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基于c a d识别的施工管理虚拟环境上海师范大学硕士学位论文 摘要 与c a d技术在制造业的发展和c a d / c a e / c a m/ c a p p / p d m高度集成化相比， c a d 技术在建筑领域的发展相当缓慢和落后。目 前c a d技术及其设计结果数据却无法很好 的贯穿建筑工程的各个阶段。 而这些阶段又是紧密联系、 前后一致的， 因此这种情况己 经成为计算机技术在建筑业进一步发展和应用的制约因素之一。 而造成这一现状的主要 原因之一是由于目 前建筑 c a d在设计过程中只是刻划了建筑物在某些平面上的投影信 息， 而不能描述建筑物体的全部的立体几何属性以及其各组成部分的物理属性。 而虚拟 现实技术在很大程度上能够弥补c a d 在刻划建筑物的信息方面的不足。 本文介绍了识别c a d设计结果数据并在此基础上进行三维建模的施工管理虚拟环 境， 提出了一个基于o p e n g l 的从c a d过渡到虚拟现实的 解决方案。 该方案可以 依据 c a d工程设计图中不同的图 元和图元之间的不同的逻辑关系，加以一定的人工干预， 生成各种具有不同几何和结构等属性的构件。 构件在虚拟环境中以 三维实体的方式可视 化， 并且具有良 好的人机交互功能。 该方案作为施工运营阶段的数据来源， 充分利用了 c a d设计结果数据，大大减少了后续阶段的工作量。在该方案的基础上，指定各结构 构件间、 结构构件同施工工序等其他部分的相关物理及逻辑属性， 产生甘特图作为进度 控制手段， 动态的模拟施工过程， 可以实现施工优化控制和相应的资源可视化管理， 实 现建筑工程项目 设计、 施工、 运营维护各阶段在计算机上集成， 为各阶段的实施和衔接 提供有效的联络手段。 关键词: 虚拟现实; c a d识别; 仿真施工; 三维建模;甘特图 ;o p e n g l ; v c + + 基于c a d识别的施工管理虚拟环境上海师范大学硕士学位论文 ab s t r a c t w i t h d e v e l o p m e n t o f c a d t e c h n o l o g y i n m a n u f a c t u r i n g a n d i n t e g r a t i o n o f c a d / c a e / c a m / c a p p / p d m, t h e p r o g r e s s o f c a d a p p l ic a t i o n i n a r c h i t e c t u r e i n d u s t r y i s v e r y s l o w .a t p r e s e n t ,c o m p u t e r t e c h n o l o g i e s h a s n o t w e l l t r a v e r s e d t h e p h a s e s o f a a r c h i t e c t u r e p ro j e c t .b u t t h e s e p h a s e s i s t i g h t l y r e i a t e d , s o t h i s c a s e i s b e i n g o n e o f t h e r e s t r i c t f a c t o r o f c o m p u t e r a p p l ic a t i o n i n a r c h i t e c t u r e i n d u s t ry .o n e o f t h e p r i m a r y r e a s o n w h i c h m a k e s t h i s s t a t u s i s t h a t t h e a r c h i t e c t u r a l c a d o n l y d e s c r ib e s t h e p r o j e c t i o n m e s s a g e s o n s o m e p l a n e s o f b u i l d i n g s . h o w e v e r t h e v r ( v i rt u a l r e a l i t y ) t e c h n o l o g y c a n m a k e u p t h i s i n s u ff i c i e n c y . t h i s p a p e r in t r o d u c e s a v i rt u a l c o n s t r u c t i o n m a n a g e m e n t e n v i ro n m e n t w h i c h c a n r e c o g n i s e c a d d a t a a n d c a n b e 3 d m o d e l i n g b y t h e d a t a .a n d p ro p o s e s a s c h e m e t r a n s i t i o n s c h e