CN114818072A - 基于物理仿真系统的虚拟建造方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物理仿真系统的虚拟建造方法及存储介质，该方法利用BIM常用正向设计建模软件进行设计模型搭建，并结合基于USD开源文件的Omniverse平台进行虚拟建造相关设置与模拟计算，形成模拟报告等，为项目设计与施工优化提供数据参考与依据，充分利用BIM技术所带来的数字化成果，缩短施工周期、降低无效重复施工量并提高施工效率，实现节能减排的效果，为完成“双碳”目标贡献提供一条有效途径。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程信息技术领域，具体涉及一种基于物理仿真系统的虚拟建造方法及存储介质。
背景技术
数字化改革已成为建筑工程行业的必然发展趋势。建筑业发展规划明确了加快智能建造与新型建筑工业化协同发展的方向，而BIM是其中一种极其重要的支撑性技术。BIM主要以三维空间设计为基础，高度集成三维模型、应用材料以及相关副属性信息等内容，为建筑工程提供数字化的全生命周期基础数据与扩展应用功能。
现阶段，BIM在全生命周期应用过程中的应用主要分为正向设计、三维辅助施工以及后期运营维护三大阶段。其中在正向设计与三维辅助施工阶段中，BIM技术主要应用于全专业三维模型设计，实现减少静态状况下的土建、机电管综碰撞等问题，从而减少无效施工变更次数，达到降低项目成本、提高生产质量的目的。但建造过程是一个动态过程，尤其在医院、写字楼等大型复杂项目中，其建造动态过程往往会遇到设备尺寸与门洞尺寸冲突等类似问题，需要通过拆除已建成门洞完成设备的搬运，再将其进行复原，造成无效重复施工，增加了项目隐性成本。因此，需要为类似的动态碰撞问题提供一个解决方案。
动态过程的模拟也被称为虚拟建造，现阶段主要通过3dmax、Fuzor、lumion以及Navisworks等软件进行可视化展示。目前在建筑行业中的运用主要是对建造过程进行动画展示，以便于多方沟通。然而，现有的这种虚拟建造技术缺乏动态过程中的真实物理碰撞检测，导致实际施工过程中出现前述的类似于设备尺寸与门洞尺寸冲突等问题，使得虚拟建造技术的实际作用远低于预期。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于物理仿真系统的虚拟建造方法及存储介质，实现在设计阶段进行动态碰撞模拟，更加高质高效的利用BIM技术所带来的数字化成果，从而缩短施工周期、降低无效重复施工量并提高施工效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于物理仿真系统的虚拟建造方法，以填补现有虚拟建造技术缺失的真实物理仿真必要功能性，充分利用BIM技术所带来的数字化成果，缩短施工周期、降低无效重复施工量并提高施工效率，促进建筑工程行业实现工业化、数字化以及智能化，为建筑业节能减排，完成“双碳”目标。该方法包括以下步骤：
S1、项目进行BIM三维正向设计，搭建全专业的三维模型；
S2、对步骤S1中的模型进行导出整合至Omniverse平台；
S3、利用Omniverse平台中的材质库或模型自带材质进行模型可视化效果优化；
S4、通过Omniverse平台的Python编译器利用Omniverse平台的PhysX功能，对模型进行批量物理属性的定义；
S5、通过Omniverse平台的Python编译器利用OmniverseKit提供的库，为模型批量赋予产生碰撞后的报警材质与显示在软件界面的警报文字UI，并形成该次模拟的CSV格式文件的模拟报告，用以记录模拟过程中的碰撞事件；
S6、通过Omniverse平台的Python编译器利用OmniverseKit提供的库，编写一个真实计划时间轴，对模型进行批量时间规划；
S7、在步骤S6的基础上对模型建造形式进行分类，如现场现浇加工类、现场加工搬运类以及与装配式安装类等；
S8、根据步骤S7的分类设置不同的模型动态生成属性；
S9、设置模拟时间帧，将步骤S4中设置的真实计划时间轴映射到模拟时间轴中进行虚拟建造模拟，根据需求进行时间帧的调整从而保证模拟速度合适，模拟的观看方式可根据不同介质进行不同方式的观看，例如利用VR设备进行观看等；
S10、步骤S9进行模拟的过程中，如若发生碰撞，该碰撞模型会显示步骤S5中设置的报警材质并在软件界面出现相关警报文字，同时记录至该次模拟的CSV文件格式的模拟报告中；
S11、根据步骤S10中的模拟效果与报告，对步骤S6中的计划进行方案、施工计划的调整与优化，并进行重复迭代模拟，直至模拟报告中无碰撞警报等信息；
S12、完成无碰撞模拟后，可导出虚拟建造模拟视频动画与调整后的详细施工计划，作为设计以及现场施工的参考依据。
其中，Omniverse为Nvidia开发的基于USD格式的开源平台，Python编译器的功能可在Omniverse平台中实现。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有程序代码，其中，在程序代码运行时执行上述的基于物理仿真系统的虚拟建造方法。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
