自然科学类论文

1 引言

虚拟建筑模型技术是多种综合信息技术融合的结晶，可以立体化展示工程建设各个阶段、不同时期实际情况，有利于在未来施工中精准控制，提高效率，降低风险度以及提前预知危机。在现实施工过程中难免会遇到一些不能直接施工的建设难点，此时可以多次运用虚拟模型技术找出最完美的施工方法与之衔接，在工程造价领域上亦可提前做出相应的估价，满足业主方经济需求。虚拟建筑模型作为一种新兴理念和技术，带给了建筑业急剧的变化。依靠市场开发的软件，汇总各工程项目的所有建筑工程信息，进一步驱除工程信息中的孤岛，并将获取的建筑工程信息结合三维模型进行整理储备，以此实现项目全过程的信息共享。利用虚拟模型，不仅有利于理解复杂的空间操作、空间标准和规范要求，还可以评估设计方案布局、视野、色彩等情况，在建筑局部等复杂工程阶段也可以利用虚拟建筑模型进行施工方法攻关以达到优化设计从而减少返工的几率。

2 浅谈现代网络虚拟建筑模型

2.1 虚拟建筑模型概念

虚拟建筑模型及其相关的技术主要针对于各种建筑工程项目，从而在计算机中建立虚拟的三维工程模型。通过联系工程建筑所附有的几何信息、特有属性以及相关的非构件信息建立起来的信息库，同时整合利用数字化技术，打造出具备信息集成的三维可视化模型，进而可以在与工程利益相关的各方中搭建出一个信息交流、商讨的桥梁。通过各方的协商最终达成一致，调整出虚拟建筑模型利于各方做出完善的分析和评估。

2.2 虚拟建筑模型发展概况

构筑虚拟建筑模型，需与实际施工信息结合，并且极大地便利工程师们开展工作。围绕着虚拟建筑模型的发展，经历了线框、曲线模型的早期探索。但这些只能表示物体的表面及边界，对于模型的质量、质心和惯性矩却不能够进行计算，也不能剖切，只是一个可以大概反映出工程建筑表面的模型，显然不能够满足日益发展的需求。经过不断的发展改善，实体模型应运而生，在其中剖切过后，便可以达到立即生成一个新的表面，自动识别内部和外部，而且它的实体特性可以在计算机中得到定义。最新发展中，进行了更深层次的革命便是可以运用变量技术。设计者利用形状及尺寸在设计任意过程中调整模型和拆卸零部件。这极大地丰富了设计者可操作性，给虚拟模型建设带来了更深远影响。^[1]

目前市场上已开发出多款虚拟建筑模型的软件，广泛应用于摄影、机械、动画以及工程建模。为人熟知的有3ds Max、Sketchup、Maya、AutoCAD、Revit等，这些软件在各行各业中都发挥了积极的作用，推动了社会的进步。但关于建筑工程的三维虚拟建模软件中，最被人津津乐道的是BIM。BIM的软件有很多的类型，在我国市场上具有影响力的BIM软件一共就有32种，这32种软件主要集中在设计阶段和工程量计算阶段，施工管理和运营维护的比较少。BIM的应用价值主要由三维渲染、快速计算、精准计划、有效管控、虚拟施工、碰撞检查和冲突支持七个大的方面体现的。见下图1：

 

 

 

 

 

图1：BIM主要特点框图

3 虚拟建筑模型中物理属性的添加计算

3.1 虚拟建筑模型物理属性的概念

虚拟建筑模型中的物理属性是依赖于计算机仿真技术领域的研究取得越来越多的重大突破，这些突破带动了模型的质量、动量、冲量、加速度以及位移等大量实践分析要求精准度和计算方式高效的物理属性出现^[2]。物理属性的虚拟实践过程中需要进行实践大量的需求分析，为了更好的满足时代对于虚拟建筑模型中的关于物理属性的需求，涌现出非常多的专家与学者对物理属性添加在虚拟模型中做出了卓越的贡献：

