面向虚拟施工的BIM模型组织与优化

２０１５年　４月　图学学报　ＪｏＵＲＮＡＬ　ｏＦ　ＧＲＡＰＨＩＣＳ　Ａｐｒｉｌ　２０１５　Ｖｏ１－３６　ＮＯ．２　第３６卷　第２期　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）　摘　要：建筑信息模型ｆＢＩＭ）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。　关键词：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　文章编号：２０９５—３０２Ｘ（２０　１　５）０２—０２８９—０９　中图分类号：ＴＵ　７２１　文献标识码：Ａ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＢＩＭ　Ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｒｅｎ　Ｑｉｐｅｎｇ，Ｇｕｏ　Ｈｏｎｇｌｉｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ（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　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｉｎ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｗａｙ，ａｎｄ　ｉｄｅｎｔｉｆｙ　ｔｈｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｄｖａｎｃｅ，ｔｈｕｓ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｒｅｗｏｒｋｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ．Ｈｏｗｅｖｅ￣ｌａｒｇｅ　ａｍｏｕｎｔｓ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｉｓ　ｉｎｖｏｌｖｅｄ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｉｓ　ｏｆｔｅｎ　ｈａｓ　ａ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｉｍｓ　ｔｏ　ｉｆｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｆ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｗｏ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ，ｉ．ｅ．１ｅｖｅｌ　ｏｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　（ＬＯＤ）ａｎｄ　Ｓｃｅｎｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｒｕｌｅｓ　ａｒｅ　ｆｉｒｓｔ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ＬＯＤ　ＢＩＭ　ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｗｏｒｋｅｒｓ　ａｎｄ　ｍａｃｈｉｎｅｓ　ｄｅｆｉｎｅｄ，ｔｈｅｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｉｔｅｓ　ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｓｃｅｎｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｔｏ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｌｅｖｅｌ　ＢＩＭ　ｍｏｄｅｌｓ　ｉｎｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｓｃｅｎｅｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｐｐｒｏａｃｈ，ｒｅｌｅｖａｎｔ　ＢＩＭ　ｍｏｄｅｌｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｒｅｎｄｅｒｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｓｉｆｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｔｈｅ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　．　收稿日期：２０１４．１１－１２；定稿日期：２０１５—０１—０６　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２０８２８２）：清华大学（土水学院卜广联达ＢＩＭ联合研究中心资助与支持项目　作者简介：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：ｒｑｐｌ３＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃａ　通讯作者：郭红领（１９７８一），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　２９０　ＢＩＭ研究与应用　２０１５笠　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｒｕｌｅｓ；ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｓｃｅｎｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　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　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ，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－［：－（ｖｉｔｒｕａｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｖｃ）…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［２Ｊ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［　Ｊ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［　。　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　］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（１ｅｖｅｌ　ｏｆ　ｄｅｔａｉｌ，ＬＯＤ　思想［７１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Ｌ８】，提高场景的渲染效率。　在ＬＯＤ技术的应用方面，Ｌｉｕ和Ｌｉ［　１提出将　不同细节层次的ＢＩＭ模型与施工计划相结合，在　４Ｄ／５Ｄ（ｉｆｖｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａ１）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～思想可以应用到ＢＩＭ模　型能耗和５Ｄ分析中。