基于BIM技術(shù)的綠色公共建筑虛擬 現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計研究

楊龍龍 王會 丁海燕

摘? 要： 針對傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)生成的綠色公共建筑三維圖像與實際場景相似度較低這一問題，基于BIM技術(shù)研究一種新的綠色公共建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要選取中央處理器、存儲器、建模設(shè)備和交互設(shè)備，處理器內(nèi)部選用的芯片為美國Intel公司生產(chǎn)的型號為TUSA852的新型處理芯片，存儲器分為主存儲器和外存儲器，建模設(shè)備主要有3D掃描儀和聲音設(shè)備，交互設(shè)備主要選取三維鼠標和數(shù)據(jù)手套。采用C++語言編寫了三維場景編輯程序和數(shù)字建筑程序。對比實驗結(jié)果表明，基于該文系統(tǒng)構(gòu)建的模型與實體建筑的相似度逼近于100%，比傳統(tǒng)二維平面圖20%的相似度、基于物理構(gòu)建的模型50%左右的相似度更高，優(yōu)勢突出。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng); 綠色公共建筑; BIM技術(shù); 系統(tǒng)設(shè)計; 場景編程; 對比驗證

中圖分類號： TN911.73?34; TP18? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0137?03

Design of BIM technology based virtual reality system for green public building

YANG Longlong1， WANG Hui2， DING Haiyan1

（1. City College of Science and Technology， Chongqing University， Chongqing 402167， China; 2. Wuhan University of Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： As the low similarity between the three?dimensional images of green public buildings generated by traditional virtual reality system and the actual scene， a new green public buildings virtual reality system based on BIM technology is studied. The system hardware is mainly composed of the central processing unit， memory， modeling equipment and interactive equipment. The chip inside the processor is TUSA852， a new processing chip made by Intel Company of the United States. The memory is divided into the main memory and the external memory. The modeling equipment mainly includes 3D scanner and sound equipment. The common interactive equipments are the 3D mouse and data glove. The 3D scene editing program and digital building program are compiled in C++ language. The comparative experimental results show that the similarity between the model based on the system construction and the physical building is close to 100%， which is higher than the 20% similarity of the traditional two?dimensional plane graph and the 50% similarity of the model based on physics construction， with outstanding advantages.

Keywords： virtual reality system; green public building; BIM technology; system design; scene programming; comparison validation

0? 引? 言

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)即虛擬現(xiàn)實平臺（VR）技術(shù)[1]，使人通過適當(dāng)裝置對虛擬環(huán)境進行交互，從而獲得身臨其境的感覺[2]。隨著建筑設(shè)計模擬需求的不斷升級，其在建筑設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用前景頗為巨大[3]。綠色公共建筑[4]是建筑師們?yōu)榻档徒ㄖτ谧匀画h(huán)境的破壞而提出的概念，旨在建筑壽命周期內(nèi)最大限度地節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材，以低碳環(huán)保、節(jié)能再利用為核心，為人們提供與自然和諧相處、健康且舒適的使用空間[5]。由于土木建筑工程存在較大風(fēng)險，成本高昂，對綠色建筑的設(shè)計更是需要經(jīng)過比傳統(tǒng)建筑更為嚴謹?shù)哪M設(shè)計過程，而傳統(tǒng)展示手段，如：平面圖、表現(xiàn)圖、沙盤在建筑模擬設(shè)計中的呈現(xiàn)能力有限，影響建筑設(shè)計師們的工作效率。

本文研究基于BIM，即建筑信息模型技術(shù)設(shè)計綠色公共建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，通過數(shù)字化表達方式創(chuàng)造3D幾何模型仿真模擬建筑的真實信息，以提高建筑工程效率。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件構(gòu)成系統(tǒng)的物理設(shè)備，其主要設(shè)計包含中央處理器、存儲器、建模設(shè)備、三維視覺顯示設(shè)備、聲音設(shè)備及交互設(shè)備，如圖1所示。

1.1? 中央處理器

中央處理器是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的運算核心和控制核心，同時也是系統(tǒng)的最高執(zhí)行單位[6]。中央處理器采用高純度的半導(dǎo)體材料硅，處理器內(nèi)部選用的芯片為美國Intel公司生產(chǎn)的型號為TUSA852的新型處理芯片，該芯片主要由邏輯部件、寄存器部件、控制部件三大設(shè)計部件構(gòu)成[7]，可容許上百萬億個數(shù)據(jù)同時譯碼運算[8]。

1.2? 存儲器

為保障虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)運行效果，在系統(tǒng)硬件中設(shè)計存儲器作為記憶設(shè)備[9]。主存系統(tǒng)運算過程中的計算數(shù)據(jù)，當(dāng)再次構(gòu)建相同的綠色公共建筑虛擬環(huán)境時，可直接提取，節(jié)約系統(tǒng)運行時間;外存儲器用來存放系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)和資料庫，可隨時補充材料信息，為系統(tǒng)提供運行資料數(shù)據(jù)。存儲器內(nèi)部選用的芯片是由美國Tesud公司生產(chǎn)的FSA882，相比普通計算機存儲器存取速度更快，容量更大[10]。

1.3? 建模設(shè)備

三維視覺顯示設(shè)備與聲音設(shè)備同屬于建模設(shè)備，系統(tǒng)中設(shè)計3D掃描儀作為演示媒體，三維場景編輯程序的編輯成果將通過3D化為三維立體圖像[11]。聲音設(shè)備采用三維虛擬聲音設(shè)備，當(dāng)參與者與虛擬環(huán)境發(fā)生交互時，聲音設(shè)備從存儲器中提取真實聲音信息選擇播放，最大限度使虛擬現(xiàn)實參與者聽到更加真實的聲音，滿足建筑師們的各種需求[12]。