(1) Wilhe^[3]通过进行虚拟刚体中的关节链一系列运动，加以利用物理动力学方程上的知识，对物体在模拟仿真上做出进一步的发展；

(2) Barzel^[4]通过物体的几何约束建立相应的联系，用逆动力求解出对应的约束。从动力学约束控制刚体造型系统出发，构建满足逆动力求解出的约束的模型进一步展开组合，以更好的满足需求的条件；

(3) Mirtich^[5]把物体之间的接触大致分为滑动接触、碰撞接触、滚动接触、以及静止接触和非碰撞接触大致这几类再开展仿真化实践。提出利用冲量的动态仿真方法，在同一个框架下考虑所有的问题。这是与Barzel从物体的约束上开始研究的方向截然不同的另一个研究方向；

(4) 刘振宇^[6]在虚拟装配环境中将几何约束自动映射为运动自由度分析物理约束配合变刚度弹簧模型的装配力交互输入方法来进行分析方法展开研究。

3.2 物理属性中的物体质量添加来源与功能应用

传统中的施工图无法将图中的建筑进行质量计算，而本文研究的虚拟建筑模型技术刚好可以弥补其中不足，并能够满足设计者以及其他利益相关者在构筑建筑模型时对于物理应用方面的考虑。伴随着目前建筑行业的快速发展，可以清晰的看到建筑行业的工程师和设计者在建筑需求上的要求越来越严格。针对这种现象，在互联网信息高速发展的背景下，软件设计开发者在传统构图软件中添加了质量属性的功能，依靠质量属性功能，建筑设计师们不仅可以在电脑上绘制普通图纸，更可以在所绘画的建筑构件上附加相对应的物理属性，并进行建筑实验，具体表现在对实际施工所需要的最低成本快速计算估计以及精准控制，减少一定的返工的比率。

3.3 虚拟模型软件应用质量属性的方法步骤

以SolidWorks中的质量属性添加程序步骤为例，在预先构筑好的模型上，在软件中工具栏中选择材质，在弹出的菜单中选择编辑材料。其次选中所要计算的模型零部件或者实体，然后进行评估，点击质量属性。最后便查看参数，就完成了在SolidWorks上计算模型质量。分为五个步骤来实现在模型中给建筑计算质量。如下所示^[7]：

（1）添加模型；

（2）点击“材质＜未指定＞”，弹出下拉菜单，点击“编辑材料”；

（3）选择材料，进行运用；

（4）选择“评估”，点击质量属性；

（5）查看参数

结构步骤框图见下图2：

 

图2：步骤操作框图

在质量属性中的计算研究中，需要运用到惯性张量的相关知识。应用到的部分以下定义的数学物理意义，数学公式为：

 (1)

  (2)

 (3)

4 模型可视化与传统草图差异性比较

4.1 三维可视化的概念以及理解

模型的三维可视化是用于进一步帮助相关利益人群描述和理解模型所构造出的实体，提供的一种技术手段。三维可视化顾名思义就是将所要构造的实体以三维的形式展开，通过调整透视的方式、色彩的深浅在配以动画的形式等手段，将相关的建筑信息打造成可立体展示的三维图形。^[8]通常我们将三位可视化技术分为两个比较大的方向：第一类型便是结合我们传统的三视图平面二维展开方式来进行可视化分析；第二种类型便是将相关建筑实体的数据信息进行筛选调整，同时利用现代计算机数据处理以及图像采集加以展示的前沿技术，来完成数据体的三维可视化。可视化技术可以使研究人员在立体的空间中进行进一步解释构造、断层、岩性等油气和煤层交互出处理解释和地震剖面的成果说明应用。针对于数据体的显示和三维方式的解释，体可视化相对可以做出更好的说明。

4.2 传统草图在立体展示上呈现的局限性

三维可视化技术的出现使得建筑构模领域焕发了新生，因为这是与传统的借助于平面二维绘制施工图纸进而展示建筑实体相迥异的方式。在建筑行业中为了描述一个建筑体形象，通常工程师们会以三视图的方法即正视图、俯视图以及左视图。尽管这样也能够较好的展示建筑体的形象，但这无疑加大了绘制图纸的难度，而且在平面绘制图纸时会应用到很多的绘图技巧这对于绘制图纸的人员来说也是一个难点。最后在完成了三视图后，需要相关人员结合三张不同绘制视角而成的图纸进行一个综合立体想象，在头脑中凭空想象出一个立体的建筑体，这同样是针对相关人员的一个不小的考验。总的来说按照传统的三视图来展示建筑体立体的做法，尽管能够达到目的，但是在这其中涉及到的方方面面限制对建筑行业与日俱增的高标准的需求。

