何志紅，孫會(huì)龍，劉 貞,2，徐德會(huì)，包秀莉，葉 楊

(1.重慶房地產(chǎn)職業(yè)學(xué)院， 重慶 400000；2.重慶理工大學(xué) 低碳能源研究中心， 重慶 400054)

隨著科技的發(fā)展和我國(guó)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，人口紅利所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)正逐漸消失。 建筑行業(yè)受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，從業(yè)人員在逐漸減少，導(dǎo)致人力成本上升。在此宏觀背景下,裝配式建筑以精細(xì)化分、人力需求較低和高效率的特性，在我國(guó)得到了快速的發(fā)展。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，裝配式建筑市場(chǎng)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，從2011年最初的43.2億元增長(zhǎng)至2017年的462.3億元，達(dá)到了970.14%的同比增幅和35%左右的復(fù)合增長(zhǎng)率。根據(jù)國(guó)務(wù)院辦公廳及住建部的文件預(yù)測(cè)，未來(lái)我國(guó)裝配式建筑市場(chǎng)產(chǎn)值將超過(guò)2萬(wàn)億[1]。

我國(guó)裝配式建筑的快速發(fā)展是其與現(xiàn)代化信息技術(shù)對(duì)接的成果。其中，建筑信息模型(building information modeling,BIM)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)仿真預(yù)演技術(shù)的應(yīng)用是關(guān)鍵。BIM技術(shù)由Autodesk公司在2002年提出，集成了建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程學(xué)等相關(guān)知識(shí)，可以幫助實(shí)現(xiàn)從建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行直至建筑全壽命周期終結(jié)的信息集成。該技術(shù)的應(yīng)用使裝配式建筑實(shí)現(xiàn)了信息化和數(shù)據(jù)化的管理和運(yùn)維[2]。VR技術(shù)以高仿真、高沉浸、低成本的技術(shù)特點(diǎn)得以在裝配式建筑領(lǐng)域應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了裝配式建筑相關(guān)技術(shù)施工前的高仿真檢驗(yàn)和施工中的快速檢查，減少了裝配式建筑的建設(shè)誤差且節(jié)約了成本[3],推動(dòng)了裝配式建筑的廣泛應(yīng)用。目前，BIM技術(shù)和VR技術(shù)在裝配式建筑領(lǐng)域還處于獨(dú)立應(yīng)用期，尚未充分挖掘BIM技術(shù)在建筑信息數(shù)據(jù)方面和VR技術(shù)在虛擬仿真方面的優(yōu)勢(shì)[4]。

人力需求高和區(qū)域發(fā)展不平衡是裝配式建筑發(fā)展的痛點(diǎn)，也是制約我國(guó)裝配式建筑發(fā)展的瓶頸[5]，而如何實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的人力成本節(jié)約和技術(shù)應(yīng)用是我國(guó)裝配式建筑發(fā)展的關(guān)鍵[5]。本研究構(gòu)建BIM技術(shù)與VR技術(shù)相融合的應(yīng)用創(chuàng)新模式，對(duì)裝配式建筑所特有的信息模型環(huán)境進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上將BIM信息與VR數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接；借助VR技術(shù)的仿真性，搭建以VR技術(shù)為核心的遠(yuǎn)程裝配式建筑協(xié)作平臺(tái)，以達(dá)到降低裝配式建筑跨區(qū)域協(xié)調(diào)所需時(shí)間成本和協(xié)調(diào)成本的目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)裝配式建筑跨區(qū)域技術(shù)共享和跨區(qū)域人才共用，推動(dòng)我國(guó)裝配式建筑的跨區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同平臺(tái)信息數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

BIM技術(shù)本身蘊(yùn)含豐富的數(shù)據(jù)信息和集成管理體系，但受其兼容性與共享性不足、信息儲(chǔ)存方案缺乏和分類提取不便的因素的影響，裝配式建筑設(shè)施信息缺乏共享性和可用性，阻礙了BIM技術(shù)與VR技術(shù)的結(jié)合。因此，本文提出構(gòu)建裝配式建筑的全生命周期建筑設(shè)施信息化管理系統(tǒng)，采用BIM+COBie+VR技術(shù)，解決BIM技術(shù)與VR技術(shù)對(duì)接難題，構(gòu)建裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同平臺(tái)的信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