1、适用性高，使用常用BIM正向设计设计建模软件平台进行各专业建模设计降低使用门槛；
2、可控性强，可视化操作界面使得构建逻辑、常量以及变量等参数图像化可读性高，将变量控制最简化，极大的降低了虚拟建造模拟的使用门槛，提高了工作效率；
3、可泛化性强，基于OmniverseKit的工具包能够轻松整合多种自定义变量条件，进行不同类型的数据创建，具有极高的自主性；
4、充分利用现代技术的发展，大力推进“数字孪生”以虚辅实，实现节能减排的效果，为完成“双碳”目标贡献提供一条有效途径。
附图说明
图1为本发明实施例的基于物理仿真系统的虚拟建造方法流程图；
图2为本发明实施例的USD文件导出界面示意图；
图3为本发明实施例的Omniverse材质库示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
鉴于现有虚拟建造技术的功能性缺失，本发明提出了一种基于物理仿真系统的虚拟建造方法，利用开源的USD文件格式以及Omniverse平台，进行多专业多平台的BIM设计模型整合与基于物理仿真的虚拟建造模拟，更加充分的利用BIM技术所带来的数字化成果，从而缩短施工周期、降低无效重复施工量并提高施工效率，实现节能减排的效果。
如图1所示，本发明利用BIM常用正向设计建模软件进行设计模型搭建，并结合基于USD开源文件的Omniverse平台进行虚拟建造相关设置与模拟计算，形成模拟报告等，为项目设计与施工优化提供数据参考与依据，充分利用BIM技术所带来的数字化成果，缩短施工周期、降低无效重复施工量并提高施工效率，实现节能减排的效果，为完成“双碳”目标贡献提供一条有效途径，本实施例的基于物理仿真系统的虚拟建造方法，包括以下步骤：
S1、项目进行BIM三维正向设计，搭建全专业的三维模型。
通过各专业常用BIM正向设计建模软件进行详细的设计模型搭建，例如Revit、Rhino、Sketchup以及ArchiCAD等。
S2、对步骤S1中的模型进行导出整合至Omniverse平台。
基于步骤S1中的BIM正向设计三维模型，如图2所示，通过Omniverse平台提供的接口插件导出各专业模型的USD文件，放置于规范化的可读文件服务器中便于各方进行文件协同；再通过Omniverse平台导入并整合各专业的USD文件，形成初始整合模型。
S3、利用Omniverse平台中的材质库或模型自带材质进行模型可视化效果优化。
由于步骤S2中的初始整合模型通过不同平台导入，初始材质种类可能较为复杂，可视化效果差，不利于模型审查与观看，因此可通过图层批量选择同类材质的模型构件，利用Omniverse平台的自带材质库进行材质优化，如图3所示，或对自带材质进行整合优化，从而提升可视化效果。
S4、通过Omniverse平台的Python编译器利用Omniverse平台的PhysX功能，对模型进行批量物理属性的定义。
对步骤S3中优化后的三维模型赋予物理属性，例如重力、质量、硬度以及弹力等，赋予方式可通过模型构件选取逐个进行物理属性赋予，也可通过编程的形式大批量进行物理属性赋予，再对部分特殊模型构件进行细致微调。
S5、通过Omniverse平台的Python编译器利用OmniverseKit提供的库，为模型批量赋予产生碰撞后的报警材质与显示在软件界面的警报文字UI，并形成该次模拟的CSV格式文件的模拟报告，用以记录模拟过程中的碰撞事件。
步骤S3中为可视化优化的材质为显示效果材质，为了优化模拟过程中的可识别性，因此需要赋予条件性材质，当触发该条件时便激活显示该材质，例如当发生碰撞时，碰撞物则材质显示为高亮红色，用于警示作用，并在软件界面显示报警文字作为提示。
当次的所有模拟警报信息会在模拟过程中形成一个包含构建ID、碰撞时间、碰撞坐标的列表，并在模拟结束后写入和生成一个CSV格式文件，作为模拟报告输出；
S6、通过Omniverse平台的Python编译器利用OmniverseKit提供的库，编写一个真实计划时间轴，对模型进行批量时间规划。
利用OmniverseKit中的UI库，编写一个与真实时间相符合的时间轴，用于设置施工计划，对模型构件赋予时间属性。
S7、在步骤S6的基础上对模型建造形式进行分类，如现场现浇加工类、现场加工搬运类以及与装配式安装类等。
由于建筑工程中有多种类型的构件，分别具有不同的制造、安装方式，因此具有不同的制造以及安装流程，故需要进行分类。
S8、根据步骤S7的分类设置不同的模型动态生成属性。
根据步骤S7的分类不同的类型建造生成方式有所不同，例如现浇墙体与楼板设置为原始位置的z轴方向生长；装配式墙体、大型一体化设备等则需设定根据运输装置的工作规则从场地摆放位置至安装位置的运动路径。
S9、设置模拟时间帧，将步骤S4中设置的真实计划时间轴映射到模拟时间轴中进行虚拟建造模拟，根据需求进行时间帧的调整从而保证模拟速度合适，模拟的观看方式可根据不同介质进行不同方式的观看，例如利用VR设备进行观看等。
