一种将虚拟现实技术用于装配式建筑行业的方法

摘要

本发明涉及一种将虚拟现实技术用于装配式建筑行业的方法。首先，制作装配式建筑构件的3D模型，并赋予装配式建筑构件属性信息；其次，通过虚拟现实系统进行装配式建筑构件装配规则的制定；再次，设计人员通过佩戴VR设备，在VR场景中基于上述的装配式建筑构件装配规则进行装配式建筑构件的拼接搭建，生成装配式建筑；最后，对生成的装配式建筑进行合理性验证，若验证成功，则导出装配式建筑构件清单，并基于构件清单信息计算装配式建筑的总质量。本发明基于虚拟现实技术实现装配式建筑设计过程的沉浸式体验，将装配式建筑的设计理念进行精确传递，节约沟通成本，提升沟通效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种将虚拟现实技术用于装配式建筑行业的方法。

背景技术

装配式建筑是指用预制的构件在工地装配而成的建筑，与传统建筑的建造方式相比，其具有可缩短工期、节约人力物力、绿色环保、品质精良等优点。2016年9月14日召开的国务院常务会议，决定大力发展装配式建筑，推动产业结构调整升级。按照推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的要求，大力发展钢结构、混凝土等装配式建筑，具有发展节能环保新产业、提高建筑安全水平、推动化解过剩产能等一举多得之效。

但是，和传统建筑行业一样，装配式建筑发展也存在的两大难点，一是建筑效果未知，即“所见非所得”；二是工程质量控制难，难点在于统筹规划、资源整合、具象化联系和平台构建。

随着建筑行业对计算机应用的深入，计算机在制图、管理、建模、表现、信息存储与查询等各个方面的作用正逐步变得清晰起来。这些逐步清晰的影响叠加在一起，勾勒出一个工作方式的轮廓：以数字化的设计媒体为基础，依靠计算机网络实现信息的交流，以数字信息的交换替代原先图纸的物理交换。虚拟现实技术是计算机软件技术发展的成果，它的出现和在建筑设计领域的应用为建筑设计师提供了更为广阔的设计方法，它改变了设计师的工作方式，设计者可以漫游于虚拟的场景之中或之外来体会对建筑空间的感受，及时对设计做出修改和补充，从而迅速、准确地对比各种设计方案的可行性。

以虚拟现实技术为基础的建筑与室内可视化设计是未来设计研究的新方向，传统的效果图和多媒体表现方式往往脱离了设计本身，过分注重效果的表现和忽略了设计的表达，在透视、光影和材质方面常常偏离现实，导致许多建筑与效果图相差甚远。将虚拟现实技术应用于样板房的展示市场已经相对成熟，基于装配式建筑发展的两大难题，引入VR技术显得意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将虚拟现实技术用于装配式建筑行业的方法，该方法基于虚拟现实技术实现装配式建筑设计过程的沉浸式体验，将装配式建筑的设计理念进行精确传递，节约沟通成本，提升沟通效果。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种将虚拟现实技术用于装配式建筑行业的方法，包括如下步骤，

S1：制作装配式建筑构件的3D模型，并赋予装配式建筑构件属性信息；

S2：通过虚拟现实系统进行装配式建筑构件装配规则的制定，包括：

（1）考虑装配式建筑包含的结构系统、围护系统、内装修系统和设备管线系统中各个系统的装配式建筑构件的装配顺序，以及装配式建筑构件之间的接口连接；

（2）基于碰撞检测机理，设置装配式建筑构件之间的表面吸附功能；

（3）赋予各装配式建筑构件之间的匹配关系，相似构件具备装配设计的防错机制，当出现装配错误时，出现相关的错误提示；

S3：设计人员通过佩戴VR设备，在VR场景中基于步骤S2的装配式建筑构件装配规则进行装配式建筑构件的拼接搭建，生成装配式建筑；

S4：对步骤S3生成的装配式建筑进行合理性验证，若验证成功，则导出装配式建筑构件清单，并基于构件清单信息计算装配式建筑的总质量，具体计算方式如下：

令

式中，表示第i层种类为j的装配式建筑构件的总质量；表示第i层种类为j的装配式建筑构件的质量；表示第i层种类为j的装配式建筑构件的数量；

则，装配式建筑的总质量M：

其中，m为装配式建筑中非构件的总质量。

在本发明一实施例中，所述步骤S1中的构件属性信息包括构件类型、标号、质量的信息，该构件属性信息还能够通过包括maya、3ds max的图形软件制作的fbx模型直接导入。