COBie是傳輸和管理建筑設(shè)施信息的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，引入該技術(shù)是為了使遠(yuǎn)程協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)更便捷地獲取有關(guān)裝配式建筑的方案信息與數(shù)據(jù)資料，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的整合處理，實(shí)現(xiàn)一定形式的內(nèi)部存儲(chǔ)和外部共享[8]。COBie數(shù)據(jù)信息提供IFC、ifcXML、SpreadsheetML這3種數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)多格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，既滿足BIM技術(shù)數(shù)據(jù)編碼要求，也滿足VR技術(shù)數(shù)據(jù)讀取要求，因此COBie數(shù)據(jù)信息能夠有效地充當(dāng)BIM技術(shù)與VR技術(shù)的橋梁角色[9]。

1.1 裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同平臺(tái)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

構(gòu)建大數(shù)據(jù)系統(tǒng)是遠(yuǎn)程協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，而遠(yuǎn)程創(chuàng)新平臺(tái)需要海量信息作為支撐。Hadoop是目前大數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)之一，運(yùn)用于當(dāng)前眾多商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中，其最大特色在于集成結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集。 HDFS(hadoop distributed file system)分布式文件系統(tǒng)和MapReduce計(jì)算模型及軟件架構(gòu)是Hadoop的兩大核心，兩者的結(jié)合使得Hadoop可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)可靠、高速、高效、可伸縮的處理。HDFS具有容錯(cuò)機(jī)制，使得副本在丟失或者損壞時(shí)自動(dòng)恢復(fù)，加上其具有Java再開發(fā)的屬性，HDFS自身有很高的容錯(cuò)性和自主性[2]。HDFS的工作原理如圖1所示，MapReduce的工作分3個(gè)階段執(zhí)行，即映射階段、shuffle階段和減少階段[10]，HDFS數(shù)據(jù)寫入原理如圖2所示。

圖1 HDFS數(shù)據(jù)寫入原理

圖2 HDFS數(shù)據(jù)讀取原理

HBase技術(shù)由Fay Chang 提出，它是一種序列儲(chǔ)存的分布式開源型數(shù)據(jù)庫(kù)[11]，該技術(shù)的特點(diǎn)在于可以為大數(shù)據(jù)提供隨機(jī)的、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)讀寫訪問(wèn)功能。因分布式文件系統(tǒng)具有高效的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力和高速快捷的計(jì)算能力[12]，HBase技術(shù)底層采用分布式文件系統(tǒng)作為儲(chǔ)存平臺(tái)。

基于上述設(shè)計(jì)，裝配式建筑遠(yuǎn)程系統(tǒng)創(chuàng)新平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)海量信息儲(chǔ)存、調(diào)取、計(jì)算與使用，為裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)提供高速、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同平臺(tái)信息分類與流轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

本文基于BIM+COBie+VR技術(shù)的裝配式建筑信息化集成管理，在BIM+COBie的基礎(chǔ)上，融合VR技術(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)與遠(yuǎn)程交互，旨在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化信息采集與保存、科學(xué)化的信息利用、系統(tǒng)化的信息管理、規(guī)范化的信息格式、網(wǎng)絡(luò)化的信息交互、虛擬仿真化的信息驗(yàn)證。建立全生命周期的數(shù)據(jù)化完備信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式建筑的全方位、高精度、貼現(xiàn)實(shí)的仿真模擬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加便捷的遠(yuǎn)程協(xié)同創(chuàng)新。

因建筑信息的復(fù)雜性、交叉性和信息分類標(biāo)準(zhǔn)的不同，裝配式建筑信息分類貫穿于信息定義和賦值的全過(guò)程。根據(jù)BIM模型所包含的信息特點(diǎn)，裝配式建筑信息可以分為建筑物實(shí)體類信息、階段建造類信息、隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)類數(shù)據(jù)和抽象觀類信息四大類。BIM需要邊建模邊賦性，因此本文引入COBie技術(shù)，按照空間布局將裝配式建筑的相關(guān)分類，并進(jìn)行補(bǔ)充和完善，以保證模型數(shù)據(jù)能在VR中直接調(diào)用?；谏鲜鰳?gòu)想理念，本文設(shè)計(jì)了基于BIM+COBie+VR技術(shù)的裝配式建筑信息化管理系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 裝配式建筑信息BIM+COBie+VR技術(shù)管理系統(tǒng)

BIM+COBie+VR的信息提取過(guò)程是將BIM建筑信息數(shù)據(jù)從專業(yè)建模軟件中提取，存放至裝配式建筑信息大數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中作為裝配式建筑的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。本文利用Revit DB Link和COBie Extension插件，在裝配式建筑施工特性及其信息特殊性的基礎(chǔ)上，將BIM模型中所攜帶的有效信息導(dǎo)入ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)調(diào)用接口將VR系統(tǒng)ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)接通，其主要信息流轉(zhuǎn)流程如圖4所示。