4.3 虚拟建筑模型三维可视化的优越性

将建筑实体以三维可视化的方式展开改善了其他非专业领域的相关利益当事人与设计者们之间理解的分歧。对比于通过平面二维展示建筑实体的方式，虚拟建筑模型的三维可视化技术的应用是给建筑行业带来了福音。工程师以及设计者们按照自己需求在计算机上，构造出立体的建筑物模型，不用其他的的说明或者方法手段来在大脑中抽象的想象出所绘制的建筑物，其次通过全方位的三维立体展示理解起来也更加的深刻。三维立体式的展示加以一定的动画添加，使得我们要构筑的模型更具有活力，带来直观的视觉冲击力度。凭借着三维可视化的方式来打造出建筑模型，使得其他非专业领域的相关利益当事人可毫不费力的就可以观察到自己的投资成果。这有利于设计方与投资方进行进一步的沟通与交流，从而大大减少了双方理解的偏差。双方在此基础上，还可以提出新的改进方式或者一些调整方案，使得中标几率得到一定的提升。同时也使我们的建筑设计师们掌握了更加高效的绘图手段，缓解了一定的压力。

传统施工图纸见下图3：

 

 

图3：某小区别墅传统的施工图纸

现代虚拟工程模型见下图4：

 

图4：现代别墅的虚拟工程模型

5 虚拟建筑模型中虚拟施工的应用

5.1 虚拟模型中的虚拟施工的概念

虚拟施工技术（Virtual Constration）就是在虚拟模型的基础之上，在建筑项目设计与施工过程中的现实模拟与数字化、三维可视化等一系列前沿的技术手段加以结合。借助于虚拟现实技术和现代计算机仿真技术，我们将施工过程的内力计算分析可进行仿真化计算。将众多实际施工过程的信息参数整合并通过一定的方式转化为计算机处理的数据，再利用现代计算机数字化技术结合虚拟现实技术以三维立体方式展开。可在计算机上预先发现忽视的问题，从而再解决它。

5.2 传统建筑施工存在的问题

在工程中建立虚拟模型并将其开拓应用在虚拟建筑施工中，这是在传统的平面二维绘制图纸以及在实际施工过程中所不能够达到的高度。通常在面临将计划付诸实施，开始进行施工会遇到各种各样的难题。例如在建筑施工的某一段建筑工程中突然遇到未知的险情或者说以往尚未探查到的地方需要紧急商讨出一套施工方案，这要是按照以往解决问题的手段方法，会绘制难以估量的施工图纸显然是个不小的工作量。还有在多种不同施工方案的抉择上，传统方式也就是会议表决很难把控住实际的利与弊。

5.3 虚拟模型的虚拟施工的优势

与传统三维相比，其开拓出的是4D技术（3D+时间）。除此之外，更是考虑到了多层的因素人力、材料、机械、空间、安全等^[9]。虚拟施工技术涉及到了很多的领域，主要包括：

（1）计算机仿真技术；

（2）建筑构模以及其他相关的优化技术、软硬件技术；

（3）虚拟现实技术（VR/AR）。虚拟施工的主导思想与作用便是“先试后建”，预先发现存在的问题再进行优化处理，使得实际的施工的管理、过程和项目设计更加合理。^[10]总的满足尽量减少返工成本、缩短施工用时和降低施工风险的目的(从表1中举出的例子便可看出)，从而使建筑工程各方面考虑相对完善利于今后施工工作的进行。虚拟施工技术对工期与成本积极影响表如表1所示：

 

 