在本发明一实施例中，所述步骤S4，导出装配式建筑构件清单之前，还需基于装配式建筑构件所在高度赋予装配式建筑构件楼层属性。

在本发明一实施例中，所述步骤S3中的VR设备包括用于实现用户在VR场景中沉浸式体验的VR头盔，及用于动作捕捉或者增强体感的人机可交互装置。

在本发明一实施例中，所述人机可交互装置包括动作捕捉、环境模拟、行走模拟、眼球跟踪、手柄输入、手势识别、语音交互中的一种或者几种。

在本发明一实施例中，所述步骤S4之后，还包括如下步骤，

S5：所述步骤S4导出的装配式建筑构件清单，通过企业内网，与ERP/MES系统进行通信，并将信息存储入装配式建筑设计系统数据中；

S6：在装配式建筑设计系统数据库的构件信息通过后台预设定期自动更新，在产构件信息通过库存管理系统的数据库读取；待产构件信息通过生产管理系统获取，具体来说通过包括生产管理系统相关的制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、工具工装管理、物料管理的综合情况计算出待产构件的生产周期、产量信息；预研构件经可行性研究后能够转换为待产构件；

S7：依托装配式建筑行业的历史工程数据，建立数据的时间、空间、工序维度关系，数据粒度为构件级；以此来合理安排施工管理和物流管理，优化生产管理和库存管理。

在本发明一实施例中，所述方法中的采用的虚拟现实技术还能够采用增强现实技术进行替换，即步骤S2中采用的虚拟现实系统能够采用增强现实系统替换，以及步骤S3中的VR设备能够采用AR设备替换。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、提供三维快速建模，优化装配式建筑展示效果

虚拟现实系统采用游戏级别的引擎进行三维建模，相比传统的3D图形软件、BIM系统等展示效果更加优异；设计完成后，通过使用VR头盔，可提供沉浸式效果体验，将装配式建筑的设计理念进行精确传递，节约沟通成本，提升沟通效果；

2、可交互性

虚拟现实系统具备强大的程序模块，可实现各种复杂的交互功能，使用者体验过程中即可实现装配式建筑的交互设计，将体验与设计相结合；

3、碰撞检查机制，减少返工

利用虚拟现实系统的三维技术在前期可以进行碰撞检查，优化工程设计，减少在建筑施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性，而且优化净空，优化管线排布方案；最后施工人员可以利用碰撞优化后的三维管线方案，进行施工交底、施工模拟，提高施工质量；

4、精确计划，减少浪费

装配式建筑支持基于楼层粒度的构件清单导出，结合建筑工时估算，虚拟现实后台程序可将相关信息实时发送到MES系统和ERP系统，为库存管理，物流管理和车间生产计划提供科学依据；

5、通过建立三维模型，在紧急情况下，譬如火灾发生时，可及时获取建筑物的消防通道、通风系统、给排水信息、以便及时有效地展开救援。通过建立整个装配式建筑小区的管线信息，并对管线进行标记和分类、可确定每根管线的准确位置，使得管线的查找、维修和改造更加方便，避免了以往盲目挖掘可能损坏管线的弊端。

附图说明

图1为本发明虚拟现实技术应用于装配式建筑的开发流程图。

图2为装配式建筑设计系统的信息化平台结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种将虚拟现实技术用于装配式建筑行业的方法，包括如下步骤，

