揣在口袋里的三維建筑模型

陳銘銘

摘 要：本研究針對在應用建筑信息模型進行設計實踐時，不同專業設計人員對于同一問題的理解會存在差異，因而容易引起信息傳達的誤解，降低建筑設計及施工的效率問題，提出了將VR與BIM相結合并實現移動端的應用，從而提高建筑交互的效率，在建筑設計及施工領域應用有著廣泛的前景。本小組研究將BIM中的建筑信息轉移到移動端的VR設備中去，進行一個Revit軟件的二次開發，并且以開發出的軟件進行建筑信息多人交互效率影響的檢測從而驗證此次軟件二次開發的作用與影響。實驗結果表明移動端VR在一定程度上能夠提升建筑信息多人交互的效率和質量。

關鍵詞：BIM模型;移動端;VR

1.課題背景：BIM和VR結合成為主流趨勢

隨著信息化時代的到來，建筑模型信息化也是一種不可扭轉的趨勢。因此BIM軟件興起，相對于傳統的圖紙，BIM能很好的呈現建筑設計和施工中的碰撞點，加強加快了不同的專業人士之間的交互。但是與真實感還是存在一定的差異，且建模文件一般只能在計算機上打開，而不能在移動端打開，這無疑阻礙了建筑信息的交互。在另一方面而隨著科技的進步，虛擬現實已經不僅僅只是一個演示媒體 ，并且開始運用到社會的各個領域，包括醫學、娛樂、航天航空等，然而在建筑領域還是有待研究。比如裝修房屋之前你首先要做的事是對房屋的結構、外形做細致的構思，為了使之定量化，你還需設計許多圖紙，當然這些圖紙只能內行人讀懂，虛擬現實可以把這種構思變成看得見的虛擬物體和環境，可以通過身體方位的變動自動切換視角實現沉浸式的體驗。因此，將兩個熱門的技術結合成為了建筑信息交互中新的發展趨勢。

同濟大學孫澄宇博士面向三維模型的評論分享需求而開發的移動端交流工具“宇信”，它接受常見的OBJ格式，SMP格式模型，除了以不同的方式在三維空間中移動觀察外，還支持語音控制的手機雙目立體漫游，可以很好地理解三維模型的形態特點 。同時，它的用戶可以通過在線交流的方式或離線傳輸的方式對模型的局部或整體進行各種評價，而所有的評價連同他們的觀察位置與視角都可以以二維碼或文本鏈接的形式分享，實現面向三維模型的有效交流。該工具可以用于建筑設計、城市設計、景觀設計、工業設計等行業。然而一般的BIM模型無法導入宇信中，如現在比較熱門的BIM軟件revit。本項目目的是想將BIM模型導出并自動、轉化成為移動端VR可讀的格式，提升模型渲染效果，帶給體驗者更具象化的信息體驗;搭建在線虛擬協同平臺，利用平臺在虛擬環境中實現不同專業人員遠程多人協同設計，提高不同專業人士對于模型的溝通調整效率。

2.虛擬現實技術在建筑行業應用的現狀分析

在國內方面，虛擬現實技術也逐漸開始在建筑、規劃、景觀等方面落地應用。有學者研究了虛擬現實在建筑設計及古建筑保護中的應用方法（朱寧克，鄒越，2008; 肖海平，2013; 何成戰，2013; 齊會娟，李德雄，劉佳，2016）;有學者研究了虛擬現實技術下的景觀分析和景觀創作方法及應用（李國松，楊柳青，2008; 季景濤，2014; 王圣霖，朱世范，胡海輝，2015; 黃文柳，裘斌，卓泳，2015）;也有學者將虛擬現實技術用到了樣板房效果展示中（袁霄，袁瑩，2008; 李瑩，2009; 常洋，呂媛媛，韓應江，2014; 劉桐，2015）。