表1：虚拟施工技术对工期与成本积极影响表

6 模型与现实差异性的模糊综合评判

虚拟模型的建立推动了建筑行业的发展，但是模型与现实实际工程还是存在着多方面的些许差异。而且这种差异是多因素的，正确链接到模型与现实，有利于工程师的建设。针对于这一点，本文引入了模糊的综合评判来帮助于正确认知^[11]。模型于现实工程差异由多个因素共同作用，每个因素对工程实际就有一个不同权重的影响，充分考虑过后可得到一个模糊综合评判。最后在进行分析这种综合评判是否可以应用到工程，这里可以划分成三个等级加以区分，即：良好、正常、异常。

(1)评判模型建立，设定有N个的评判，那么评判模型对象集就为：

评判集：T={评判1，评判2，…，评判n}

=｛t₁,t₂,…,t_m｝

因素集：U=｛材料，财务，…，方案｝

=｛u₁,u₂,…,u_n｝

 

(2)建立模糊综合矩阵R，进行单因素评判：

因为每一个因素都拥有对现实工程不同权重的影响，所以应当先评判每一个独立的影响因素，从而来建立单独因素的隶属程度。每一个影响因素都会存在这一个相关的映射即U到T的的一个模糊映射:U→f(T)

U_i→f(T_i)=R_i={r_i1,r_i2,…,r_in}(i=1,2, …，N),从映射关系式可诱导出其中的模糊关系R_F(U_i,T_i)=F(U_i)(T_i)=R

R=  (4)

(3)确定各个影响因素的权重A=(a₁,a₂,…,a_n)，其中a_i大于零小于1是第i个因素对工程评判中所占据的权重，=1。

关于不同影响因素的权重计算方法，这里可以用到FD评分法便可以轻便得出^[12]。不同影响因素计算权重如表2所示：

表2：不同影响因素用FD评分法计算权重表

序号		评价对象	材料	财务	…	方案	累计得分	权重
a1		材料	x	1	0	0	1	0.1667
a2		财务	0	x	0	1	1	0.1667
…			1	1	x	0	2	0.333
an		方案	1	0	1	x	2	0.333
合计								100%

(4)得出模糊的综合评判W，W=AR其中模糊子集W_j=(w_j1,w_j2,…,w_jn)意思是在每个R_j因素作用下得到的模糊综合评判。

W=A_jR_j=(a_j1,a_j2,…,a_jn)  (5)

  (5)最后对得出的模糊综合评判进行分析处理，判定对象等级层次加以筛选。

7 结论

虚拟模型依据以上的具体分析可以做到仿真建筑所具有的种种属性，物理信息中的质量、密度等均考虑其中。建筑施工是高度动态过程，而如今的虚拟模型技术实现了将空间、时间信息融合在一起利于做出准确施工安排节约成本。最后关注与虚拟与现实之间的差异，很多的软件已经达到了高度重合且有完备评判手段加以监督。

参考文献（References）

[1]https://baike.so.com/doc/6664630-6878458.html

[2]王建永.探讨虚拟施工技术在建筑业的应用.[J]科技创新导报，2014

[3]Wilhelms J. Using dynamics analysis for animation of articulated bodies[J]IEEE Computer Graphics and Applications(SO272-1716)，1987，7（6）：12-27

[4]Ronen Barzel, Alan H.Barr.A modeling system based on dynamic constraints[J].Computer Graphics（SO097-8930），1987，21(4):215-224.

[5]Brian Mirtich, John Canny. Impulse-based dynamic simulation[C]//Proceeding of the Workshop,1995,407-418.

[6]刘振宇，谭建荣.基于物理模型的虚拟装配技术研究[J].中国图像图形学报，2003，7：823-828.

[7]https://jingyan.baidu.com/article/72ee561aa59a27e16038df4c.html

[8]王晨星，姚长利.三维GIS与地球物理勘探开发中应用的探讨.（中国地质大学（北京）100083）

[9]侯伟伟，刘检华，尚炜等虚拟装配中的零部件物理属性建模与仿真技术.[J]系统仿真学报，2008:81-82

[10]李恒, 郭红领, 黄霆等.建筑业发展的强大动力：虚拟施工技术.[J]中国建筑信息，2010 :47-51

[11]张宗元.模糊数学入门和在建筑管理中的应用.[M]北京：中国建筑工业出版社，1991