S1：制作装配式建筑构件的3D模型，并赋予装配式建筑构件属性信息；

S2：通过虚拟现实系统（或可采用增强现实系统）进行装配式建筑构件装配规则的制定，包括：

（1）考虑装配式建筑包含的结构系统、围护系统、内装修系统和设备管线系统中各个系统的装配式建筑构件的装配顺序，以及装配式建筑构件之间的接口连接；

（2）基于碰撞检测机理，设置装配式建筑构件之间的表面吸附功能；

（3）赋予各装配式建筑构件之间的匹配关系，相似构件具备装配设计的防错机制，当出现装配错误时，出现相关的错误提示；

S3：设计人员通过佩戴VR设备（或AR设备），在VR场景（或AR场景）中基于步骤S2的装配式建筑构件装配规则进行装配式建筑构件的拼接搭建，生成装配式建筑；

S4：对步骤S3生成的装配式建筑进行合理性验证，若验证成功，则导出装配式建筑构件清单，并基于构件清单信息计算装配式建筑的总质量，具体计算方式如下：

令

式中，表示第i层种类为j的装配式建筑构件的总质量；表示第i层种类为j的装配式建筑构件的质量；表示第i层种类为j的装配式建筑构件的数量；

则，装配式建筑的总质量M：

其中，m为装配式建筑中非构件的总质量；

所述步骤S4之后，还包括如下步骤，

S5：所述步骤S4导出的装配式建筑构件清单，通过企业内网，与ERP/MES系统进行通信，并将信息存储入装配式建筑设计系统数据中；

S6：在装配式建筑设计系统数据库的构件信息通过后台预设定期自动更新，在产构件信息通过库存管理系统的数据库读取；待产构件信息通过生产管理系统获取，具体来说通过包括生产管理系统相关的制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、工具工装管理、物料管理的综合情况计算出待产构件的生产周期、产量信息；预研构件经可行性研究后能够转换为待产构件；

S7：依托装配式建筑行业的历史工程数据，建立数据的时间、空间、工序维度关系，数据粒度为构件级；以此来合理安排施工管理和物流管理，优化生产管理和库存管理。

所述步骤S1中的构件属性信息包括构件类型、标号、质量的信息，该构件属性信息还能够通过包括maya、3ds max的图形软件制作的fbx模型直接导入。

所述步骤S4，导出装配式建筑构件清单之前，还需基于装配式建筑构件所在高度赋予装配式建筑构件楼层属性。

所述步骤S3中的VR设备（或AR设备）包括用于实现用户在VR场景（或AR场景）中沉浸式体验的VR头盔（或AR头盔），及用于动作捕捉或者增强体感的人机可交互装置，所述人机可交互装置包括动作捕捉、环境模拟、行走模拟、眼球跟踪、手柄输入、手势识别、语音交互中的一种或者几种。所述人机可交互装置可通过感光元件、红外线传感器、陀螺仪、加速度传感器、磁力计、麦克风、手柄等输入设备来实现上述功能。

装配式建筑主要包括装配式混凝土结构、装配式钢结构和装配式木结构，其中以装配式混凝体结构最为常见，此处仅以装配式混凝土结构为。讲述本发明的将虚拟现实技术（或可采用增强现实技术等同实现）用于装配式建筑行业的方法，具体实现如下：

如图1所示：

1、方案策划阶段。

在方案策划阶段，需要进行装配式建筑的集成设计，基于集成设计可通过虚拟现实技术将建筑物的整体建筑结构，建成后的装修效果进行整体综合展示，以便方案敲定。虚拟现实系统在后续阶段制作装配式建筑设计时，应遵循建筑集成设计的一般规则，比如：

