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建筑工程可视化施工动画模拟效果

文章出处:责任编辑::人气:-发表时间:2019-05-09 10:47:25【
        本文主要介绍了建筑工程三维模型和虚拟现实表现方面的三维软件------三维施工现场平面设计软件。文章阐述了三维施工现场平面设计软件的功能与特点:该软件依托中国建筑科学研究院自主研发的三维图形平台,具有强大的建模功能,能够快速实现建筑物和施工现场各种实体的参数建模。该软件能够对各种模型进行修改编辑,并可任意更换实体的面材质,还可以快速布置施工现场周围的绿化环境。在动画方面,由于平台具有强大的关键帧技术,因而在此基础上开发出各种类型的施工动画,可以为用户提供快速制作录制动画的功能,并可真实的模拟施工现场的施工情况。[关键词]图形平台、建模、关键帧、材质、渲染。
 
一:开发背景、目的、意义
在新世纪之初,我国工程建设行业正面临着严峻的挑战与难得的发展机遇。党的十五届五中全会提出,要用信息化带动工业化,发挥后发优势,实现生产力的跨越式发展。如何充分利用二十一世纪新的技术资源,加速我国建设施工技术发展,改变我国建设施工领域的落后面貌,增强核心企业竞争力,是摆在我们面前的一项十分急迫任务。而信息技术与建设施工领域的结合不断促进施工技术的发展,施工技术信息化使得建设施工行业迈上一个新台阶。
 
建筑工程可视化施工,就是利用计算机三维成像技术,将施工的构件和工序顺序立体的呈现出来,形成直观的图像,便于复杂工程的施工安排和配合。传统施工过程管理主要通过图标、文字的方式,这种管理方式不仅浪费人力物力,而且不够形象具体,容易失误。随着国内外的建筑行业信息化发展的大趋势,我院也加强了对建筑行业的信息化投入,建筑工程可视化施工可以将网络计划与三维施I现场平面、施工过程模拟结合起来,真实的展现施工现场的施工情况。同时,可以充分利用工程中的大量信息,充分考虑各种工程情况,在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置及相互关系,实验多种施工方法,计算相应工况应力,对施工方案进行优化,从而减少或降低实际工程中可能出现的一些不必要的失误所造成的损失。建筑工程施工计划的可视化,使得可以利用虚拟环境所得到的结果进行预测和决策分析。
施工动画制作技术开发目的是开展3D技术在建筑施工领域应用的研究,形成一系列技术方法、数据标准、技术规范,同时,开发相应的软件系统,保证应用技术的有效实施,为提高施工技术水平、施工质量和施工效率提供技术手段,实现施工过程模拟的信息化、可视化。软件的研究意义是提高我国建筑业信息化,提高我国建筑施工的质量和科技含量,增强我国建筑业在世界建筑行业中的竞争力。

 
二:国内外同类软件开发与应用情况
近年来,国际上,特别是发达国家对“运用信息技术,施工动画制作技术提升建筑业”都给予了高度重视,这已成为世界各国建筑业发展的一大趋势。各国经过理论研究和技术实践,已经进入到推广和应用阶段,并且取得了很好的社会和经济效益。发达国家经验表明,虽然以信息化带动工业化将增加30%的投资,但可以提高产品档次和质量、改善生产环境、降低能源和原材料消耗,从而增加85%的经济效益。现代信息技术的突飞猛进发展,尤其在计算机网络技术的支持下,随着“3S”技术(遥感技术、GIS技术、GPS技术)、虚拟现实技术(VR)技术、大型数据库技术等的发展,在西方发达国家逐渐涌现出许多新的技术与应用范例,特别是仿真与虚拟现实技术的发展受到了高度重视,已开始在大型复杂工程施工中应用。

目前国内运用三维技术来表现建筑施工,还处于初级阶段,很多理论都不成熟,这方面亟需要加强。现今虚拟现实技术应用最多的软件就是3DMAX软件,但此软件使用起来相当复杂,必须是专门的人才能够正常使用:而且3DMAX软件并非专门为建筑行业设计的,对于建筑施I领域建模相当烦琐,前期必然需要投入大量的人力物力构建相关的建筑模型还有该软件价格比较昂贵,不适合国内建筑领域推广使用。而我们对此项技术的研发可以大大减少国内企业对国外软件的依赖,推动我国国产建筑软件方面的发展与创新。经过我们开发团队的多年的努力,三维施工现场平面设计软件已基本成型,现已投入市场试用。该软件吸收了3DMAX软件的优点和长处,并根据建筑施工领域的特点,提供了丰富的建筑实体库和材质库,用户操作得心应手,可以在较短的时间内完成建筑施工项目的可视化三维模型和动画。
三维施工现场平面设计软件的总体框架,利用强大的建模功能构建建筑施工实体模型或模块,在此基础上制作各种施工动画,最后加以渲染录制生成需要的可以播放的动画文件或效果图。
 