S10、步骤S9进行模拟的过程中，如若发生碰撞，该碰撞模型会显示步骤S5中设置的报警材质并在软件界面出现相关警报文字，同时记录至该次模拟的CSV文件格式的模拟报告中。
S11、根据步骤S10中的模拟效果与报告，对步骤S6中的计划进行方案、施工计划的调整与优化，并进行重复迭代模拟，直至模拟报告中无碰撞警报等信息。
S12、完成无碰撞模拟后，可导出虚拟建造模拟视频动画与调整后的详细施工计划，作为设计以及现场施工的参考依据。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有程序代码，其中，在程序代码运行时执行上述的基于物理仿真系统的虚拟建造方法。
本发明实现了基于物理仿真系统的虚拟建造模拟，填补现有虚拟建造技术缺失的真实物理仿真必要功能性，充分利用BIM技术所带来的数字化成果，缩短施工周期、降低无效重复施工量并提高施工效率，促进建筑工程行业实现工业化、数字化以及智能化，为实现建筑业节能减排、完成“双碳”目标，提供了一种新的基于真实物理仿真的“数字孪生”虚拟建造模拟应用解决方案。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于物理仿真系统的虚拟建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、项目进行BIM三维正向设计，搭建全专业的三维模型；
S2、将步骤S1中的模型导出整合至Omniverse平台；
S3、利用Omniverse平台中的材质库或模型自带材质进行模型可视化效果优化；
S4、通过Omniverse平台的Python编译器利用Omniverse平台的PhysX功能，对模型进行物理属性的定义；
S5、通过Omniverse平台的Python编译器利用OmniverseKit提供的库，为模型批量赋予产生碰撞后的报警材质与显示在软件界面的警报文字UI，并形成该次模拟的CSV格式文件的模拟报告，用以记录模拟过程中的碰撞事件；
S6、通过Omniverse平台的Python编译器利用OmniverseKit提供的库，编写一个真实计划时间轴，用于对模型进行批量时间规划；
S7、在步骤S6的基础上对模型建造形式进行分类，包括现场现浇加工类、现场加工搬运类以及与装配式安装类；
S8、根据步骤S7的分类，设置不同的模型动态生成属性；
S9、设置模拟时间帧，将步骤S4中设置的真实计划时间轴映射到模拟时间轴中进行虚拟建造模拟，根据需求进行时间帧的调整从而保证模拟速度合适，模拟的观看方式根据不同介质进行不同方式的观看；
S10、在步骤S9进行模拟的过程中，若发生碰撞，则该碰撞模型会显示步骤S5中设置的报警材质并在软件界面出现相关警报文字，同时记录至该次模拟的CSV文件格式的模拟报告中；
S11、根据步骤S10中的模拟效果与报告，对步骤S6中的计划进行方案、施工计划的调整与优化，并进行重复迭代模拟，直至模拟报告中无碰撞警报信息；
S12、完成无碰撞模拟后，导出虚拟建造模拟视频动画与调整后的详细施工计划，作为设计以及现场施工的参考依据。
2.根据权利要求1所述的基于物理仿真系统的虚拟建造方法，其特征在于，步骤S1通过各专业常用BIM正向设计建模软件进行模型搭建，软件包括Revit、Rhino、Sketchup以及ArchiCAD。
3.根据权利要求1所述的基于物理仿真系统的虚拟建造方法，其特征在于，基于步骤S1中的BIM正向设计三维模型，通过Omniverse平台提供的接口插件导出各专业模型的USD文件，放置于规范化的可读文件服务器中便于各方进行文件协同，再通过Omniverse平台导入并整合各专业的USD文件，形成初始整合模型。
4.根据权利要求1所述的基于物理仿真系统的虚拟建造方法，其特征在于，步骤S4包括：
对步骤S3优化后的三维模型赋予物理属性，包括重力、质量、硬度以及弹力；赋予方式包括：
①通过模型构件逐个选取进行物理属性赋予；
②通过编程的形式大批量进行物理属性赋予，再对部分特殊模型构件进行细致微调。
5.根据权利要求1所述的基于物理仿真系统的虚拟建造方法，其特征在于，当发生碰撞时，碰撞物材质显示为高亮色，用于警示作用，并在软件界面显示报警文字作为提示；
当次的所有模拟警报信息在模拟过程中形成一个包含构建ID、碰撞时间、碰撞坐标的列表，并在模拟结束后写入和生成一个CSV格式文件，作为模拟报告输出。
6.根据权利要求1所述的基于物理仿真系统的虚拟建造方法，其特征在于，步骤S6包括：利用OmniverseKit中的UI库，编写一个与真实时间相符合的时间轴，用于设置施工计划，对模型构件赋予时间属性。
7.根据权利要求1所述的基于物理仿真系统的虚拟建造方法，其特征在于，观看方式包括利用VR设备进行观看。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质中存储有程序代码，其中，在程序代码运行时执行权利要求1至7中任意一项所述的基于物理仿真系统的虚拟建造方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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