1）基于装配式混凝土建筑应采用模数和模数协调的要求。

2）预制构件生产和装配应满足模数和模数协调，并考虑制作公差和安装公差对构件组合的影响。

3）预制构件的配筋应进行模数协调，应便于构件的标准化和系列化，还应与构件内的机电设备管线、点位及内装预埋等实现协调。

2、设计阶段

设计阶段具体包括将建筑集成设计进行可落地的分解，包括结构系统设计、围护系统设计、内装修系统设计和设备管线系统设。结构系统设计包括结构分析、预制构件设计与连接、楼盖设计、装配整体式框架结构等；外围护系统设计包括预制混凝土外挂墙板、蒸压加气混凝土板材类系统、现场组装骨架外墙系统、幕墙、门窗系统、屋面系统等；内装设计包括内装部品设计与选型、接口与连接、内装与设备管线等；设备管线系统设计包括排水给水设计、供暖通风、空调以及燃气设计等。

虚拟现实系统需要同步进行如下动作：

1）制作构件3D模型，并赋予构件属性信息，包括但不限定于构件类型、标号、质量等。也可以通过其他的软件如maya,3ds max等图形软件制作好的fbx的模型直接导入到虚拟现实系统。

2）通过虚拟现实系统的程序模块进行构件装配规则制定。

a.需要综合考虑装配式建筑包含的各个系统的装配顺序，各种标准化接口之间的装配规则，包括建筑部品与公共管网系统连接、建筑部品与配管连接、配管与主管网连接、部品之间连接的部位，要求尺寸规格统一、模数协调。

b.基于虚拟现实引擎底层的碰撞检测机理，可通过程序设置基于构件间的表面自动吸附功能，防止人为搭建时构件之间存在间隙，从而导致建成后出现建筑物高度的设计误差。

c.通过后台程序设计，赋予部件、构件自身特定属性、以及与其他部件、构件之间的匹配关系，相似部件、构件具备装配设计的防错机制，当出现明显的装配错误时，出现相关的错误提示；

3）基于装配规则，在VR场景中进行装配式建筑构件的拼接搭建，生成和方案策划阶段想要的建筑效果。

4）装配式建筑建成以后，需要进行合理性检查、验证，若合格可导出构件清单。基于高度赋予部件、构件、部品楼层属性（如距离基准面3米高度以下的为第一层，3-6米的为第二层，以此类推...），构件清单包括构件类型、构件标号、构件数量等信息。基于构件信息计算总体建筑物的总质量，为预制钢筋混凝土方桩提供依据。由于所处楼层的不同，导致各个楼层的承重不相同。装配式建筑的承重结构在设计时候采用的标号和数量也可能不相同。

令

式中，表示第i层种类为j的装配式建筑构件的总质量；表示第i层种类为j的装配式建筑构件的质量；表示第i层种类为j的装配式建筑构件的数量；

则，装配式建筑的总质量M：

其中，m为装配式建筑中非构件的总质量；

3、施工阶段

基于虚拟现实系统三维可视化的特征，在虚拟现实系统装配过程中，通过对建筑模型截图、录制视频、三维旋转缩放等方式，配合文字注释，语音解说等方式，输出装配式作业的施工SOP（标准作业程序），对建筑施工方进行施工培训和安装指导。

4、质量验收阶段

基于虚拟现实系统中建成的VR模型，可拆分成装配式建筑的结构系统、围护系统、内装系统、设备管线系统等模块，制定出各大系统各自的验收标准以及其他验收要求，利用VR图形程序技术优势，通过对建筑模型截图、录制视频、三维旋转缩放等方式，配合文字注释，语音解说等方式，输出验收checklist（验收清单）。

如图2所示：

虚拟现实系统不仅在效果展示、可沉浸式体验、强交互性等方面有着不可替代的优势，还可以将虚拟现实系统作为一个管理平台，从设计过程的库存管理、物流管理、生产管理、施工管理等维度，实现装配式企业内部设计、生产、库存、运输、施工安装的信息同步，提高企业运营效率，节约企业运营成本。