m e o f f ro m c a d d a t a t o v i rt u a l r e a l i t y . i t c a n c r e a t e a r c h i t e c t u r e c o m p o n e n t s w h i c h h a v e d if f e r e n t g e o m e t r i c a l a n d s tr u c t u r a l a t t r i b u t e b a s e d o n d i ff e r e n t e l e m e n ts a n d d i ff e r e n t r e l a t i o n s h i p s a m o n g t h e m i n c a d g r a p h i c s w i t h s o m e m a n u a l o p e r a t i o n s .t h e c o m p o n e n t s a r e d i s p l a y e d i n a t h r e e - d im e n s i o n a l w a y i n t h e e n v i r o n m e n t .s p e c i f y i n g t h e p h y s i c a l a n d l o g i c a l r e l a t i o n s h i p a m o n g s t r u c t u r e c o m p o n e n t s a n d o t h e r d a t a , a n d s i m u l a t i n g d y n a m i c c o n s t r u c t i o n p r o c e s s c a n o p t i m i z e c o n s t r u c t i o n c o n t r o l a n d v i s u a l l y m a n a g e r e l e v a n t r e s o u r c e s .a n d i t p r o v i d e s a e ff e c t i v e m e a s u r e w h i c h c a n c o n n e c t t h e p h a s e s o f t h e a r c h i t e c h t r e p r o j e c t s . k e y w o r d : v i rt u a l r e a l i t y ; c a d r e c o g n i t i o n ; s i m u l a t i n g c o n s t r u c t io n ; c o n s t r u c t i o n ma n a g e m e n t ; 3 d mo d e l i n g ; g a t t g r a p h i c s ; o p e n g 玖v c + + 基于c a d识别的施工管理虚拟环境上海师范大学硕士学位论文 第一章 前 言 1 . 1 c a d技术的发展历程 在计算机技术进入建筑设计领域之前，建筑师几乎要承担设计过程中的全部工作， 因此一个复杂的建筑物可能 会耗费一个建筑师数十年的精力， 而宏伟的建筑群则需要众 多的建筑师和工匠们几代的辛苦劳作才能得以实现。 而c a d的出 现使得建筑师甩掉了 图板， 把人从繁杂的制图工作中解脱出 来， 以 便腾出更多的时间和精力来投入到产品的 构思、 计算等真正的设计中去。 无疑c a d技术是计算机技术在工程设计、 机械制造等 领域中最有影响的一项高新应用技术。c a d技术的发展和应用使传统的产品设计方法 与生产模式发生了 深刻的 变化，已 经产生、必然继续产生巨 大的社会经济效益。 计算机辅助设计 ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ， 简称c a d ) 技术产生于2 0 世纪5 0 年代后 期发达国家的航空和军事工业中， 作为先进制造技术的重要组成部分， 它是计算机技术 在工程设计、机械制造等领域中最有影响的一项高新应用技术，在1 9 8 9 年被美国国家 工 程 科 学院 为当 代 ( 1 9 6 4 - 1 9 8 9 ) 十项 最 杰出 的 工程技 术 成 就 之 一。 在c a d 软 件发 展 初期， c a d的 含 义 仅仅 是图 板的 替 代品， 即 : 意指c o m p u t e r a i d e d d r a w in g ( o r d r a ft i n g ) 而非 现在我 们经常讨论的c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i 列所包含的 全部内 容。 半个世纪以 来， c a d的发展经历了以 下几个阶段( 1 6 1 . 1 线框几何模型阶段。线框结构的几何模型是在c a d刚刚起步时佰 0 年代末一 6 0 年 代 ) 常 用的 几 何 模型， 它以 线 段、 圆 、 弧 及一些简 单 的曲 线 为 描 述 对象， 利用 产品 形体 的棱边和顶点来表示产品的几何形状。