三:主要功能和关键技术
1.三维施工平面图设计
 
三维施工平面图是根据已经确定的施工方法、施工进度计划,施工动画效果图将建筑物和设施等通过三维实体的形式形象而逼真地布置在平面图。本软件提供的设计功能主要是采用我所自主研发的三维图形显示平台,在规定的施工区域内生成建筑三维整体结构,建筑物布置、施工现场机械布置,材料堆放,道路、围墙和树木的布置等。三维施工平面图设计包括了三维施工现场平面快速布置、三维真实感渲染、动态光源设置、二维着色表现与图像处理、各种材质贴图等基本模块。不仅结合国内外通用图形平台的优点,还结合平面图设计的特点进行精炼简化,尽量做到操作步骤简单,易学易用。用户可以在较短的时间内完整的布置整个施工现场,并形成三维施工平面图,使得施工现场模拟更真实、更直观。具体包括如下:
 
功能强大的快速建模工具。建模方面采用参数化建模方式,用户给出参数,然后程序调用平台的图形工具快速搭建各种建筑模型。建模过程中可以更换各种材质,使建造实体更形象逼真。用户可快速绘制施工现场场地、道路、围墙、大门、基坑、脚手架、塔吊等上百种施工设施的3D模型。还可以对混凝土搅拌站、工地办公室、加工棚、电线、工地堆放物、施工机械等实体实现快速插入。支持导入PKPM设计软件和概预算软件生成的已有建筑模型,可以表现各施工企业的CI标识。自造建筑功能可帮助用户参数化快速建造建筑楼体,并为其添加门窗、女儿墙或坡屋顶等构件。还包含内容丰富的三维模型库、和施工平面图图库,可允许用户选择和编辑材质。具体方式是通过创建数据库,通过数据库对图片进行操作,编辑材质就是模仿PhotoShop的处理图片的功能,主要是增加在图片上写字的功能。图2是采用三维施工现场平面设计软件绘制的某医院的施工现场平面图。
 
提供了给施工现场绿化的种植功能。可以在施工现场根据绿化要求种植各种树木和花卉,种植方式包括孤植、中心列植、对植列植、单侧列植、矩形片植、品字片植、随机片值。拥有专业的植物彩色图片库,可方便用户更换树种和花卉。 即展示了施工场地绿化后的效果。渲染功能。可即时将设计结果渲染成精美、逼真的三维真实感效果图。它包含调整相机、布置光源、修改材质、纹理贴图等多项功能,操作直观简便,渲染速度快、质量高。软件还提供了可在二维施工图上着色、贴图的二维渲染程序,用于制作各种平面、立面的彩色效果图。

 
2.主要施工过程及复杂施工工艺动画制作
根据建筑行业方面的施工组织过程,我们编写多个单项的动画,包括施工进度动画、路径动画、塔吊吊装动画、履带吊吊装动画、结构施工动画、建筑装修动画,每一个动画都具有快速设置参数的方法,用户只需要简单的点几下鼠标或者通过键盘输入几个参数就可以制作一个想要的动画,此功能大大节省了用户学习3dMax软件所需要的时间,使用本软件可以大大缩短制作动画的成本和时间。同时还提供了动画编辑和拼接的功能,可以比较完整逼真地展现建筑施工全过程。
 
可快速制作动画。平台具有快速录制动画的工具,动画的制作原理是采用当今较为流行而成熟关键帧技术,关键帧技术只需要用户设定少量的实体在关键点的参数,程序会根据用户提供的关键点的参数,运用多种插值算法(样条曲线插值、直线插值等)计算出实体运动轨迹或者属性变化的过程。此种方法不光方便用户设定动画,还可以让用户自由的编辑关键点的动画参数。软件还可以把用户设定的动画录制成各种格式的多媒体文件的功能。文件格式包括目前市场流行的各种多媒体格式,录制时的文件格式可以由用户自由选择,软件平台为用户提供了关键帧动画制作工具栏,用户可以运用动画制作工具条,快速制作机械,车辆等运动的动画,也可以模拟施工机械吊装施工的动画场景。制作编辑动画的方式比3Dmax软件更快捷、易学、好懂。所示,模拟了履带吊吊装实体模块过程的示意图。
 