1、装配式建筑设计系统内部协同阶段。

1)对装配式建筑的涉及的结构系统、围护系统、内装修系统和设备管线系统进行逐个系统分解，在3ds max/maya等图形工具中制作构件3D模型，导出fbx格式的文件。构件分为在产构件、待产构件、预研构件。其中在产构件为已在之前装配式项目中使用过，有一定量的库存；待产构件为已经完成产品开发设计，可靠性验证等研发工作，具备商用条件，待工程生产线进行生产的构件；预研构件为满足装配式建筑特定供能、需求而临时设计的构件。

2)将生成的fbx文件导入虚拟现实引擎。此处提到的虚拟现实系统使用的引擎包括但不限于Unity 3D、Unreal Engine 4、Quest 3D、CryEngine。在虚拟现实引擎中进行模型简化处理，材质处理，光线调整等工作，提高渲染真实度。

3)在虚拟现实系统中录入构件信息、完成构件之间的装配规则制定。

4）虚拟现实系统配套使用虚拟现实头盔（若采用增强现实系统则采用增强现实头盔），如HTC vive可实现沉浸式体验，激发设计灵感。

VR头显是一种利用头戴式显示器将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。头戴式显示器是最早的虚拟现实显示器，其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。它具备360度全景画面，用户也就是主角可以身临其境，通过声音、全面影响感受气氛和氛围，空间感、距离感都会更有层次。在虚拟的环境中，建立周围场景、结构构件及机械设备等的三维模型，形成基于计算机的具有一定功能的仿真系统，让系统中的模型具有动态性能，并对系统中的模型进行虚拟装配，根据虚拟装配的结果，在人机交互的可视化环境中对施工方案进行修改。

5）在虚拟现实系统中完成装配式建筑的人机可交互性设计，实现部件、构件、部品等可移动、增减、旋转、复制等功能。人机交互装置是系统的一类输入设备，能够通过感光原件、红外线、陀螺仪、加速度传感器、磁力计等各类传感器，对可见光、红外线、角动量、加速度等进行实时检测，捕获受训者身体某些部位的动作,如受训者的头、手、眼球等身体部位的移动、转动等，进一步将捕捉到的信息传入设计系统的软件进行处理。为装配式建筑的设计工作提供更加友好的设计界面，更能激发设计灵感。具体来说，可应用于装配式建筑行业的主要有以下几种：

a.动作捕捉

通过在人体骨骼关节处布置传感器获取具体关节的三维运动情况，以诺亦腾公司的Perception Neuron产品为例进行说明：Neuron动捕系统是基于MEMS惯性传感器的动作捕捉系统：子节点模块体积比硬币还小，集成了加速度计、陀螺仪以及磁力计的惯性测量传感器节点。Neuron传感器节点以60/120 fps的速度向外输出数据。所有传感器的数据都会汇入到Hub主节点之上，然后Hub主节点会将数据以USB有线或者WIFI无线的方式传输到计算机。

通过这套动作捕捉系统，就可以实时捕获设计师的肢体动作，虚拟现实系统的程序模块可根据装配式建筑的设计工作习惯进行动作设计，比如可以通过抓取动作进行构件的选中和移动，松手动作进行构件的位置确定，在虚拟现实系统中设置垃圾桶，将构件抓取至垃圾桶并松开进行构件的删除等。

b.环境模拟

通过现实中的环境改变装置来模拟虚拟现实系统中的环境参数，如通风情况。在虚拟现实系统中通过程序模块建立风速风向模型，在系统内设定装配式建筑入风口的风速风向后，通过建筑内部的障碍物削弱后，风速方向均会发生改变，设计师可漫游于各个房间，感受风向的改变，以使得通风设计更为合理。在体验者所在的区域周边设置风扇，通过后台的程序模块控制哪些风扇的停和转，以及风速的大小来模拟设计师在虚拟现实系统的风速真实情况。

c.行走模拟

设计师在真实环境中的行走会受到定位装置能够覆盖区域的限制，以及场地大小的限制。可以通过诸如万向跑步机这样的装置来模拟设计过程中的行走。全向跑步机是一个输入设备，其与地面是固定的，受训者在上面可以超任意方向运动，全向跑步机能够将受训者的移动方向、速度等信息输入培训系统，同时将受训者移动到原位置，相关产品如：Virtuix，Cyberith。

d.眼球跟踪

对于人眼位置的检测，能够为当前所处视角提供最佳的3D效果，使VR头盔显呈现出的图像更自然，延迟更小，这都能大大增加实用性以及呈现在设计师眼前画面的真实性。同时，由于眼球追踪技术可以获知人眼的真实注视点，从而得到虚拟物体上视点位置的景深。e.手柄输入