在这个时期，c a d技术的出发点是用三视图来 表达建筑构件或机械零件， 以工程图纸为介质来进行技术交流， 这就是典型的二维计算 机绘图技术。 而对二维软件而言， 线框模型的实现手段较为简单， 便于处理， 具有图形 显示速度快、 容易修改等优点。 因而得到了大量的应用。 然而由于线框模型的固有缺陷， 它只能表达简单的几何信息， 不能有效地表达几何数据间的拓扑关系。 这一时期流行的 软件有a p p l i c o iw , c a d a m, d r a wb a s e等，均基于线框造型。 2 表面几何模型阶段。表面造型是在线框造型的基础上发展起来的，它用有向棱边 围成的部分来描述形体表面， 用形体表面的集合来定义形体。 表面造型的产生应归因于 航空业与汽车业的迅猛发展。 由于飞机及汽车制造中遇到的大量自由曲面问题， 在当时 基于c a d识别的施工管理虚拟环境上海师范大学硕士学位论文 第一章 前 言 1 . 1 c a d技术的发展历程 在计算机技术进入建筑设计领域之前，建筑师几乎要承担设计过程中的全部工作， 因此一个复杂的建筑物可能 会耗费一个建筑师数十年的精力， 而宏伟的建筑群则需要众 多的建筑师和工匠们几代的辛苦劳作才能得以实现。 而c a d的出 现使得建筑师甩掉了 图板， 把人从繁杂的制图工作中解脱出 来， 以 便腾出更多的时间和精力来投入到产品的 构思、 计算等真正的设计中去。 无疑c a d技术是计算机技术在工程设计、 机械制造等 领域中最有影响的一项高新应用技术。c a d技术的发展和应用使传统的产品设计方法 与生产模式发生了 深刻的 变化，已 经产生、必然继续产生巨 大的社会经济效益。 计算机辅助设计 ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ， 简称c a d ) 技术产生于2 0 世纪5 0 年代后 期发达国家的航空和军事工业中， 作为先进制造技术的重要组成部分， 它是计算机技术 在工程设计、机械制造等领域中最有影响的一项高新应用技术，在1 9 8 9 年被美国国家 工 程 科 学院 为当 代 ( 1 9 6 4 - 1 9 8 9 ) 十项 最 杰出 的 工程技 术 成 就 之 一。 在c a d 软 件发 展 初期， c a d的 含 义 仅仅 是图 板的 替 代品， 即 : 意指c o m p u t e r a i d e d d r a w in g ( o r d r a ft i n g ) 而非 现在我 们经常讨论的c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i 列所包含的 全部内 容。 半个世纪以 来， c a d的发展经历了以 下几个阶段( 1 6 1 . 1 线框几何模型阶段。线框结构的几何模型是在c a d刚刚起步时佰 0 年代末一 6 0 年 代 ) 常 用的 几 何 模型， 它以 线 段、 圆 、 弧 及一些简 单 的曲 线 为 描 述 对象， 利用 产品 形体 的棱边和顶点来表示产品的几何形状。在这个时期，c a d技术的出发点是用三视图来 表达建筑构件或机械零件， 以工程图纸为介质来进行技术交流， 这就是典型的二维计算 机绘图技术。 而对二维软件而言， 线框模型的实现手段较为简单， 便于处理， 具有图形 显示速度快、 容易修改等优点。 因而得到了大量的应用。 然而由于线框模型的固有缺陷， 它只能表达简单的几何信息， 不能有效地表达几何数据间的拓扑关系。 这一时期流行的 软件有a p p l i c o iw , c a d a m, d r a wb a s e等，均基于线框造型。 2 表面几何模型阶段。表面造型是在线框造型的基础上发展起来的，它用有向棱边 围成的部分来描述形体表面， 用形体表面的集合来定义形体。 表面造型的产生应归因于 航空业与汽车业的迅猛发展。 由于飞机及汽车制造中遇到的大量自由曲面问题， 在当时 基于c a d识别的施工管理虚拟环境上海师范大学硕士学位论文 只能用多截面视图和特征纬线的方法来表达， 在制造上依赖于用油泥模型来近视模拟曲 面， 因而人们开始研究新的更先进的描述手段光滑曲面。 由于表面造型比线框造型 增 加了 有关 面 边 ( 环 边 ) 信 息以 及 表面 特征、 棱 边的 连 接 方向 等内 容， 从 而 可以 满 足曲 面 求交、线面消隐、明暗色彩图、数控加工等应用，使在 c a i )阶段建立的模型数据在 c a m ( 计算机辅助制造)阶段可用，表面造型在工程中得到广泛的应用。但由于曲面 模型只能表达形体的表面信息， 对有限元及零件的物性计算等方面无从开展， 满足不了 工程优化设计的需求。 3 实体造型阶段。 随着技术的进步， 计算机辅助工程分析 ( c a e ) 的需求日 益高涨， c a e要求能获得形体的完整信息， 而线框和曲 面模型对形体的表述都不完整， 在此背 景下提出了实体造型技术。 相比线框造型， 实体造型增加了实体存在侧的明 确定义， 给 出了表面间的相互关系等拓扑信息。因而能够精确表达零件的全部属性，有助于统一 c a d , c a m, c a e的模型表达，在设计和加工上可以减少数据的损失， 保持数据的完 整性。 