近年來隨著支撐虛擬現實技術和增強現實技術的軟硬件設施逐漸成熟，國外已經有學者開始嘗試將BIM與VR及AR技術相結合，并應用與建筑行業實踐，以進一步發揮BIM的協同作用。Yan等人研究了計算機游戲與建筑可視化及建筑教育結合的可能性，并創建了整合BIM和游戲的框架，并展示了基于該框架下實時的、可互動的虛擬用戶漫游模型（Yan W， Culp C and Graf R，2011）。Wang等人認為通過增強現實技術可以將實現將BIM用于與現場人員的互動和實時溝通，并開發了一個概念框架來調查通過增強現實技術讓BIM擴展到現場應用（WANG X， LOVE P E and DAVIS P R，2012）。基于用戶設計導向的設計，Heidari等人提出智能BIM技術模型——產生一種虛擬建筑空間，能夠讓用戶體驗在空間中的日常，能夠與虛擬智能設備互動，而設計師可以根據用戶反饋來調整智能建筑的設計（Heidari M， Allameh E and de Vries B， et al.，2014）。Edward等研究將基于協同和交互設計的BIM技術與計算機游戲引擎結合，創造了一個基于設計師使用需求，符合開發穩定性和功能性的BIM系統，對系統的測試表明其可以支持更多的協同和互動設計進程（Edwards G， Li H and Wang B，2015）。

BIM與VR的結合成為建筑信息交互中新的發展趨勢，但是現有技術下建筑信息的VR體驗只在PC端較為普及，扮演而沒有實現移動端（手機）的沉浸式體驗。

3.技術路線：如何實現BIM與VR的結合

項目流程如圖1所示，利用revit2017生成BIM模型后，導出可被宇信平臺接受的.obj文件格式，在宇信平臺上可以實現移動端的VR體驗，也可以在此平臺進行評論，標注信息，最后導出含有交互信息的.smp文件，將BIM模型在移動端可視化，從而提高了多人交互的效率。

然而宇信只能接受.obj格式，而revit不能直接導出obj格式文件，因此要進行二次開發，本小組通過在Revit2017菜單欄里面添加一個導出obj格式文件的附加模塊。Revit2017提供API，所有數據都可以通過API讀到，API提供了C#開發接口。在開發完成后，將設計一個對比試驗來研究此成果對在建筑信息交互中的作用。

4.Revit2017二次開發計劃和結果

4.1.Revit與.obj格式對比

4.1.1.Revit與.obj格式介紹

由于要使Revit導出.obj格式文件，首先得了解兩個文件的格式特點。Revit是美國Autodesk公司開發的的軟件，為建筑信息模型（BIM）構建的，可幫助建筑設計師設計、建造和維護質量更好、能效更高的建筑。

目前國內民用建筑BIM主要建模平臺就是Revit，建完模型后，后續有很多的擴展運用，如運維，VR，AR等，Revit目前提供的接口如下：

Revit 原生格式：RVT、RFA、RTE、RFT

CAD 格式：DGN、DWF、DWG、DXF、IFC、SAT 、 SKP、FBX

圖像格式：BMP、PNG、JPG、JPEG 和 TIF

其他格式：ODBC、HTML、TXT 和 gbXML

Revit提供API，所有數據都可以通過API讀到，API提供了C#，VB.net，C++等開發接口，現詳細分析C#的API，Revit API，所有的數據都存儲到Revit.DB這個類中，如圖2所示。

obj文件格式支持直線（Line）、多邊形（Polygon）、表面（Surface）和自由形態曲線（Free-form Curve）。直線和多邊形通過它們的點來描述，曲線和表面則根據它們的控制點和依附于曲線類型的額外信息來定義，這些信息支持規則和不規則的曲線，包括那些基于貝塞爾曲線（Bezier）、B樣條（B-spline）、基數（Cardinal/Catmull-Rom）和泰勒方程（Taylor equations）的曲線。其他特點如下：

（1）OBJ文件是一種3D模型文件。不包含動畫、材質特性、貼圖路徑、動力學、粒子等信息。

（2）OBJ文件主要支持多邊形（Polygons）模型。雖然也支持曲線（Curves）、表面（Surfaces）、組材質（Point Group Materials）。

（3）OBJ文件支持法線和貼圖坐標。在其它軟件中調整好貼圖后，貼圖坐標信息可以存入OBJ文件中。

4.1.2.Revit與.obj格式差異

Revit中常用的模型元素通過層層繼承關系，均為Element的子類;