实景漫游功能。可以使设计场景以任意方位真实地展现在眼前,让设计人员身临其境地感受设计方案。无论是树木、道路、建筑、机械、场地,都能真实地表现出三维效果。保证在各种视角都可体验三维实景的真实感觉。更为高级的功能是,用户还可以随时走到任何位置,动态浏览三维实景,并可以随时点取任一图形进行实时修改。用户可以快速设置相机路径,录制成动画文件,然后播放演示。渲染功能,可即时将设计结果渲染成精美、逼真的三维真实感效果图。它包含调整相机、布置光源、修改材质、纹理贴图等多项功能,操作直观简便,渲染速度快、质量高。软件还提供了可在二维施工图上着色、贴图的二维渲染程序,用于制作各种平面、立面的彩色效果图。
动画拼接功能。本软件不仅可以快速地制作很多建筑施工过程单项动画和一些复杂施工工艺动画,而且还具有动画拼接的功能。各个施工过程的单项动画只能展示某一个施工工艺的情形,动画拼接功能可以将多个施工过程或施工工艺动画根据需求按一定的时间顺序形成一个整体,将整个施工过程,从整体结构的形象进度到具体的吊装过程,以至于某个构件的施工工艺都完整有序的展示出来。动画拼接操作简单,功能强大,易学易用。

 

3.施工方案比较和选取
建筑工程可视化施工还可以在下列方面得到应用:
在建筑施工项目招投标过程中,各施工企业都会准备一套完整的该项目的施工方案和计划安排。本软件采用计算机信息通讯、计算机图形学、图像处理、人机界面、计算机模拟仿真、虚拟现实等多种技术,可以逼真地展现建成后的项目是否与周围环境匹配,以优化规划方案:建立三维虚拟场景,使建筑、结构、设备设计协同进行:通过改变视点和光源设计、修改材质等,方便设计师和顾客沟通和评价处于设计阶段的各种方案;借助于VR浏览器虚拟巡游建筑物各组成部分,从而提高设计效果和设计质量:检验建筑设计的可施工性等。在建筑施工阶段,通过虚拟仿真在施工前对施工全过程或关键过程进行模拟施工,以验证施工方案的可行性或优化施工方案;对重要结构进行计算机模拟试验以分析影响项目的安全因素,达到控制质量和施工安全的目的;可视化施工计划进度和实际形象进度等。

模拟局部施工过程,合理选择施工方案。施工过程中结构吊装,主要包括梁板柱以及一些特殊构件的吊装,一直以来是比较复杂的技术。本软件针对结构吊装过程,通过简单的操作可以迅捷地制作吊装动画,对于各种形式和类型的构件,采用塔吊或者履带吊作为吊装机械,不仅可以比较形象的显示整个吊装过程,更重要的是针对施工现场具体的布置情况,合理地选取构件吊装路径和方式,形成比较准确且可行的吊装方案。而施工现场的碰撞检测更是必须考虑的问题,三位施工现场平面设计软件可以将材料进场、搬.运,设备运行中与场地、构件的碰撞,构件安装过程的避让等真实表现出来,协助技术人员选取合适的方案。这些应用都将大大提高建设项目的实施效果和管理效率,更提高了现场施工的安全性。建筑工程可视化技术可以帮助施工企业发现施工中的问题,同时,还可以帮助施工管理人员寻找、优化和确定解决问题的方法,从而使施工企业避免各种风险。浅谈建筑施工的动画制作
 


4.施工模拟软件的发展展望
随着我国现代化建设的加快,我国建筑业也迎来了快速发展机遇,建筑业的现代化更是推动了建筑动画方面的发展,建筑动画现在已经应用到建筑业的多个领域,大致包括如下几个领域(1)、建筑设计投标,(2)、建筑工程施工,(3)、房地产销售类(4)、项目招商引资,(5)城市规划, (6)、旧城复原。所以有一个好的建筑工程可视化施工软件将会快速的推动建筑行业的发展,现如今我国应用到建筑方面的三维软件主要是采用国外的软件,不光软件成本较高,而且使用起来不易上手,各企业不得不投入大量的人力、物力来提高本企业的在建筑方面的科技含量,增强自身在众对手中的竞争力。三维施工现场平面设计软件的研发正是为了适应建筑市场的需要,满足国内建筑行业中各个建筑企业对三维效果及三维动画表现需求,运用本软件可以快速的制作各个单项施工的动画,各种动画表现手法,不光可以指导施工,还可以在企业招投标工作中加重自己的竞标筹码。随着软件的进一步研发,功能会更完善,操作会更灵活,与实际施工会更接近,真正发挥软件的可视化施工模拟的功能。


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