由于Ｂ１Ｍ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（１ｅｖｅｌ　ｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ＬＯＤ）［１￣１，　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［１１１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Ｍａｎｉｎｅｚ【　Ｊ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［”Ｊ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　第２期　任琦鹏等：面向虚拟施工的ＢＩＭ模型组织与优化　２９１　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　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　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、机械和材料等数据、模　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；⑧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　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　提取基础模型数据用于构建静态的虚拟施工现　ＶＣ技术可以在虚拟平台中完成对施工现场　场；其次提取基于真实施工状态下的位置数据、　全面地模拟和展示。一个智能化的施工过程模拟　运动学和动力学数据，并建立施工现场真实事物　不仅可以对设定好的数据进行简单地绘制、渲染　与虚拟模型间的映射关系，这是进行模拟、分析　处理，更重要的是可以对数据处理的结果进行分　和响应的关键数据；再者是通过法律法规、安全　析，通过ＶＣ平台的模拟和分析及早发现施工现场　规范和工程施工现场规定提取安全规则，为进行　存在的问题，对问题进行有效地反馈和预警，辅　安全性分析提供支持；同时根据市政要求和　助管理人员实现对施工过程中人员、材料、机械　工程项目的实际情况提取系统阈值，作为控制项　等资源的组织利用和优化，有效地提高施工效率、　目的约束条件。最后通过统一的转化接口将数据　保证工程的安全和质量，节约成本。其间涉及到　进行标准化，输入到虚拟施工的引擎中。　建筑　数据反馈、更新　专　结构　　ｌｌ　模　型　业　机电　ｒ　Ｉ空间分析　场地布置优化　地形　ｌ施工安全　幕墙、装饰　现场动态管控　结构分析　其　机械　安全规则　数　虚　Ｊ拟　显　建筑物　他　模　人员　据　拟　施　施　工　机械　动　能耗分析　动　进度动态管理　型　材料　标　准　工　过　态　引　程　人员　分　碰撞检测　态　响　成本动态管理　目　进度计划　化　擎　模　析　应　标　成本计划　拟　材料　生态微环境　计　规范性检测　质量动态管理　划　质量计划　非　文本、文档　结　人员、机械　运动路径　安全动态管理　构　视频、图　‘，　化　像、音频　信　息　网页链接等　Ｉ　Ｉ　ｌ　数据输入　数据整理　ｉ可视化施工过程模拟　虚拟施工动态管控　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　响应需要基于大量数据进行实时计算，并对计算　位、多层次地模拟施工的过程，实现虚拟和现实　的结果进行分析、响应和渲染。这一过程会给计　结合的过程模拟，并据此进行动态分析及响应，　算机和虚拟施工引擎造成巨大的负荷，会占用计　实现对施工现场的动态管理。其中，动态分析及　算机大量的存储和内存资源，还对处理器和　２９２　ＢＩＭ研究与应用　２０１５焦　图形处理器提出了更高的要求。而工程项目的唯　一２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　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，　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¨们，本研究建立了建筑　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。　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　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　运动参数的数目进行划分…。在不同的施工阶　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　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　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　载大量不同专业、不同深度的模型，此时就需要　一现功能的多少将模型划分为３个深度等级，分别　种组织方式清晰明了地对这些模型进行组织、　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　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。　２９４　ＢＩＭ研究与应用　２０１５年　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　加载深度等级高的模型，并生成较高深度的微观　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　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　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　观场景在生成过程中可以调用己绘制好的微观场　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　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　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　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。　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。　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　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　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　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。　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，　第２期　任琦鹏等：面向虚拟施工的ＢＩＭ模型组织与优化　２９５　结构专业　流水１段　基础　建筑专业　机电专业　流水２段　例　材料加工区　原材料堆放区　半成品堆放区　模板加工区　分类材料区　道路　其他场地功能分区　围挡　出入口　２９６　ＢＩＭ研究与应用　２０１５正　ｌ基础数据　ｌ规则、阈值ｌ　实时数据Ｉ　Ｉ　ｌ　场景组织、剖分　一　否　．．　