CN109002626A - 一种基于bim技术的空间构件快速仿真布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，确定需要仿真布局的构件模型集合及约束条件集合，通过层次细节算法简化模型构造,简化模型根据组合体约束条件进行验证及模型位移调整完成单元体重组,组合体结构根据空间布局约束、模型构造简化规则、构件组合体约束、构件布局误差阙值、运动规划路径进行空间仿真布局模拟，最后出具构件模型集合空间仿真布局结果及报告。本发明通过整套系统及方法提高工业制造领域仓储、运输精度和效率，同时具有操作简单，计算快速等优点，非常适合不规则、非常规构件的仓储及物流规划作业，通过智能化的手段改造传统行业缺陷，具有较好的推广应用前景和价值。

Description

一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法

技术领域

本发明涉及工业制造领域、BIM技术、碰撞检测技术、计算机仿真模拟技术，具体涉及一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法。

背景技术

随着我国经济和现代企业的的飞速发展，工业仓储、物流费的不断提升， 提高仓储空间利用率，最大限度的利用运输空间已经成为管理者和仓储物流中心努力改善的重要课题。

BIM 是Building Information Modeling 的缩写，即建筑信息模型，是将建筑结构的几何信息和非几何信息融合在三维可视化数字模型中，供建筑全生命周期应用。

空间内构件快速仿真布局的关键在于如何通过简单合理的运算对所需布局的构件进行快速的空间位移，以使在满足空间物体稳定性的基础上利用率达到最高。将三维可视化BIM技术、碰撞检测技术与计算机技术相结合，可以实现有限三维空间内构件快速仿真布局。鉴于此本申请提出一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法和系统，为工业制造领域仓储、运输提供快速实时的系统解决方案。

发明内容

本发明公开了一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，将三维可视化BIM技术、碰撞检测技术与计算机技术相结合，通过单元体、单元体重组布局、组合体仿真布局的方式，优化算法结构，实现空间构件快速仿真布局，通过整套系统及方法提高工业制造领域仓储、运输精度和效率。

为达到上述目的，本发明具体技术方案如下：一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，包括数据录入模块、模型重组模块、仿真布局模块、反馈输出模块；

第一步：创建需要在空间内进行布局的构件三维模型集合，在BIM模型中标注构件布局优先级，即形成仿真布局作用集合及确定构件布局顺序。确定空间布局约束、模型构造简化规则、构件组合体约束、构件布局误差阙值、运动规划路径。

第二步：通过确定的模型构造简化规则简化模型，采用八叉树的顶点聚类操作的层次细节算法，简化待空间布局仿真模拟的构件模型集，绘制模型集合。

第三步：将绘制完成的模型集合元素进行单元体重组，一个单元体为一个固定的构件实体模型，构件实体模型按照构件布局顺序相近（布局物理空间位置前后相近）原则、相同构件优先重组、满足构件组合体约束Z_X（{X|X∈Z_X}）原则进行1，2，4依次递增2^N数量的单元体循环重组，即一轮重组为编号1,2重组为X₁₁、3,4重组X₁₂，5,6重组X₁₃、7.8重组X₁₄以此类推,二轮重组为X₁₁、X₁₂，X₁₃、X₁₄以此类推，直至形成构件组合体结构X，且{X|X∉Z_X}。步骤3每进行一次单元体组合均需验证{X|X∈Z_X}。

第四步：根据构件布局误差阙值Δ，进行组合体结构验证。构件布局误差阙值Δ为构件组合体结构内相邻构件间距临界值，利用碰撞检测技术对给定的两个构件a1，a2碰撞检测函数（a1，a2，Δ）进行冲突检测。当检测结果dist(t1,t2)<(Δ)，构件组合体结构向l₀的方向进行Δ-dist(t1,t2)单位的位移，当dist(t1,t2)>(Δ+Ε),构件组合体结构根据运动规划路径方向-l₀方向dist(t1,t2)- (Δ+Ε) 单位的位移。l₀={( a1，a2)|(x,y,z)max-(x,y,z)min}。重复此过程至检测通过。

