of Nankai University， Tianjin  300270;

2.Tianjin Feiyu Curtain Wall Decoration Engineering Co.， Ltd.， Tianjin  300300）

【Abstract】：In order to quickly detect and debug the curtain wall failures， VR is applied to curtain wall failure auxiliary maintenance in this article and an application process is designed，thatis，building architectural virtual models， introducing 3D scenes and planning and realizing failure auxiliary maintenance. Besides， the key technologies related to this application such as building and introducing the 3D curtain wall models， rendering materials， compiling the transcripts of display are also discussed here. As the major platforms， Unity and3DMAX specify the critical steps and finally realize the effects of analog simulation.

【Key words】：VR （virtual reality） curtain wall projects;failure auxiliary maintenance

0引言

虛拟现实（VR）技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术[1]，其模拟环境的真实性非常优秀，并模拟了人类所拥有的感知功能，如视觉、听觉等。除此之外，其强大的仿真效果可以实现人机交互，使人在操作过程中，可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。VR技术随着科技的发展取得了巨大进步，各行各业对其的需求日益旺盛。

在建筑领域，幕墙工程变得越来越复杂化、大型化[2]。因其工程结构原因导致幕墙的故障诊断变成难以解决的问题。本文认为，利用VR技术来辅助幕墙安装维护人员对幕墙一些零部件的维护这种形式可以给维护人员提供一种区别于视频、说明书形式的故障维护方案并且可以将故障解决方案进行分步骤拆解的多维度展示让维护人员从细节上看的更加细致。进而有效地提升幕墙工程的安全性、可靠性以及稳定性，也提高了故障诊断的效率。

1应用流程

基于虚拟现实技术来展示幕墙维修的细节操作，以辅助幕墙的维修工作，为此需要按照CAD图纸建立三维幕墙建筑模型、对创建好的模型进行渲染、编写脚本文件实现基于虚拟现实技术的辅助维护展示。

本文以机场窗户的维修为例，设计了机场窗户正常开关的VR展示以及由于窗户把手出现故障使得窗户打不开的VR效果展示，用以分别展示出机场窗户的正常工作状态和故障发生时的不同之处。

具体工作步骤如下：

（1）获得维护对象的CAD图纸，确定基于VR要详细展示操作细节的幕墙建筑组件的尺寸、大小等特征信息。

（2）根据CAD文件利用3DMAX平台对幕墙建筑组件对象进行建模工作。

（3）然后利用Unity软件对创建的模型进行渲染，使得创建的模型更加真实[3]。

（4）对幕墙窗户组件编写脚本以展示幕墙建筑组件正常工作;编写脚本文件给出幕墙建筑组件故障现象的解决和处理辅导的展示，以便用户在维护幕墙建筑组件时细致了解体会幕墙建筑组件正常工作与故障发生的不同。

（5）编写程序脚本文件用于实现幕墙建筑组件的故障辅助维护功能。把幕墙建筑组件维护的过程进行分步骤拆解展示，给出用户多维度的效果演示。最后给出故障修复完成后的效果展示。

以上应用流程的主要难点在于：第一，需要创建处逼真还原度高的模型，从而给用户一个真实的排故环境，达到更好的维护效果;第二，模型文件的导入导出可能会导致某些模型的材质丢失，因此导入导出文件时需要注意保留材质贴图;第三，实现辅助维护的展示需要借助于VRML语言或者基于C#的脚本文件，在实现效果上具有一定的工作量和难度。

基于此，本文设计实现了对应的解决方案：第一，为实现更好的模型效果，和图纸设计人员详细确定了幕墙组件的尺寸大小，基于CAD图纸进行建模，并进行材质渲染，使模型更加美观;第二，导入导出模型时注意材质的问题，要导出带有材质的模型文件;第三，由于对VRML语言不太熟悉，因此本文选择基于C#的程序设计语言来进行辅助维护脚本文件的编写，并对每一个排故过程反复试错，最终给出正确的效果展示，使得过程更加清晰易懂。