元素的數據均封裝在其各自的類中，而OBJ文件由一行行文本組成，有字的行都由一兩個標記字母也就是關鍵字（Keyword）開頭，關鍵字可以說明這一行是什么樣的數據。

在Revit模型的編輯視圖中，Revit使用項目基準點（Project base point、測繪點（Survey point）、真北方向（True North）、項目北方向（Project North）、位置（Location）、地點（Site）來形象刻畫元素位置;在制作族的時候，族文件內的幾何體具有自己的坐標系;當族文件被加載到Revit模型中時，族實例的幾何體具有自己的坐標系;對于基于點的族實例，比如柱子，門窗，家具等。我們可以通過基于點的族實例的Location屬性來返回一個LocationPoint對象，該對象刻畫了插入點的位置坐標和旋轉角度;對于基于線的族實例，比如梁。Revit API為我們提供了一個轉換矩陣GeometryInstance.Transform，可通過它來把族文件中幾何實體的坐標信息直接轉成成族實例在模型文件坐標系中的坐標。而。Obj格式使用三個參數x， y， z來刻畫位置;使用三個點來刻畫一個面、以頂點坐標來刻畫幾何體等方式構建圖形。

4.2.二次開發的計劃

第一步：通過Revit API讀入模型各元素（Element）數據

第二步：設計數據結構來保存各元素參數

第三步：實現從Revit坐標系向obj文件坐標系的轉換

第四步：將Revit中所包含的元素實例（Instance）轉化成obj文件所支持的元素類型

第五步：將上面所處理得到的數據寫入obj文件中

4.3.二次開發的結果

目前已經成功完成了revit的二次開發，將revit中導出的文件如圖3，在宇信平臺打開后運行結果如圖4。戴上一般VR眼鏡之后，便可以實現沉浸式體驗。

導出的obj格式文件：

5.實驗設計和結果：驗證二次開發成果在建筑領域的作用

5.1.效率對比實驗的設計

實驗一：BIM+VR 與傳統圖紙解讀項目的對比

選取對象為土木或建筑專業的學生隨機分為兩組，一組用傳統的圖紙解讀項目，并將碰撞點在圖紙上表示，一組用revit2017排查后導入到移動端VR來解讀項目，并在移動端上通過評論功能標出碰撞點，統計兩組學生找出碰撞點的時間和正確的數量。

實驗二：移動端VR交互與傳統圖紙交互建筑信息的對比

找出碰撞點后，傳統圖紙組的同學通過圖紙表達將碰撞點標記并將碰撞信息傳遞給負責設計的同學，負責設計的同學根據碰撞點提出修改意見。而移動端VR組的同學直接通過在移動端上添加評論并導出文件發送給負責設計的同學，負責設計的同學根據碰撞點提出修改意見。比較兩種方式完成此次交互所用的時間以及修改意見的正確率。

此次試驗模擬的是建筑活動中施工組在發現圖紙上存在碰撞點時與設計組協同交互的情形如圖5。

因條件限制，無法將二次開發的成果運用到實際項目中進行交互效率的分析，也無法選取專業設計團隊和施工團隊來進行實驗，因此小組采用以上簡化后的實驗方案。實驗設計及選取的管道模型如圖6，水管和風管的部分碰撞點如圖7。

5.2.實驗結果及分析：

5.2.1.實驗數據結果

共招募有效被試52人，其中男生35人，占總被試數的67.3%，女生17人，占總被試數的32.7%。全部來自土木和建筑專業學生。兩人一組，一人扮演設計人員，一人扮演施工人員，總共分為26個小組，移動端VR方式和傳統圖紙方式各分配13個小組。負責施工的成員先完成實驗一，以下為實驗一結果如圖8圖9：

當施工人員完成實驗一后和對應的設計人員共同完成實驗二，以下為實驗二結果如圖10：

且設計人員提出修改意見當中，傳統組僅有6組改進方案可行，而VR組有9組提出的改進方案可行。

5.2.2.實驗結果的分析：

從實驗一可以看出，移動端VR與BIM的結合與傳統的圖紙解讀建筑信息相比，前者能更快的通過BIM分析直接找到碰撞點，并且在移動端顯示的VR模型上找到標記，由于是BIM自動分析碰撞點，大大減小了出錯，而通過我們二次開發的成果將模型直接導入移動端，方便直觀的將信息記錄在移動端上，宇信平臺的自由切換視角以及評論功能，也方便了碰撞點的信息標記。通過實驗表明，查找碰撞點的時間前者用的時間非常短，相比大多時間用在了標記信息上。而后者用傳統的方法，時間大多用在了查找碰撞點，在各種剖面，平面圖，立面以及詳圖中查找碰撞點，需要將各個方位對應，最后將碰撞點標記在一張平面圖中，這樣的查找出錯率高，原因是管線和柱的重疊在單張圖紙上無法顯示，這就需要結合多個視角分析，花費了較長時間，但是圖紙的標記速度較快，同時出錯率也高。此實驗表明了移動端VR與BIM的結合能夠加強個人對建筑信息的提取和理解效率和質量。