通过和VR头盔配套使用的手柄上各种按钮实现各种交互功能。如HTC VIVE的手柄可实现模块化建筑构件的选择、移动、删除等基本设计动作。

f.手势识别

第一种是使用光学跟踪，比如Leap Motion和NimbleVR这样的深度传感器，第二种是将传感器戴在手上的数据手套。光学跟踪使用门槛低，场景灵活，用户不需要在手上穿脱设备，可在一体化移动VR头显上直接集成光学手部跟踪用作移动场景的交互方式。数据手套，一般在手套上集成了惯性传感器来跟踪用户的手指乃至整个手臂的运动，它的优势在于没有视场限制，而且完全可以在设备上集成反馈机制（比如震动，按钮和触摸）。可以通过手势识别技术，将手势和装配式建筑的设计工作中的动作进行一一匹配关联，使得设计更加自然、便捷。

g.语音交互

通过头盔上的麦克或者其他输入设备进行语音采集，当采集设计师的语音信息后，通过虚拟现实系统将声音信息的发送至智能语音云平台(如讯飞)，智能语音云平台将声音信号还原成文字，再将文字送至虚拟现实系统所在主机，虚拟现实系统通过后台程序设计将文字信号和具体动作进行关联，从而替代鼠标的部分或全部选择功能。比如设计师在进行场景设计师说出“请显示XX构件信息”虚拟现实系统可直接将该构件显示给设计师，省去构件的查找动作。

6）基于VR头显可沉浸式体验、丰富的人机可交互性设计方式，利用虚拟现实系统内已有的构件信息、装配规则完成装配式建筑的VR效果图。

2、装配式建筑设计系统平台建设阶段

ERP (企业资源计划)系统包括以下主要功能供应链管理、销售与市场、分销、客户服务、财务管理、制造管理、库存管理、工厂与设备维护、人力资源、报表、MES（制造执行系统)、工作流服务和企业信息系统等;此外，还包括金融投资管理、质量管理、运输管理、项目管理、法规与标准和过程控制等补充功能。MES系统是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统,MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业的制造协同管理平台。

装配式建筑设计系统平台依托虚拟现实术，利用企业内部的ERP/MES系统，通过统筹规划、资源整合、具象化联系和平台构建，提升装配式建筑工程质量。以库存管理、物流管理、生产管理、现场装配施工管理为例进行说明装配式建筑设计系统在企业信息化系统中的作用。具体来说，通过以下方式实现：

a.装配式建筑设计系统利用后台程序接口的开源特性,通过企业内网局域网，与ERP/MES系统进行通信，实现装配式建筑关键信息的实时流动。

b.在装配式建筑设计系统数据库的构件信息(包括在产构件、待产构件、预研构件）通过后台预设定期自动更新，在产构件信息通过库存管理系统的数据库读取；待产构件信息通过生产管理系统获取，具体来说通过生产管理系统相关的制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、工具工装管理、物料管理等综合情况计算出待产构件的生产周期、产量信息；预研构件经可行性研究后可转换为待产构件。

c.在系统中进行装配式建筑设计后，导出的基于楼层级别构件清单。

d.依托装配式建筑行业的历史工程数据，建立数据的时间、空间、工序维度关系，数据粒度为构件级。以此来合理安排施工管理和物流管理，优化生产管理和库存管理。

上述方案，也可采用AR技术（即增强现实技术）来实现，由于VR技术、AR技术的相类似，因此采用AR技术来实现是易于实现的，这里不再进行赘述。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。