4 特征造型阶段。 8 0 年代后期， c i m s 技术得到了 长足发展， 这就要求传统的造型系 统除了 满足自 身信息的完备性之外， 还必须为其他系统， 如c a p p , p d m, e r p , c a m等 提供反映设计人员意图的非几何信息， 如公差、 材料等. 前面的三种造型方法， 都是从 几何的角度出发，而对于非几何信息， 如尺寸、材料、 公差、 工艺、成本等， 则没有反 映， 因而实体的信息是不完整的。在这种需求的推动下， 出 现了 特征造型技术。 特征指的 是反映产品零件特点的、 可按一定原则加以分类的产品描述信息。 将特征引入几何造型 系统的目的是增加几何实体的工程意义，为各种工程应用提供更丰富的信息. 基于特征 的造型把特征作为零件定义的基本单元， 将零件描述为特征的集合。 5 参数化技术阶段。 统计表明， 在新产品的 研制过程中 ， 约7 0 % - 8 0 % 的 成本耗费于 设计阶段。 从人工智能学的角度看，设计问题是约束满足问，即给定功能、结构、 材料 及制造等方面的约束描述， 求得设计对象的细节。 因而采用参数化设计将大大降 低成本， 满足企业参与激烈竟争的要求。 它的主要特点之一是全数据相关: 整个系统建立在统一 的数据库上，具有完整而统一的模型，能将整个设计至生产过程集成在一起。 6 变量化技术阶段.它允许尺寸欠约束的存在，设计者可以 采用先形状后尺寸的设 计方式，将满足设计要求的几何形状放在，第一位而暂不用考虑尺寸细节， 设计过程相 对宽松。 变量化设计可以用于公差分析、 运动机构协调、 设计优化、 初步方案设计选型 基于c a d识别的施工管理虚拟环峨 上海师范大学硕士学位论文 等。 变量化技术既保持了参数化技术的原有优点， 同时又克服了它的一些不足之处， 为 c a d技术的发展提供了更大的空间。 1 . 2 c a d技术在建筑业的应用现状 综观c a ) 技术的发展历程， 我们可以 看出 居于c a d技术理论核心的建模技术的每 一次重大进展，都会带来c a d技术的重大进步。随着互连网的普及，在网 络环境下支 持协同设计、 异 地设计 和 信息共享， 集成 化 ( i n t e g r a t e d ) 、 智能化 ( i n t e l l i g e n t ) 、 协同 化 ( c o l la b o r a t iv e ) 无 疑 成 为c a d 技 术 新的 发 展方向 2 1 6 1 但是我们可以看到， c a d技术特别是其技术理论核心建模技术的发展目 前主要集 中于制造业之中， 而且c a d / c a e / c a m/ c a p p / p d m的有机结合， 使得制造业找到了一 条能够真正集成化地管理产品数据和过程的路， 提高了企业市场竞争能力。 相对制造业 而言，c a d技术在建筑业的发展却是非常缓慢和落后， 近十年来在该领域占 据市场主 导地位的一直是 a u t o d e s k 公司的二维绘图软件a u t o c a d系列12 2 1 而造成目 前这种现状的主要原因之一， 是二维设计这种思维方法具有传统性。 二维 设计软件就是在传统的已 深入人心的二维设计思维方法基础上开发研制的。 传统的二维 图纸多少年来一直是建筑师思想的体现， 是工程师之间进行交流的通用语言， 二维设计 软件符合传统的制图习 惯， 其最初的开发目的就是为了甩掉图板，给人提供一种轻松自 如的制图环境， 把人从繁杂的制图 工作中 解脱出来， 以 便腾出更多的时间 和精力来投入 到产品的构思、 计算等真正的设计中去。 因为能快出图、 出好图一直是建筑设计人员的 梦想， 而二维设计软件正好提供了这样一个实现梦想的手段， 因此二维设计软件在设计 人员心中有着无可比拟的重要作用。 1 . 3 虚拟现实技术在建筑业的应用现状 由 于目 前二维c a d 软 件在设计过程中只是刻画了建筑物在某些平面上的投影信息， 而不能描述建筑物体的 全部的立体几何属性以 及其各组成部分的物理属性， 或者我们把 这两部分的信息成为建筑物的“ 全息” 。 因而， c a d技术及其设计结果数据无法很好的 贯穿建筑工程的设计、 施工、 运营维护等各个阶段。 而这些阶段又是紧密联系、 前后一 致的，因此这种情况已经成为计算机技术在建筑业进一步发展和应用的制约因素之一。 而虚拟现实技术在很大程度上能够弥补c a d 在刻画建筑物的“ 全息” 方面的不足。 但是， 基于c a d识别的施工管理虚拟环峨 上海师范大学硕士学位论文 等。 变量化技术既保持了参数化技术的原有优点， 同时又克服了它的一些不足之处， 为 c a d技术的发展提供了更大的空间。 1 . 2 c a d技术在建筑业的应用现状 综观c a ) 技术的发展历程， 我们可以 看出 居于c a d技术理论核心的建模技术的每 一次重大进展，都会带来c a d技术的重大进步。