第五步：根据仿真布局的运动规划路径L对构件组合体结构X进行仿真布局，以空间结构左下为坐标原点（0,0,0）空间布局约束为坐标顶点Space（X,Y,Z）,确定构件组合体结构X初始坐标点，如运动规划路径为底部中点向左右两边位移，则构件组合体结构X1（x1,y1,z1）的底部中点初始坐标点为(X/2,0,0)，构件组合体结构X2的底部中点的初始坐标点为(X/2+ x1/2+x2/2,y1,0,0)，当∑x_i>Space X，构件组合体结构x_i+1初始底部中点坐标点为(X/2,y1,0) 这样可以根据系统应用场景的不同灵活布局。然后旋转构件组合体结构X1求得与横坐标接触面最大的X1放置状态为最终布局状态，以保证空间结构的稳定性，最后通过确定的空间布局约束Space（X,Y,Z），限定目标构件P位移的边界值，即P (x,y,z)max <Space（X,Y,Z），如构件组合体内包含运动规划路径l,则优先按构件组合体内构件运动规划路径l进行仿真布局。

第六步：根据构件布局误差阙值Δ、空间布局约束Space，进行模型布局仿真验证。构件布局误差阙值Δ为相邻构件组合体结构X间距临界值，利用碰撞检测技术对给定的两个构件组合体结构X1，X2碰撞检测函数（X1，X2，Δ）进行冲突检测。当检测结果dist(t1,t2)<(Δ)，构件组合体结构根据运动规划路径方向L进行Δ-dist(t1,t2)单位的位移，当dist(t1,t2)>(Δ+Ε),构件组合体结构根据运动规划路径方向-L方向dist(t1,t2)- (Δ+Ε)单位的位移。重复此过程至检测通过得到目标元素的实际坐标位置P(x,y,z)。检测空间内结构的稳定性。

第七步：构件空间仿真布局结果以模型及布置图形式显示于显示器和移动终端设备，通过系统直接生成构件空间仿真布局报告，指导工厂、车间等进行构件的仓储、运输布局。

本发明在工业工程仓储物流领域的应用具有显著效益,具体如下:

1.仿真模拟效率高：构件实体模型按照构件布局顺序相近的原则（布局顺序前后相近）进行1，2，4依次递增2^N数量的单元体循环重组，并对组合体结构实时仿真布局。通过优化布局算法，减少模型碰撞检查、仿真布局位移次数及范围，减少计算机资源消耗，提升空间仿真模拟效率。

2.仿真布局结构稳定：通过对组合体结构模型旋转操作，确定组合体稳定结构，保证布局空间内的物理稳定性。

3.智能检测准确定高，通过计算机算法准确控制布局误差阙值，避免人员操作错误带来的构件重复调运及返工，大幅提升了空间利用率，节省经营成本。

4.可视化易操作，空间仿真布局以三维模型及布置图形式展示，结果直观；并可对仿真结果通过三维模型进行二次优化调整，降低了仓储、物流配送人员的技术要求，易操作，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的操作流程图；

图2为为本发明的系统流程图；

图3为本发明的运动规划路径示意图。

其中：（a）左向右上方位移，（b）右向左上方位移，（c）左向上位移，（d）右向上位移，（e）底部中点向左右两边位移，（f）中向左上位移，（g）中向右上位移，（g）中向上位移；图中浅色阴影均为位移首要作用域示意。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，在数据录入模块需要导入待空间布局仿真模拟的构件模型集，并确定空间布局约束、模型构造简化规则、构件组合体约束、构件布局误差阙值、运动规划路径（包含特殊要求构件运动规划路径）。

如图2所示，一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，它包括如下步骤：

步骤1：通过确定的模型构造简化规则，简化待空间布局仿真模拟的构件模型集，绘制模型集合；

步骤2：将绘制完成的模型集合元素按照构件布局顺序相近（布局顺序前后相近）原则、相同构件优先重组、满足构件组合体约束Z_X（{X|X∈Z_X}）原则进行单元体重组，形成构件组合体结构X，且{X|X∈Z_X}。

步骤3：根据构件布局误差阙值Δ、构件组合体约束Z_X，利用碰撞检测技术进行组合体结构X验证,并对验证不通过的组合体按构件组合体结构根据运动规划路径方向l₀={( a1，a2)|(x,y,z)max-(x,y,z)min}进行位移，重复此过程至检测通过。

步骤4：根据仿真布局的运动规划路径L对构件组合体结构X进行仿真布局，并通后旋转构件组合体结构X1求得与横坐标接触面最大的X1放置状态为最终布局状态，以保证空间结构的稳定性，最后通过确定的空间布局约束Space（X,Y,Z），限定目标构件P位移的边界值，即P (x,y,z)max < Space（X,Y,Z）。如构件组合体内包含运动规划路径l,则优先按构件组合体内构件运动规划路径l进行仿真布局。