幕墙工程是一个复杂庞大的工程，幕墙建筑的组件很多，例如有门窗、玻璃、五金件等，因此故障发生的位置多、种类多。所以，本文仅以幕墙窗户的把手故障的处理为例说明基于VR辅助维修的具体实现过程。

2三维幕墙模型的建立

为了将虚拟现实技术更好的应用于幕墙建筑的辅助维护过程中，搭建出逼真的虚拟实现场景是本模块成功实现的前提条件。而创建出三维幕墙建筑模型是虚拟现实场景成功搭建的基础。因此在虚拟建筑场景的搭建过程中，创建出三维幕墙建筑模型是首要工作。三维幕墙建筑模型创建好之后从3DMAX软件上导出，然后导入到Unity平台中进行材质渲染工作[4]。

在建立幕墙的虚拟建筑场景时，采用Unity平台作为开发工具，但由于Unity并不能创建出比较复杂的模型，所以选取3DMAX作为主要的建模软件[5]，使用Unity来实现模型的渲染以及辅助维护的功能。

本模块主要选取张家口机场窗户的三维建模过程来展开描述，通过CAD图纸并与幕墙设计人员仔细沟通确定尺寸之后进行建模。该部分主要是对机场窗户进行建模并可以对窗户进行正常开关的模拟。制作时主要使用了3DMAX平台进行建模，采用Unity进行开关效果的实现。用户可以在虚拟现实环境中进行窗户的开启和关闭。主要工作内容如下：

（1）核对机场窗户图纸内容：首先分析CAD图纸内容（如图1所示，图内黄色部分为窗户），建模之前首先要确保窗户的大小、尺寸、外观一致。并且与设计人员仔细沟通过后确保数值无误。

（2）机场窗户建模：当窗户尺寸完整记录以后，在3DMAX平台上开始窗户3D模型的制作。机场窗户的建模主要采用多边形建模的方式来完成制作。窗户主要分为三个部分来制作：窗户框架、窗户把手和窗户把手托盘。

机场窗户最终建模完成后的效果如图2所示。

3虚拟幕墙维护场景导入及故障机理演示

机场窗户的三维模型制作好之后，需要将机场窗户模型按照制作时的分类在3DMAX中分别选择导出到Unity中进行下一步的工作。在从3DMAX中导出模型文件的时候可能会出现一些问题，这里给出一些本文在导出导入模型文件时遇到的问题以及相对应的解决方案：

（1）窗户模型文件格式问题：Unity支持多种外部导入的文件格式。但并不是对每一种文件格式都兼容，可能会出现一些模型属性的丢失。Unity对OBJ格式的文件兼容度较好，因此在此选择从3DMAX中导出OBJ格式的模型文件。

（2）模型材质问题：在3DMAX中创建三维模型的时候，一些模型被添加了材质，因此从3DMAX中导出OBJ文件时，要导出带有材质的OBJ文件用以保证模型导入Unity时不会发生材质的丢失问题。

（3）模型文件的命名问题：在3DMAX中創建模型时，对文件赋予了文件名，这样将模型文件导入到Unity中时不必再重新对文件进行命名，从而节省大量的时间精力。因此本文在创建模型文件时对文件进行了合适的命名。另外在Unity中还可以根据工作需要灵活的对模型进行重新命名。

将模型文件从3DMAX中导出后，不要直接拖拽到Unity中，需要找到创建的Unity工程文件Assets目录，将做好的模型文件复制进去。其中移动模型文件的时候，必须要选中的文件目录为：Animations、Materials、

Models、Prefabs、Textures。其中Animations主要提供Avatar骨架，缺少该目录会提示Missing（Avatar）;Materials主要存放模型的材质文件;Models主要存放物体的模型，如果缺少的该目录的话不会显示物体的模型;Prefabs主要存放预设文件，预设文件的好处在于修改一个源文件之后所有根据此源文件复制的文件都可以一并进行修改;Textures主要存放模型文件的贴图[6]。