随着互连网的普及，在网 络环境下支 持协同设计、 异 地设计 和 信息共享， 集成 化 ( i n t e g r a t e d ) 、 智能化 ( i n t e l l i g e n t ) 、 协同 化 ( c o l la b o r a t iv e ) 无 疑 成 为c a d 技 术 新的 发 展方向 2 1 6 1 但是我们可以看到， c a d技术特别是其技术理论核心建模技术的发展目 前主要集 中于制造业之中， 而且c a d / c a e / c a m/ c a p p / p d m的有机结合， 使得制造业找到了一 条能够真正集成化地管理产品数据和过程的路， 提高了企业市场竞争能力。 相对制造业 而言，c a d技术在建筑业的发展却是非常缓慢和落后， 近十年来在该领域占 据市场主 导地位的一直是 a u t o d e s k 公司的二维绘图软件a u t o c a d系列12 2 1 而造成目 前这种现状的主要原因之一， 是二维设计这种思维方法具有传统性。 二维 设计软件就是在传统的已 深入人心的二维设计思维方法基础上开发研制的。 传统的二维 图纸多少年来一直是建筑师思想的体现， 是工程师之间进行交流的通用语言， 二维设计 软件符合传统的制图习 惯， 其最初的开发目的就是为了甩掉图板，给人提供一种轻松自 如的制图环境， 把人从繁杂的制图 工作中 解脱出来， 以 便腾出更多的时间 和精力来投入 到产品的构思、 计算等真正的设计中去。 因为能快出图、 出好图一直是建筑设计人员的 梦想， 而二维设计软件正好提供了这样一个实现梦想的手段， 因此二维设计软件在设计 人员心中有着无可比拟的重要作用。 1 . 3 虚拟现实技术在建筑业的应用现状 由 于目 前二维c a d 软 件在设计过程中只是刻画了建筑物在某些平面上的投影信息， 而不能描述建筑物体的 全部的立体几何属性以 及其各组成部分的物理属性， 或者我们把 这两部分的信息成为建筑物的“ 全息” 。 因而， c a d技术及其设计结果数据无法很好的 贯穿建筑工程的设计、 施工、 运营维护等各个阶段。 而这些阶段又是紧密联系、 前后一 致的，因此这种情况已经成为计算机技术在建筑业进一步发展和应用的制约因素之一。 而虚拟现实技术在很大程度上能够弥补c a d 在刻画建筑物的“ 全息” 方面的不足。 但是， 基于c a d识别的施工管理虚拟环峨 上海师范大学硕士学位论文 等。 变量化技术既保持了参数化技术的原有优点， 同时又克服了它的一些不足之处， 为 c a d技术的发展提供了更大的空间。 1 . 2 c a d技术在建筑业的应用现状 综观c a ) 技术的发展历程， 我们可以 看出 居于c a d技术理论核心的建模技术的每 一次重大进展，都会带来c a d技术的重大进步。随着互连网的普及，在网 络环境下支 持协同设计、 异 地设计 和 信息共享， 集成 化 ( i n t e g r a t e d ) 、 智能化 ( i n t e l l i g e n t ) 、 协同 化 ( c o l la b o r a t iv e ) 无 疑 成 为c a d 技 术 新的 发 展方向 2 1 6 1 但是我们可以看到， c a d技术特别是其技术理论核心建模技术的发展目 前主要集 中于制造业之中， 而且c a d / c a e / c a m/ c a p p / p d m的有机结合， 使得制造业找到了一 条能够真正集成化地管理产品数据和过程的路， 提高了企业市场竞争能力。 相对制造业 而言，c a d技术在建筑业的发展却是非常缓慢和落后， 近十年来在该领域占 据市场主 导地位的一直是 a u t o d e s k 公司的二维绘图软件a u t o c a d系列12 2 1 而造成目 前这种现状的主要原因之一， 是二维设计这种思维方法具有传统性。 二维 设计软件就是在传统的已 深入人心的二维设计思维方法基础上开发研制的。 传统的二维 图纸多少年来一直是建筑师思想的体现， 是工程师之间进行交流的通用语言， 二维设计 软件符合传统的制图习 惯， 其最初的开发目的就是为了甩掉图板，给人提供一种轻松自 如的制图环境， 把人从繁杂的制图 工作中 解脱出来， 以 便腾出更多的时间 和精力来投入 到产品的构思、 计算等真正的设计中去。 因为能快出图、 出好图一直是建筑设计人员的 梦想， 而二维设计软件正好提供了这样一个实现梦想的手段， 因此二维设计软件在设计 人员心中有着无可比拟的重要作用。 1 . 3 虚拟现实技术在建筑业的应用现状 由 于目 前二维c a d 软 件在设计过程中只是刻画了建筑物在某些平面上的投影信息， 而不能描述建筑物体的 全部的立体几何属性以 及其各组成部分的物理属性， 或者我们把 这两部分的信息成为建筑物的“ 全息” 。 因而， c a d技术及其设计结果数据无法很好的 贯穿建筑工程的设计、 施工、 运营维护等各个阶段。 而这些阶段又是紧密联系、 前后一 致的，因此这种情况已经成为计算机技术在建筑业进一步发展和应用的制约因素之一。 而虚拟现实技术在很大程度上能够弥补c a d 在刻画建筑物的“ 全息” 方面的不足。 但是， 基于c a d识别的施工管理虚拟环境上海师范大学硕士学位论文 虚 拟 现实 技术目 前还 基 本 是 用于 某 些 特殊 建 筑物的 设 计 2 4 1 。 其主 要原 因不 外 乎以 下几 点: 1 现有的虚拟现实技术对于硬件设备要求过高，一般都要求使用高档的s g i 图 像工 作站，其价格十分昂贵。 