＼　否合　一　场景遍历　ｈ　模拟深度设置　微观场景资　源、空间准备　较高深度模型加载　Ｉ　＋　＋　厂　Ｉ中等深度模型加载Ｉ　ｌ　＋　＋　＿ｌ　＋　各专业及材料ｌ　ｌ机械人员Ｉ　Ｉ各专业及材料ｌＪ机械人员　ＬＯＤ　４００模型Ｉ　Ｉ高级模型ｌｌＬＯＤ　３００模型ｌｊ中级模型　　ｌ＋　　ｌ生成牧局深　度微观场景　　Ｉ●　生成中等深　度微观场景　生成微观场景　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　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　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　具有的运动参数，引入自由度的概念，对模　层次结构的场景管理模式可以有效地组织、安排　第２期　任琦鹏等：面向虚拟施工的ＢＩＭ模型组织与优化　２９７　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。　参考文献　［１】周　勇，姜绍杰，郭红领．建筑工程虚拟施工技术与实　践［Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社，２０１３：４－２２．　［２］Ｚｏｌｆａｇｈａｒｉａｎ　Ｓ，Ｉｒｉｚａｒｒｙ　Ｊ．Ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｒｅｎｄｓ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｉｔｅ　Ｌａｙｏｕｔ　ｐｌａｎｎｉｎｇ［Ｃ］／／Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒｅｎｄｓ　ｉｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｓｉｔｅ　Ｌａｙｏｕｔ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　２０１４　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　Ｇ１０ｂａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，Ａｌａｎｔａ，２０１４：　１７２３—１７３２．　［３　Ｈｕａｎｇ　３］Ｔ，ＫｏｎｇＣ　ＧｕｏＨＬ，ｅｔ　ａ１．Ａｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ［Ｊ］．　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，２００７，１６（５）：５７６－５８５．　［４］张建平，李丁，林佳瑞，等．ＢＩＭ在工程施工中的应　用［Ｊ】．施工技术，２０１２，４１（１６）：１０－１７．　［５】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】．中国建设信息，２０１０，（２）：４６－５　１．　［６】何波．大型项目ＢＩＭ模型组织方法与实践［Ｊ］．土木　建筑工程信息技术，２０１２，４（４）：７－１４．　［７】Ｃｌａｒｋ　Ｊ　Ｈ．Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ　ｇｅｏｍｅｔｉｒｃ　ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　ｖｉｓｉｂｌｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＣＭ，　１９７６，１９（１０）：５４７—５５４．　［８］Ｌｅｉｔｅ　Ｆ，Ａｋｃａｍｅｔｅ　Ａ，Ａｋｉｎｃｉ　Ｂ，ｅｔ　ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｅｆｆｏｒｔ　ａｎｄ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ｄｅｔａｉｌ　ｉｎ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］，Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，２０１　１，　２０（５）：６０１－６０９．　［９】Ｌｉｕ　Ｙ　Ｌｉ　Ｓ　Ｒ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　４Ｄ　ＬＯＤ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｃ］／／２０１３　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌ　Ｅｓｔａｔｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ＩＣＣＲＥＭ　２０１３　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｎａｄ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｔｅｘｔ　ｏｆ　Ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ，Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ，　２０１３：２８９．２９７．　［１Ｏ】ＡＩＡ　Ｉ　７Ｓ．Ｄｏｃｕｍｅｎｔ　Ｅ２０２－２００８　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｅｘｈｉｂｉｔ［ＥＢ／ＯＬ］．　［２０１４－０９—１５］．　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｉａ．ｏｒｇ／ｃｏｎｔｒａｃｔｄｏｃｓ／ＡＩＡＢ０９５９３３．　［１１】Ｓｏｗｉｚｒａｌ　Ｈ．Ｓｃｅｎｅ　ｇｒａｐｈｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｍｉｌｌｅｎｎｉｍｕ［Ｊ】．　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０００，２Ｏ（１）：５６－５７．　［１２】ＫａｍｔａｔＶＲ，Ｍａｒｔｉｎｅｚ　ＪＣ．Ｓｃｅｎｅｇｒａｐｈａｎｄｆｒａｍｅ　ｕｐｄａｔｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｆｏｒ　ｓｍｏｏｔｈ　ａｎｄ　ｓｃａｌａｂｌｅ　３Ｄ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉｄｅｄ　Ｃｉｖｉｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，２００２，１７（４）：　２２８．２４５．　［１３】Ｒｅｋａｐａｌｌｉ　Ｐ　Ｍａｒｔｉｎｅｚ　Ｊ　Ｃ．Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｔｈｒｅｅ－－ｉｄｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｃｅｎｅ　ｇｒａｐｈ　ｕｐｄａｔｅｓ　ｉｎ　ｈｉｇｈ・・ｓｐｅｅｄ　ｎａｉｍａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｒｅｖｉｏｕｓｌｙ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉｄｅｄ　Ｃｉｖｉｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，２００９，２４（３）：１　８６－１９８．　［１４］陈怀友，张天驰，张菁．虚拟现实技术［Ｍ］．北京：清　华大学出版社，２０１２：２２２．２４８．　［１５］韩红雷，刘有权．游戏引擎原理及应用［Ｍ】．北京：高　等教育出版社，２０１２：１８６．２０３．