另外，为了演示幕墙窗户把手的正常工作过程以及故障时的现象需要利用C#语言编写脚本文件以便在虚拟现实环境中体现窗户正常与故障时的不同之处。

4基于VR的组件辅助维护演示的实现

在对幕墙窗户把手进行维护工作时，首先要明确幕墙组件的正常工作过程，以此来判断幕墙组件是否产生故障。因此完成这些工作后，需要在虚拟环境中实现交互式操作来对幕墙故障进行维护。本小节主要描述幕墙故障辅助维护虚拟交互功能的实现工作。此功能的实现能够让幕墙维护人员清楚故障发生时的现象，并且针对现实中故障位置不好观察的问题给出多维度的故障场景以及维护过程中的多维度展示。

门窗把手使用中会出现很多故障，不仅把手品种类型多，而且故障的种类也多，本节仅选取窗户无法正常开启这一故障仅对某一种把手的维护过程借助虚拟现实技术来辅助展示并对其实现过程展开描述。

上一节介绍了窗户无法开启的故障的表现，本节主要给出如何利用虚拟现实技术进行正确安装窗户把手达到辅助维护的目的，即借助虚拟现实技术让用户了解窗户把手的正确的详细安装操作过程，实现有效的安装。

该安装方案将进行基于虚拟现实环境的维护展示。设计的故障维护方案为：窗户把手向下旋转时无法旋转到底，因此判断窗户无法开启可能是窗户把手出现问题，接下来需要更换窗户把手。其中提供的窗户维护的解决方案步骤如下所述：

首先用户在虚拟现实环境中通过键盘的“W、A、S、D”键前后左右移动到发生故障的窗户位置处，然后触发窗户故障排除这一事件，幕墙维护工人观察到窗户正常及产生故障时的情形。最后维护人员通过给出的交互性提示并按照故障解决方案分步骤进行窗户把手故障的排除。

具体实现步骤为：

（1）创建TransformHandleShouBa对象;

（2）调用DOLocalMove（）方法来实现窗户把手的移动效果，第一个参数表示移动到（0.318f， -0.832f， -1.766f），第二个参数表示动画时间为4秒;

（3）调用HandleShouBa对象的gameOBJect.Set Active（false）方法来设置窗户把手这一gameOBJect隐藏掉窗户把手，从而实现取下窗户把手的演示效果。

最后，把手更换完成，故障解决完毕时，给出窗户的正常开启和关闭展示，表示窗户故障已经成功进行维护。如图3所示。

5总结与展望

本文对基于虚拟现实技术的幕墙故障辅助维护功能做了较为详细的设计与实现工作[7]。首先借助于3DMAX平台根据对应的CAD图纸内容来进行幕墙窗户的建模工作，然后将创建好的模型文件从3DMAX平台上导出并导入到Unity中进行下一步的工作即材质的渲染工作，使得创建的虚拟现实环境更加逼真，视觉上更加美观。另外还给出了导入导出模型文件的过程中遇见的问题以及对应的解决方案。随即借助于VisualStudio2015利用C#语言来编写脚本文件来实现幕墙窗户这一组件正常工作过程和故障机理的演示。最后利用Unity平台以及VisualStudio2015来编写脚本文件从而实现了窗户把手故障的辅助维护过程中的分步驟拆解的多维度详细展示。

本应用的研究与实现，有助于解决传统幕墙工程维护过程中的场地限制、场景限制带来的难题并且提高解决故障的效率，创造出不被干扰的排故环境，提高了幕墙安装、维护人员的技术实力。

参考文献

[1] 王永红.基于虚拟现实技术（VR）的计算机组装及评测系统开发[D].广州：广州大学，2011.

[2] 沈家文，刘勇，杨成.建筑设计推动工程技术进步[J].云南建筑，2014（2）：18-21.

[3] 张鹏，何东海.BIM技术在幕墙工程中的应用[J].施工技术，

2013（8）：105.

[4] 金诗宇.基于Unity的多目标模拟器的研究与设计实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2014.

[5] 章乘阳.幕墙工程信息管理系统的分析与设计[D].昆明：云南大学，2016.

[6] 胡燕.虚拟现实技术在船舶推进系统故障诊断中的应用[J].舰船科学技术，2018，40（6）：58-60.

[7] 邵欣桐.基于虚拟仪表的交互式故障诊断与排故仿真技术研究[D].天津：中国民航大学，2013.