2 尽管目 前已经有一些建筑的虚拟现实软件出现，但是基本上还是处于用于建筑设 计中“ 漫游” 阶段。 大多数的虚拟现实软件原来都是为航空和汽车制造业设计的， 这些 行业对于精度的要求和复杂程度上都大大高于建筑业，以 至制作的模型数据十分庞大， 实际使用困难。 3目 前的使用虚拟现实技术制作模型的成本太高，阻碍了虚拟现实技术向 低附加值 行业的推广应用. 4 没有一个从二维c a d 数据过渡到三维实体造型， 再到虚拟现实的合理方案。 并且由于建筑领域三维实体造型技术的停滞不前，也阻碍了计算机技术在建筑设 计、 施工、 运营维护各环节的集成。 这与c a i ) 技术在制造业的发展和高度集成化相比， 形成了鲜明的对比。 建筑工程项目的整个生命过程包括设计、施工、运营维护等多个阶段，目 前而言， 计算机技术在建筑工程的各个阶段的应用还相对独立， 例如设计阶段的结果数据无法在 施工阶段进度控制上进行共享。 而这些阶段又是紧密联系、 前后一致的， 因此这种情况 己 经成为计算机技术在建筑业进一步发展和应用的制约因素之一。 系统地考虑整个工程 项目 的生命过程， 把工程项目 各阶段在计算机上集成， 为建筑工程项目 各阶段的实施和 衔接提供有效的联络手段， 无疑成为计算机技术在建筑业领域应用的重要发展方向 1 1 1 1 . 4国内外研究现状分析 把工程项目各阶段在计算机上集成， 为建筑工程项目 各阶段的实施和衔接提供有效 的 联 络手 段， 国内 外 一 些 研究 机 构 和 人员已 经 取得了 一 些 成果 : 美国c a r n e g ie m e l l o n 大学土木工程系， 美国m i t土木工程系， 美国f l o ri d a 大学建筑管理系等院校对此课题 进行了 初步研究11 12 118 119 1 . f is c h e r 等提出了 整合设计 / 管理/ 施工的施工方法的模型 ( c o n s t r u c t io n m e t h o d m o d e l ) ， 将 施 i 个 阶 段 的 数 据 整 合 在 一 个 数 据 模 型中 1 4 1 . m u r r a y 等 研 究 了 基于o p e n g l 建 模的 项目 过 程一 体 化的 虚 拟 环 境 5 6 117 1 ， 它 整 合了 施 工 方 法、 资源信息、 施工计划、 进度安排、 预算， 在该环境允许设计者和施工计划者来计算设计 基于c a d识别的施工管理虚拟环境上海师范大学硕士学位论文 虚 拟 现实 技术目 前还 基 本 是 用于 某 些 特殊 建 筑物的 设 计 2 4 1 。 其主 要原 因不 外 乎以 下几 点: 1 现有的虚拟现实技术对于硬件设备要求过高，一般都要求使用高档的s g i 图 像工 作站，其价格十分昂贵。 2 尽管目 前已经有一些建筑的虚拟现实软件出现，但是基本上还是处于用于建筑设 计中“ 漫游” 阶段。 大多数的虚拟现实软件原来都是为航空和汽车制造业设计的， 这些 行业对于精度的要求和复杂程度上都大大高于建筑业，以 至制作的模型数据十分庞大， 实际使用困难。 3目 前的使用虚拟现实技术制作模型的成本太高，阻碍了虚拟现实技术向 低附加值 行业的推广应用. 4 没有一个从二维c a d 数据过渡到三维实体造型， 再到虚拟现实的合理方案。 并且由于建筑领域三维实体造型技术的停滞不前，也阻碍了计算机技术在建筑设 计、 施工、 运营维护各环节的集成。 这与c a i ) 技术在制造业的发展和高度集成化相比， 形成了鲜明的对比。 建筑工程项目的整个生命过程包括设计、施工、运营维护等多个阶段，目 前而言， 计算机技术在建筑工程的各个阶段的应用还相对独立， 例如设计阶段的结果数据无法在 施工阶段进度控制上进行共享。 而这些阶段又是紧密联系、 前后一致的， 因此这种情况 己 经成为计算机技术在建筑业进一步发展和应用的制约因素之一。 系统地考虑整个工程 项目 的生命过程， 把工程项目 各阶段在计算机上集成， 为建筑工程项目 各阶段的实施和 衔接提供有效的联络手段， 无疑成为计算机技术在建筑业领域应用的重要发展方向 1 1 1 1 . 4国内外研究现状分析 把工程项目各阶段在计算机上集成， 为建筑工程项目 各阶段的实施和衔接提供有效 的 联 络手 段， 国内 外 一 些 研究 机 构 和 人员已 经 取得了 一 些 成果 : 美国c a r n e g ie m e l l o n 大学土木工程系， 美国m i t土木工程系， 美国f l o ri d a 大学建筑管理系等院校对此课题 进行了 初步研究11 12 118 119 1 . f is c h e r 等提出了 整合设计 / 管理/ 施工的施工方法的模型 ( c o n s t r u c t io n m e t h o d m o d e l ) ， 将 施 i 个 阶 段 的 数 据 整 合 在 一 个 数 据 模 型中 1 4 1 . m u r r a y 等 研 究 了 基于o p e n g l 建 模的 项目 过 程一 体 化的 虚 拟 环 境 5 6 117 1 ， 它 整 合了 施 工 方 法、 资源信息、 施工计划、 进度安排、 预算， 在该环境允许设计者和施工计划者来计算设计 基于c a d识别的施工管理虚拟环境 上海师范大学硕士学位论文 的影响和对项目 持续时间和花费的施工方案选择。