步骤5：根据构件布局误差阙值Δ、空间布局约束Space，进行模型布局仿真验证，通过此过程得到目标元素的实际坐标位置P(x,y,z)。

步骤6：构件空间仿真布局结果以模型及布置图形式显示于显示器和移动终端设备，选择是否进行手动布局调整，并将最后的仿真布局结果输出,生成空间仿真布局模型及报告。

综上，本发明的一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法和系统，依托BIM模型技术、单元体重组快速布局方法、碰撞检测方法、对空间内元素进行快速仿真布局定位，大幅度提高车间、工厂仓储及运输的空间利用率、精度及效率，降低运营成本，同时具有操作简单，计算快速等优点，非常适合不规则、非常规构件的仓储及物流规划作业，通过智能化的手段改造传统行业缺陷，具有较好的推广应用前景和价值。

以上实施案例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，本领域的技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者替换，只要不脱离本发明技术方案的核心理念和技术范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，其特征在于，包括数据录入模块、模型重组模块、仿真布局模块、反馈输出模块；其具体过程包括以下步骤：

步骤1：在数据录入模块需要导入待空间布局仿真模拟的构件模型集，并确定空间布局约束、模型构造简化规则、构件组合体约束、构件布局误差阙值、运动规划路径；

步骤2：通过确定的模型构造简化规则，简化待空间布局仿真模拟的构件模型集，绘制模型集合；

步骤3：将绘制完成的模型集合元素按照构件布局顺序相近的原则进行单元体重组，形成构件组合体结构X，且{X|X∈Z_X}；

步骤4：根据构件布局误差阙值Δ、构件组合体约束Z_X，利用碰撞检测技术进行组合体结构X验证及位移；

步骤5：根据仿真布局的运动规划路径L对构件组合体结构X进行仿真布局，限定目标构件P位移的边界值，即P (x,y,z)max < Space（X,Y,Z）；

步骤6：根据构件布局误差阙值Δ、空间布局约束Space，进行模型布局仿真验证，通过此过程得到目标元素的实际坐标位置P(x,y,z)；

步骤7：构件空间仿真布局结果以三维模型及布置图形式显示于显示器和移动终端设备，选择是否进行手动布局调整，并将最后的仿真布局结果输出,生成空间仿真布局模型及报告。

2.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，

其特征在于：所述运动规划路径根据仿真布局应用场景的不同设置左向右上方位移、右向左上方位移、左向上位移、右向上位移、底部中点向左右两边位移。

3.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，所述步骤2：简化模型采用八叉树的顶点聚类操作的层次细节算法，根据确定的模型构造简化系数值进行模型简化，简化模型为后续操作的模型基础。

4.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，所述步骤3：一个单元体为一个固定的构件实体模型，构件实体模型按照构件布局顺序相近原则、相同构件优先重组、满足构件组合体约束Z_X原则进行1，2，4依次递增2^N数量的单元体循环重组；进行一次单元体组合均需验证{X|X∈Z_X}。

5.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，其特征在于：所述步骤4，构件布局误差阙值Δ为构件组合体结构内相邻构件间距临界值，利用碰撞检测技术对给定的两个构件a1，a2碰撞检测函数（a1，a2，Δ）进行冲突检测。

6.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，其特征在于：所述步骤5，以空间结构左下为坐标原点（0,0,0）空间布局约束为坐标顶点Space（X,Y,Z）,根据选定的运动规划路径确定构件组合体结构X初始坐标点及其他单元体、组合体模型位移的方向。

7.根据权利要求6所述的一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，其特征在于：组合体完成初步空间位移后，通过组合体模型旋转求得构件组合体结构X1与横坐标接触面最大的X1放置状态为最终布局状态，保证空间结构的稳定性。

8.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，其特征在于：所述步骤6，通过确定的空间布局约束Space（X,Y,Z），限定目标构件P位移的边界值，即P(x,y,z)max < Space（X,Y,Z）。

9.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，其特征在于：利用碰撞检测技术对给定的两个构件组合体结构X1，X2碰撞检测函数（X1，X2，Δ）进行冲突检测；当检测结果dist(t1,t2)<(Δ)，构件组合体结构根据运动规划路径方向L进行Δ-dist(t1,t2)单位的位移，当dist(t1,t2)>(Δ+Ε),构件组合体结构根据运动规划路径方向-L方向dist(t1,t2)- (Δ+Ε) 单位的位移；重复此过程至检测通过得到目标元素的实际坐标位置P(x,y,z) ；如构件组合体内包含运动规划路径l,则优先按构件组合体内构件运动规划路径l进行仿真布局。

10.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的空间构件快速仿真布局方法，其特征在于：系统完成空间布局仿真，可选择是否进行手动仿真布局调整，手动仿真布局调整可通过模型旋转、拖拽、平移、缩放等操作完成。