圖4 基于BIM+COBie+VR技術(shù)的裝配式建筑信息流轉(zhuǎn)流程

2 裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

BIM+VR+裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)主要包括兩方面的內(nèi)容：①遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)與快速場(chǎng)景生成模塊設(shè)計(jì)。該模塊主要實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景快速生成的功能，將設(shè)計(jì)思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)功能的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,在遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、測(cè)試、改進(jìn)方案推薦,從而完成設(shè)計(jì)過(guò)程。②協(xié)同交互虛擬現(xiàn)實(shí)模塊設(shè)計(jì)。協(xié)同交互虛擬現(xiàn)實(shí)模塊設(shè)計(jì)可以協(xié)調(diào)處于不同地理位置的人員，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)類似面對(duì)面的操作，共同對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)VR遠(yuǎn)程多人互動(dòng)和異地多人協(xié)同體驗(yàn)。通過(guò)BIM遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)與快速場(chǎng)景生成模塊和協(xié)同交互虛擬現(xiàn)實(shí)模塊的融合使用，使操作者在虛擬環(huán)境中可以按照意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)操作，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制服務(wù)。

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景快速生成系統(tǒng)模塊構(gòu)成

本文的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景快速生成系統(tǒng)分為7個(gè)部分，包括場(chǎng)景構(gòu)建模塊、映射網(wǎng)關(guān)、虛擬對(duì)象庫(kù)、動(dòng)作腳本庫(kù)、視景生成模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、多人交互模塊。場(chǎng)景構(gòu)建模塊指構(gòu)建場(chǎng)景所需相關(guān)地理參數(shù)的數(shù)據(jù)包，包括場(chǎng)景經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和場(chǎng)景所需地形地貌數(shù)據(jù)。廣義映射網(wǎng)關(guān)是指為了便于開發(fā)與后續(xù)應(yīng)用，將映射網(wǎng)關(guān)與虛擬對(duì)象庫(kù)和動(dòng)作腳本庫(kù)融合為一個(gè)模塊，成為廣義的映射網(wǎng)關(guān)，主要起到協(xié)議定義、解析和管理數(shù)據(jù)庫(kù)的功能[12]。

映射網(wǎng)關(guān)包含數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊和 Socket 數(shù)據(jù)接收模塊，能夠解壓不同的場(chǎng)景構(gòu)建系統(tǒng)，將特定場(chǎng)景構(gòu)建系統(tǒng)連接到映射網(wǎng)關(guān)。映射網(wǎng)關(guān)對(duì)其數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，發(fā)送索引指令到虛擬對(duì)象庫(kù)和動(dòng)作腳本庫(kù)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的對(duì)象和動(dòng)作，然后觸發(fā)視景生成模塊中對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景構(gòu)建[12]。

虛擬對(duì)象庫(kù)根據(jù)應(yīng)用的范圍存儲(chǔ)相關(guān)模型對(duì)象，如房屋建造設(shè)計(jì)包括門、窗、地面、墻體等。對(duì)象庫(kù)中的對(duì)象可以被映射網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)，在視景生成模塊中與操作者進(jìn)行交互。動(dòng)作腳本庫(kù)包含所有虛擬對(duì)象的相關(guān)動(dòng)作，腳本和對(duì)象成對(duì)應(yīng)關(guān)系，比如車輛及對(duì)應(yīng)的行駛動(dòng)作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)及對(duì)應(yīng)的扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作等。視景生成模塊包含場(chǎng)景構(gòu)建模塊和交互界面兩個(gè)大的方面。數(shù)據(jù)分析模塊主要完成測(cè)試功能、評(píng)價(jià)功能、方案改進(jìn)推薦功能。

多人交互模塊中，交互設(shè)備實(shí)時(shí)收錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)云端實(shí)時(shí)同步至其他參與者的終端設(shè)備，再交由視景系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算并同步渲染。主要實(shí)時(shí)同步的數(shù)據(jù)有位置、語(yǔ)音、圖像、動(dòng)作。交互設(shè)備支持模塊中，鑒于目前虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的實(shí)際情況，遠(yuǎn)程交互過(guò)程仍需要操作者借助頭盔、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤設(shè)備等相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

2.2 協(xié)同交互虛擬現(xiàn)實(shí)模塊設(shè)計(jì)