s h a k e d等将基于知识的专家系统引 入到施工进度控制计划的生成过程， 使得进度控制计划生成过程中得到更少的人工干预 8 - 1 1 1 国内 清华大学土木系的王守 清等首次研究了该课题， 并研制了 基于 混凝土框架结构 的 识 别c a d图 生 成网 络计 划智能 系 统 11 2 -1 5 1 ; 清华 大 学 土 木 工 程 系的 朱 燃等 进 一 步 探 讨 了 工序划分原理， 工序逻辑的约束等问题， 建立了工程项目 管理系统和c a d系统结构 数 据的接口 模型 1 1 7 1 ; 南 京大学的蔡 士杰等研究了 基于 规则的 适应不同 类型工 程图 的 识 别 方法， 在 此基础上自 动 完 成工 程量的统计工作【 1 8 1-2 2 1 ， 并 对现有的 建 筑c a d与 概预算 软件相脱节的缺陷， 提出了 基于通用c a d图 形支撑平台的建筑c a d与概预算一体化实 现方案，对工程量数据信息的自 动提取、工程项目 文档管理进行了 研究。 1 . 5 课题的研究目 标及意义 本课题的主要研究工作包括: 1 提出 一 个有效的 基于o p e n g l的 从c a d过 渡到 虚拟现实的 解决 方 案。 该 方案可 以 依据c a d工程设计图中不同的 二维图元和图元之间的不同的逻辑关系， 加以 一定的 人工干预， 生成各种具有不同几何和结构等属性的构件。 构件在虚拟环境中以三维实体 造型的方式可视化， 可以 对它们进行选取、 修改、 删除等操作， 也可以 对整个视图区域 放大、缩小、 平移、 旋转等，具有良 好的人机交互功能。 这是一次将c a i 技术和虚拟 现实技术融合在一起应用的全新的尝试。 2 将该方案作为施工运营阶段的 数据来源。 这样做将充分利用c a d设计结果数据， 大大减少了后续阶段的工作量。 在该方案的基础上， 指定各结构构件间、 结构构件同施 工工序等其他部分的相关物理及逻辑属性， 产生甘特图作为进度控制手段， 动态的模拟 施工过程， 可以实现施工优化控制和相应的资源可视化管理，实现建筑工程项目 设计、 施工、 运营维护各阶段在计算机上集成， 为各阶段的实施和衔接提供了 有效的联络手段。 1 . 6 论文内容安排 本文共分六章: 第一章介绍了c a d技术的发展历程及在建筑业的应用现状， 分析了限制c a d技术 在建筑业进一步发展的主要瓶颈， 简述了虚拟现实应用在建筑领域所存在的问题。 并探 基于c a d识别的施工管理虚拟环境 上海师范大学硕士学位论文 的影响和对项目 持续时间和花费的施工方案选择。s h a k e d等将基于知识的专家系统引 入到施工进度控制计划的生成过程， 使得进度控制计划生成过程中得到更少的人工干预 8 - 1 1 1 国内 清华大学土木系的王守 清等首次研究了该课题， 并研制了 基于 混凝土框架结构 的 识 别c a d图 生 成网 络计 划智能 系 统 11 2 -1 5 1 ; 清华 大 学 土 木 工 程 系的 朱 燃等 进 一 步 探 讨 了 工序划分原理， 工序逻辑的约束等问题， 建立了工程项目 管理系统和c a d系统结构 数 据的接口 模型 1 1 7 1 ; 南 京大学的蔡 士杰等研究了 基于 规则的 适应不同 类型工 程图 的 识 别 方法， 在 此基础上自 动 完 成工 程量的统计工作【 1 8 1-2 2 1 ， 并 对现有的 建 筑c a d与 概预算 软件相脱节的缺陷， 提出了 基于通用c a d图 形支撑平台的建筑c a d与概预算一体化实 现方案，对工程量数据信息的自 动提取、工程项目 文档管理进行了 研究。 1 . 5 课题的研究目 标及意义 本课题的主要研究工作包括: 1 提出 一 个有效的 基于o p e n g l的 从c a d过 渡到 虚拟现实的 解决 方 案。 该 方案可 以 依据c a d工程设计图中不同的 二维图元和图元之间的不同的逻辑关系， 加以 一定的 人工干预， 生成各种具有不同几何和结构等属性的构件。 构件在虚拟环境中以三维实体 造型的方式可视化， 可以 对它们进行选取、 修改、 删除等操作， 也可以 对整个视图区域 放大、缩小、 平移、 旋转等，具有良 好的人机交互功能。 这是一次将c a i 技术和虚拟 现实技术融合在一起应用的全新的尝试。 2 将该方案作为施工运营阶段的 数据来源。 这样做将充分利用c a d设计结果数据， 大大减少了后续阶段的工作量。 在该方案的基础上， 指定各结构构件间、 结构构件同施 工工序等其他部分的相关物理及逻辑属性， 产生甘特图作为进度控制手段， 动态的模拟 施工过程， 可以实现施工优化控制和相应的资源可视化管理，实现建筑工程项目 设计、 施工、 运营维护各阶段在计算机上集成， 为各阶段的实施和衔接提供了 有效的联络手段。 1 . 6 论文内容安排 本文共分六章: 第一章介绍了c a d技术的发展历程及在建筑业的应用现状， 分析了限制c a d技术 在建筑业进一步发展的主要瓶颈， 简述了虚拟现实应用在建筑领域所存在的问题。 