1.4? 交互設(shè)備

交互設(shè)備主要有三維鼠標和數(shù)據(jù)手套。三維鼠標控制者可通過三維鼠標對計算機進行人為操作，配合三維眼鏡、聲音設(shè)備;數(shù)據(jù)手套的使用對參與者直接進行視覺、聽覺、觸覺等感官控制。三維鼠標也可對虛擬環(huán)境中的建筑信息模型進行不同角度的觀察甚至可以改變物體在VR中的成像。

交互設(shè)備中的數(shù)據(jù)手套具有多種模式，可在虛擬環(huán)境中通過軟件編程允許穿戴者產(chǎn)生移動、抓取、旋轉(zhuǎn)物體等動作，給予穿戴者最為真實的觸感。數(shù)據(jù)手套主要由輕薄的彈性材料以及半導(dǎo)體材料構(gòu)成，方便手指彎曲，更加貼合使用者手掌，半導(dǎo)體材料使信息的輸入輸出更加迅速，是綠色公共建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中核心的交互設(shè)備[13]。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

針對系統(tǒng)硬件設(shè)計軟件程序，本文主要設(shè)計了數(shù)字建筑程序和三維場景編輯程序。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1? 數(shù)字建筑程序

數(shù)字建筑程序即利用BIM技術(shù)和云計算，實現(xiàn)建筑的全過程、全要素的數(shù)字化、智能化程序，主要應(yīng)用于城市規(guī)劃和建筑設(shè)計領(lǐng)域。一方面在綠色公共建筑建造之前，通過數(shù)字分析，消除可能存在的工程風(fēng)險，對設(shè)計方案、施工方案、運維方案進行多次優(yōu)化，衍生出虛擬建造過程，確保實體施工及運維的安全可靠性;另一方面通過數(shù)字建筑程序可將實體綠色公共建筑升級為可感知、可自我控制甚至自我適應(yīng)的智能化系統(tǒng)和生命體，即智慧化運維。數(shù)字化建筑程序如圖3所示。

2.2? 三維場景編輯程序

在系統(tǒng)中編輯三維場景編輯程序，作為可視化三維場景的模型導(dǎo)入和后期交互制作的工具。程序采用以Directx和OpenGLAPL為基礎(chǔ)的三維渲染引擎與MFC相結(jié)合的架構(gòu)，保證運行更加迅速，工作更加高效，并且集合多種功能，如構(gòu)建模型、燈光調(diào)整、地形模擬等技術(shù)，引用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取數(shù)據(jù)資源、場景信息并加以儲存。主要設(shè)計模塊分為實體模塊和界面模塊;實體模塊受中央處理器控制，當(dāng)三維場景編輯程序接收到CPU的指令，程序?qū)⒏鶕?jù)樹狀結(jié)構(gòu)模擬綠色公共建筑;界面模塊主要負責(zé)呈現(xiàn)參與者與虛擬環(huán)境交互時對環(huán)境的改變，由于人體行為無法確定時呈現(xiàn)的內(nèi)容更加隨機且豐富，大大提高虛擬系統(tǒng)技術(shù)含量。編輯程序如圖4所示。

3? 實驗研究

3.1? 實驗?zāi)康?/p>

為測試本文所設(shè)計系統(tǒng)的運行效果，選用兩種傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和本文研究的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行對比實驗，分析實驗效果。實驗參數(shù)如表1所示。

3.2? 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述參數(shù)，選用傳統(tǒng)虛擬系統(tǒng)和基于BIM虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對同一綠色公共建筑進行模型構(gòu)建，將構(gòu)建的三種模型與實體綠色公共建筑進行細節(jié)對比實驗，測試二者之間的相似度，得到的實驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，基于BIM虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)建的模型與實體建筑的相似度幾乎接近100%;傳統(tǒng)的二維平面圖大概有20%的相似度;基于物理構(gòu)建的模型有50%左右的相似度。由此可以預(yù)測未來的建筑設(shè)計模型將以基于BIM虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)為主。傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)方法為純硬件開發(fā)，交互性較弱，生成的場景為數(shù)據(jù)性場景，顯示效果為數(shù)字化效果。基于BIM技術(shù)構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用硬件結(jié)合軟件的方法開發(fā)，具有較強的交互性，場景特點為實時渲染，顯示效果為三維立體效果。引用BIM技術(shù)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)充分利用了高性能硬件與軟件資源，其構(gòu)成的綠色公共建筑三維立體模型多感性、交互性更強，高分辨率顯示技術(shù)使場景更加真實。

4? 結(jié)? 語

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的日漸成熟，其在社會生產(chǎn)中也將發(fā)揮更加巨大的作用。本文通過研究以BIM為基礎(chǔ)的設(shè)計綠色公共建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，具備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三維立體成像、多感官人機交互、三維立體聲音、高顏色分辨率等優(yōu)勢，減少了建筑成本，節(jié)約時間，避免許多不必要的危險發(fā)生。經(jīng)過試驗對傳統(tǒng)虛擬系統(tǒng)和本文系統(tǒng)進行模型構(gòu)建的對比，基于本文系統(tǒng)構(gòu)建的模型與實體建筑的相似度逼近于100%，比傳統(tǒng)二維平面圖20%的相似度、基于物理構(gòu)建的模型50%左右的相似度更具優(yōu)勢。

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