一文了解BIM相关硬件技术原理与应用

BIM中的数据问题

项目策划与设计阶段，BIM虚拟出项目细节，甲方及终端使用者可更直观判断是否为其所想要项目，甚至可以判断投资额、建造周期等关键决策信息，当然，这是应用成熟后的理想状态。这个过程核心是准确信息的集成，主要依靠政策、标准、经验数据、市场数据、项目环境数据等。

而项目施工阶段，随着人、材、物、设备等生产要素的投入，实际项目不断推进直至最终完成，生产要素不断动态变化，现实项目也不断在变化，现实中关键数据与BIM施工模型中承载的施工计划信息是否一致，虚拟模型可否随着实际项目进展动态调整，这些是施工阶段的核心数据问题。

而到了运维阶段，核心关注点在于建筑是否智能、维护是否方便及时、特有商业或使用功能可否实现，这些运维阶段核心需求的实现都需要相应数据的支撑。

数据的几个核心问题：数据的采集、数据的集成、数据的分析、数据的响应与输出。数据的采集和数据的响应与输出两个环节涉及到特殊技术与软硬件设备，设备发挥价值需要与BIM 数据集成系统进行接口，让数据能顺畅传递。

相关硬件的应用不难，大多事情由硬件厂商和核心软件厂商搞定，但让硬件发挥价值却不容易，原因是硬件操作和使用习惯往往涉及到具体的工作组织与流程中。

特别强调：没有相应硬件技术的配合，BIM与施工现场应用是打不通的，主要是RFID和GIS技术。此处是最有机会开展应用产品创新之处。

1.条形码技术

条码是将线条与空白按照一定的编码规则组合起来的符号，用以代表一定的字母、数字等资料。在进行辨识的时候，是用条码阅读机即（条码扫描器又叫条码扫描枪或条码阅读器）扫描，得到一组反射光信号，此信号经光电转换後变为一组与线条、空白相对应的电子讯号，经解码后还原为相应的文数字，再传入电脑。

条形码可以标出商品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息，广泛应用于商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域的自动识别技术，具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，在当今的自动识别技术中占有重要的地位。现如今条码辨识技术已相当成熟，其读取的错误率约为百万分之一，首读率大于98%，是一种可靠性高、输入快速、准确性高、成本低、应用面广的资料自动收集技术。世界上约有225种以上的一维条码，每种一维条码都有自己的一套编码规格，规定每个字母(可能是文字或数字或文数字)是由几个线条(Bar)及几个空白(Space)组成，以及字母的排列。一般较流行的一维条码有 39码、EAN码、UPC 码、128码，以及专门用于书刊管理的ISBN、ISSN等。

条形码技术的内容

■编码规则与条形码标准

■条形码自动识别硬件技术

■条形码自动识别软件技术

■条形码自动识别系统：包括扫描器、译码器、计算机、打印机、显示器、系统软件、应用软件

■条形码印制技术

2.卡片识别技术

包括磁卡、光卡、IC卡等，其中IC卡是目前发展最迅速的综合性数据识别卡片。

IC卡 (Integrated Circuit Card，集成电路卡)，也称智能卡(Smart card)、智慧卡(Intelligent card)、微电路卡(Microcircuit card)或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中，做成卡片形式。IC卡与读写器之间的通讯方式可以是接触式，也可以是非接触式。根据通讯接口把IC卡分成接触式IC卡、非接触式IC和双界面卡（同时具备接触式与非接触式通讯接口）。

IC卡由于其固有的信息安全、便于携带、比较完善的标准化等优点，在身份认证、银行、电信、公共交通、车场管理等领域正得到越来越多的应用，例如二代身份证，银行的电子钱包，电信的手机SIM卡，公共交通的公交卡、地铁卡，用于收取停车费的停车卡等，都在人们日常生活中扮演重要角色。

 IC卡系统一般由三个部分组成：IC卡卡片、读卡器、应用程序。

3.无线射频识别技术

射频识别，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频的话，一般是微波，1-100GHz，适用于短距离识别通信。

RFID 技术 是一种自动识别技术，美国国防部规定 2005 年 1 月 1 日以后，所有军需物资都要使用 RFID 标签；美国食品与药品管理局（FDA）建议制药商从 2006 年起利用 RFID 跟踪常 造假的药品。Walmart，Metro 零售业应用 RFID 技术等一系列行动更是推动了 RFID 在全 世界的应用热潮。2000 年时，每个 RFID 标签的价格是 1 美元。许多研究者认为 RFID 标 签非常昂贵，只有降低成本才能大规模应用。2005 年时，每个 RFID 标签的价格是 12 美分 左右，现在超高频 RFID 的价格是 10 美分左右。RFID 要大规模应用，一方面是要降低 RFID 标签价格，另一方面要看应用 RFID 之后能否带来增值服务。

将标签附着在一辆正在生产中的汽车，厂方便可以追踪此车在生产线上的进度。仓库可以追踪药品的所在。射频标签也可以附于牲畜与宠物上，方便对牲畜与宠物的积极识别（积极识别意思是防止数只牲畜使用同一个身份）。射频识别的身份识别卡可以使员工得以进入锁住的建筑部分，汽车上的射频应答器也可以用来征收收费路段与停车场的费用。

RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器和很多应答器组成。

应用软件系统 ：是应用层软件，主要是把收集的数据进一步处理，并为人们所使用。

射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。RFID标签可以解决短距离尤其是室内物体的定位，可以弥补GPS等定位系统只能适用于室外大范围的不足。GPS定位、手机定位再加上RFID短距离定位手段与无线通信手段一起可以实现物品位置的全程跟踪与监视。

制约射频识别系统发展的主要问题是不兼容的标准。射频识别系统的主要厂商提供的都是专用系统，导致不同的应用和不同的行业采用不同厂商的频率和协议标准。

4.GIS全球定位系统技术

地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

人员，是GIS中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务，开发处理程序。 熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足，但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的负作用。

数据，精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。

硬件，硬件的性能影响到软件对数据的处理速度，使用是否方便及可能的输出方式。

软件，不仅包含GIS软件，还包括各种数据库，绘图、统计、影像处理及其它程序。

过程，GIS 要求明确定义，一致的方法来生成正确的可验证的结果。

空间分析能力是GIS的主要功能，也是GIS与计算机制图软件相区别的主要特征。空间分析是从空间物体的空间位置、联系等方面去研究空间事物，以及对空间事物做出定量的描述。一般地讲，它只回答What（是什么？）、Where（在哪里？）、How（怎么样？）等问题，但并不（能）回答Why（为什么？）。空间分析需要复杂的数学工具，其中最主要的是空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等，其主要任务是对空间构成进行描述和分析，以达到获取、描述和认知空间数据；理解和解释地理图案的背景过程；空间过程的模拟和预测；调控地理空间上发生的事件等目的。

数据建模能力，如：将湿地地图与在机场、电视台和学校等不同地方记录的降雨量关联起来是很困难的。然而，GIS能够描述地表、地下和大气的二维三维特征。

拓扑建模能力，如：在过去的35年，在湿地边上有没有任何加油站或工厂经营过？有没有任何满足在2英里内且高出湿地的条件的这类设施？GIS可以识别并分析这种在数字化空间数据中的这种空间关系。这些拓扑关系允许进行复杂的空间建模和分析。地理实体间的拓扑关系包括连接（什么和什么相连）、包含（什么在什么之中）、还有邻近（两者之间的远近）。

网络建模能力：例：如果所有在湿地附近的工厂同时向河中排放化学物质，那么排入湿地的污染物的数量要多久就能达到破坏环境的数量？GIS能模拟出污染物沿线性网络(河流)的扩散的路径。诸如坡度、速度限值、管道直径之类的数值可以纳入这个模型使得模拟得更精确。网络建模通常用于交通规划、水文建模和地下管网建模。

5.三维扫描

三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。

三维扫描技术主要应用于以下几个方面:

■逆向工程实训室教学

■逆向工程(RE)/快速成型(RP)

■扫描实物，建立CAD数据；或是扫描模型，建立用于检测部件表面的三维数据。

■对于不能使用三维CAD数据的部件，建立数据。

■竞争对手产品与自己产品的确认与比较，创建数据库。

■使用由RP创建的真实模型，建立和完善产品设计。

■有限元分析的数据捕捉。

■检测(CAT)/CAE

■生产线质量控制和产品元件的形状检测

■ 文物的录入和电子展示

■牙齿及畸齿矫正

■整容及上颌面手术

6.3D打印技术

3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

7.VR技术

VR（Virtual Reality，即虚拟现实，简称VR），是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪80年代初提出的。其具体内涵是：综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中，计算机生成的、可交互的三维环境成为虚拟环境（即Virtual Environment，简称VE）。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

简单的说，虚拟现实就是通过信息技术向用户模拟出体验逼近现实的可交互的虚拟环境的一种技术。

头盔不是VR。看仅是体验的一部分，例如：仅仅3D视频播放不是真正的VR，即使用头盔看也不是VR，那是伪概念！单纯的3D视频播放仅是内容提供商的独舞，用户的参与才是VR的核心！

VR技术：硬件

一般VR系统包含的组成部分：头显、耳机（麦克）、跟踪定位器、操作器、数据传输器及不低于标准要求的主机设备。

显听设备：

■环幕、穹幕、多通道显示设备

■3D立体投影、3D头盔（镜）、耳机

■全息投影

■VR拍摄机

VR制作设备

■三星全景相 Gear 360 也在三星发布会上正式露脸了，Gear 360只有网球大小并且能够拍摄3840×1920分辨率的高清全景视频

互动设备：

■键鼠、麦克、陀螺仪、重力感应器、触摸屏、动感座椅、动感枪、驾驶舱、感应服

■动作捕捉、位置跟踪、语音手势识别（Kinect、OptiTrack、数据手套、Intel ReaSense）

VR的技术：内容

VR的技术：内容(拍摄或渲染) 

VR建筑领域应用1：

VR建筑领域应用2：

VR建筑领域应用3：

8.硬件的集成应用示例 

MES精益制造管理系统又称APS+MES系统（高级排产计划系统+制造执行系统），是根据不同行业的制造流程，可选择性地集合系统管理软件和人机界面设备（PLC触摸屏）、LED生产看板、LCD看板、PDA智能手持终端、工业平板电脑、条码采集器、传感器、I/O、DCS、RFID、工业AP、WIFI等多类硬件的综合智能一体化系统。它由一组共享数据的程序，它能控制物料、仓库、设备、人员、品质、工艺、异常、流程指令和其他设施等工厂资源以提高生产效率。