從實驗二可以看出，移動端VR與BIM的結合與傳統的圖紙在建筑信息交互方面，兩者在同地同時交互時的效率，前者大大得到了提高。由于模型通過宇信平臺可以隨意切換視角，且通過實驗一已添加的評論，可以加快溝通的效率，設計團隊通過移動端VR也能更好的表達自己改進的方案。在信息交互方面，移動端VR和BIM大大提高了交互的效率和質量。而傳統組在實驗一中已經在碰撞點的排查方面大大落后，在實驗二中傳遞碰撞信息時花費了較多時間，而設計人員在理解方面又容易出現偏差，因此交互的質量不高，最后給出的方案可行性也很低（此處的可行性只針對實驗一中施工人員找出的正確碰撞點的改進）。

對于實驗結果分析可總結為以下兩個方面：

從交互的效率分析，移動端VR與BIM的結合能有效提高建筑活動中交互的效率，不論從個人對圖紙的理解速度還是從信息的傳遞方面，其效率都大大提高了。但是在標記信息方面，移動端VR可能還有待提升，實驗人員對于移動端VR的操作不熟練引起了效率的降低，但總體效率提升了。

從交互的質量分析，移動端VR與BIM的結合能夠減少施工以及設計中的錯誤，避免一些容易忽略的碰撞點，以及傳統圖紙無法體現的碰撞點，在信息交互時，也能減少誤解，增加溝通的便利性。此外對方案的改進和重新確立也起著非常重要的作用

6.研究結論：BIM與移動端VR結合提高建筑信息交互質量和效率

本研究通過revit2017的二次開發，實現了obj格式文件的導出，并將其導入到移動端的宇信平臺，實現了BIM與移動端VR技術的結合，不僅解決了在建筑設計和施工時交互困難的問題，方便了交互，更提高了交互的質量和效率。而這正是此項目的目的和意義。除此之外，在建筑領域，VR技術的推廣能給建筑設計師們更好的表達空間，更方便了與甲方的交流，避免了傳統圖紙表達不清產生的誤解。移動端的應用更加跟上了時代的步伐，讓VR技術不再只是停留在游戲室和笨重的頭盔上，變得更加簡潔方便。將虛擬現實與BIM相結合并普及化還有著更多的應有前景等待發掘。

參考文獻：

[1]Grogan P T， d，e Weck O L. Collaboration and complexity： an experiment on the effect of multi-actor coupled [designJ]. 。RESEARCH IN ENGINEERING DESIGN， 2016，27（3）：221-235.

[2]Neghab A P， Etienne A， Kleiner M， et al. [Performance evaluation of collaboration in the design process： Using interoperability measurement[J]. COMPUTERS IN INDUSTRY， 2015，72：14-26.

[3]Torlind P. Collaborative Design[J]. JOURNAL OF THE INDIAN INSTITUTE OF SCIENCE， 2015，95（4）：353-363.

[4]Safavi E， Tarkian M， Gavel H， et al. Collaborative multidisciplinary design optimization： A framework applied on aircraft conceptual system design[J]. CONCURRENT ENGINEERING-RESEARCH AND APPLICATIONS， 2015，23（3）：236-249.

[5]Ren Z， Yang F， Bouchlaghem N M， et al. Multi-disciplinary collaborative building design-A comparative study between multi-agent systems and multi-disciplinary optimisation approaches[J]. AUTOMATION IN CONSTRUCTION， 2011，20（5）：537-549.

[6]孫澄宇. 建筑項目異地實施過程中虛擬現實技術的應用方式與效果評估——以六主村無止橋公益項目情景為例[A]. 全國高等學校建筑學專業教育指導委員會建筑數字技術教學工作委員會.數字技術？建筑全生命周期——2018年全國建筑院系建筑數字技術教學與研究學術研討會論文集[C].全國高等學校建筑學專業教育指導委員會建筑數字技術教學工作委員會：全國高校建筑學學科專業指導委員會建筑數字技術教學工作委員會，2018：7.

[7]劉澤群，劉銘劼.異型結構BIM建模方法效率評價[J].建筑結構，2018，48（S1）：669-672.

[8]王巖.提高建筑信息模型（BIM）建模效率的研究[J].科技風，2017（05）：85.

[9]程輝，張慎.基于虛擬現實的輔助建筑設計軟件開發與應用[J].武漢勘察設計，2018（06）：40-4448.