并探 基于c a d识别的施工管理虚拟环境 上海师范大学硕士学位论文 的影响和对项目 持续时间和花费的施工方案选择。s h a k e d等将基于知识的专家系统引 入到施工进度控制计划的生成过程， 使得进度控制计划生成过程中得到更少的人工干预 8 - 1 1 1 国内 清华大学土木系的王守 清等首次研究了该课题， 并研制了 基于 混凝土框架结构 的 识 别c a d图 生 成网 络计 划智能 系 统 11 2 -1 5 1 ; 清华 大 学 土 木 工 程 系的 朱 燃等 进 一 步 探 讨 了 工序划分原理， 工序逻辑的约束等问题， 建立了工程项目 管理系统和c a d系统结构 数 据的接口 模型 1 1 7 1 ; 南 京大学的蔡 士杰等研究了 基于 规则的 适应不同 类型工 程图 的 识 别 方法， 在 此基础上自 动 完 成工 程量的统计工作【 1 8 1-2 2 1 ， 并 对现有的 建 筑c a d与 概预算 软件相脱节的缺陷， 提出了 基于通用c a d图 形支撑平台的建筑c a d与概预算一体化实 现方案，对工程量数据信息的自 动提取、工程项目 文档管理进行了 研究。 1 . 5 课题的研究目 标及意义 本课题的主要研究工作包括: 1 提出 一 个有效的 基于o p e n g l的 从c a d过 渡到 虚拟现实的 解决 方 案。 该 方案可 以 依据c a d工程设计图中不同的 二维图元和图元之间的不同的逻辑关系， 加以 一定的 人工干预， 生成各种具有不同几何和结构等属性的构件。 构件在虚拟环境中以三维实体 造型的方式可视化， 可以 对它们进行选取、 修改、 删除等操作， 也可以 对整个视图区域 放大、缩小、 平移、 旋转等，具有良 好的人机交互功能。 这是一次将c a i 技术和虚拟 现实技术融合在一起应用的全新的尝试。 2 将该方案作为施工运营阶段的 数据来源。 这样做将充分利用c a d设计结果数据， 大大减少了后续阶段的工作量。 在该方案的基础上， 指定各结构构件间、 结构构件同施 工工序等其他部分的相关物理及逻辑属性， 产生甘特图作为进度控制手段， 动态的模拟 施工过程， 可以实现施工优化控制和相应的资源可视化管理，实现建筑工程项目 设计、 施工、 运营维护各阶段在计算机上集成， 为各阶段的实施和衔接提供了 有效的联络手段。 1 . 6 论文内容安排 本文共分六章: 第一章介绍了c a d技术的发展历程及在建筑业的应用现状， 分析了限制c a d技术 在建筑业进一步发展的主要瓶颈， 简述了虚拟现实应用在建筑领域所存在的问题。 并探 荃于c a d识别的施工管理虚拟环境上海师范大学硕士学位论文 讨了本课题的研究内容。 第二章介绍了本系统的总体结构， 根据本课题的特点和具体情况提出了总体设计方 案、系统运行平台以 及软件开发中所使用的一些开发技术。 第三章介绍了广为流行的a u t o c a d工程图d x f 文件的格式， 探讨了持久化二维图 元的 数 据结 构。 并 简 介了o p e n g l 建 模环 境， 以 及 本 课 题 涉 及到 多 个坐 标系 和 这 些 坐 标 系之间的 转换和影 射。 然 后阐 述如何在o p e n g l 建模 环境中 将识别的二维图 元可 视化。 在本章的最后一节介绍了视图文档系统的一个必不可少的功能一 - 人机交互功能的实 现方法。 第四章介绍了 从c a d过渡到虚拟现实的解决方案。分析了基于不同的二维图元和 图元之间不同的逻辑关系而产生的三维实体造型。 简要阐述了三维实体同建筑构件的关 系，并介绍了如何可视化这些三维实体。 第五章介绍了基于解决方案的进度控制管理， 如何将构件信息同工序关联， 以 及利 用甘特图进行控制管理的方法。 第六章对本文作了总结，并展望了基于该过渡方案在建筑施工管理的进一步扩展。 基于c a d识别的施工管理虚拟环境 上海师范大学硕士学位论文 第二章 系统总体架构 2 . 1系统的总体结构设计 根据对整个系统的 分析，图4 - 2 绘制了 系统的总 体结构。 底层用v c 十 十 和o p e n g l 图形库开发出可识别c a d文件、 显示二维图元和三维实体的人机交互环境并生成动态 连接库 ( d l l ) ，然后使用v b访问，进而可以在v b开发的程序中使用该人机交互环 境。由于v b具有快速开发的优势， 将施工进度控制管理等功能置于v b一端，以满足 在施工现场进行调试的需要。 、 . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 进度拎制管即程星讨 一 算 竺价州泣眼 . . . . . . . . . . . . . . . .月 . 】 . . . . . . . . r . 一 一 ” c . 一opengt.d a e ，.-. 卜.口 vc十 十 可视化亡 人0识别 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . - . 图 4 - 2系统总体结构图 2 . 2系统运行平台的选择 操作系统选用m i c r o s o f t 公司的wi n d o w s 视窗操作系统， 它流传广泛、运行稳定， 而且操作非常方便。 目 前wi n d o w s 程序的开发工具