1) 系統(tǒng)流程主要是基礎(chǔ)平臺(tái)的搭建，包含場(chǎng)景構(gòu)建和數(shù)據(jù)引入。場(chǎng)景構(gòu)建系統(tǒng)主要功能是快速生成場(chǎng)景和數(shù)據(jù)傳送。該平臺(tái)的工作原理為映射網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊接收數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成引擎所能識(shí)別的數(shù)據(jù)；視景系統(tǒng)模塊依托數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊所傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)景的渲染和表現(xiàn)。

2) 人機(jī)交互流程設(shè)計(jì)?；诙嗳藚f(xié)同操作的設(shè)計(jì)，通過(guò)智能穿戴設(shè)備或PC 機(jī)和系統(tǒng)服務(wù)器連接實(shí)現(xiàn)多人在線通訊，通過(guò)普通 PC 和智能穿戴設(shè)備輸入、輸出實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的對(duì)話，如圖5所示。

圖5 裝配式建筑遠(yuǎn)程交互流程

為適應(yīng)不同網(wǎng)速下的多人遠(yuǎn)程交互，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)不同帶寬自適應(yīng)決策模塊的運(yùn)行技術(shù)。不同帶寬自適應(yīng)需要考慮可擴(kuò)展性、訓(xùn)練時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、數(shù)據(jù)大小、復(fù)雜度、準(zhǔn)確性、收斂時(shí)間以及收斂可靠性等性能。本文根據(jù)平臺(tái)模型傳輸要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自適應(yīng)決策模塊。自適應(yīng)檢測(cè)模塊利用Markov鏈來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)帶寬隨機(jī)變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律基礎(chǔ)上做出自適應(yīng)決策，相關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)框架

圖7 網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)流程

2.3 裝配式建筑遠(yuǎn)程交互平臺(tái)驗(yàn)證

基于上述部分的研究設(shè)計(jì)，本文搭建了裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)作平臺(tái)，其界面分為交互內(nèi)容排版區(qū)、交互內(nèi)容編輯區(qū)、素材屬性編輯區(qū)和素材上傳分類區(qū)4個(gè)模塊。其中，素材屬性編輯區(qū)和素材上傳分類區(qū)的內(nèi)容來(lái)源于通過(guò)BIM技術(shù)所建立的裝配式建筑數(shù)據(jù)庫(kù)。交互內(nèi)容排版區(qū)和交互內(nèi)容編輯區(qū)是基于VR技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的多人異地實(shí)時(shí)交互。

通過(guò)對(duì)平臺(tái)的實(shí)際操作運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了異地人才對(duì)接、異地資源共享、異地技術(shù)同步，降低了裝配式建筑跨區(qū)域協(xié)調(diào)的時(shí)間成本和協(xié)調(diào)成本，達(dá)到了裝配式建筑跨區(qū)域技術(shù)共享和跨區(qū)域人才共用的目的。運(yùn)行界面如圖8所示。

圖8 裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)界面

本文建立了裝配式建筑模型庫(kù)，以保證交互過(guò)程中快速建模目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。裝配式建筑模型數(shù)據(jù)庫(kù)具體運(yùn)行界面如圖9所示。

圖9 裝配式建筑模型數(shù)據(jù)庫(kù)具體運(yùn)行界面

為實(shí)現(xiàn)便捷高效的遠(yuǎn)程交流，本文設(shè)計(jì)的裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置會(huì)議系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和視頻交流，最大容量為可同時(shí)實(shí)現(xiàn)30人同時(shí)在線交流，內(nèi)置會(huì)議系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 遠(yuǎn)程協(xié)同平臺(tái)內(nèi)置會(huì)議系統(tǒng)界面

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以VR技術(shù)與BIM技術(shù)為核心，構(gòu)建BIM技術(shù)與VR技術(shù)相融合的應(yīng)用及創(chuàng)新模式，搭建裝配式建筑跨域遠(yuǎn)程系統(tǒng)創(chuàng)新平臺(tái)，有助于跨區(qū)域技術(shù)的應(yīng)用和跨區(qū)域人力資源利用。融合BIM和VR技術(shù)有助于完善裝配式建筑技術(shù)體系、健全產(chǎn)業(yè)管理體制、降低成本，解決阻礙裝配式建筑發(fā)展的壁壘，促進(jìn)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，也有助于促進(jìn)裝配式建筑技術(shù)人才的鍛煉與培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入有助于重慶等西南地區(qū)復(fù)雜地形的裝配式建筑技術(shù)驗(yàn)證，促進(jìn)重慶市、西部地區(qū)以及國(guó)內(nèi)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。