BIM和VR技術(shù)在建筑工程中的創(chuàng)新應(yīng)用＊

胡小玲，農(nóng)日東，李 捷，呂龍波

（1.廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007；2.廣西建通工程建設(shè)有限公司，廣西 百色 530022）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展與新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，人們不斷尋求能夠完善設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量的創(chuàng)新技術(shù)。一直以來(lái)，建筑效果難預(yù)測(cè)、施工質(zhì)量難控制是建筑行業(yè)存在的兩大難題。目前許多建筑效果采用效果圖、模型等靜止畫(huà)面呈現(xiàn)，很難讓施工方全面把握設(shè)計(jì)意圖，業(yè)主方難以預(yù)知施工狀況。在施工過(guò)程中缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，因項(xiàng)目組之間的溝通問(wèn)題往往導(dǎo)致施工工期、質(zhì)量、成本難把控。由此可見(jiàn)，建筑設(shè)計(jì)需對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)整合，形成一個(gè)完整的可視、可控、多方參與協(xié)同的系統(tǒng)。BIM結(jié)合VR技術(shù)讓受眾不僅可提前觀看建筑效果，更能讓龐大的數(shù)據(jù)系統(tǒng)更完善，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低成本，提高施工質(zhì)量及效率。

1 BIM和VR技術(shù)

1）BIM，即建筑信息模型（building information modeling）技術(shù)，是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)全生命周期多維建筑模型信息集成管理技術(shù)。受益于國(guó)家政策支持、工業(yè)4.0需求及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)，BIM迅速在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。CAD制圖、3Dmax渲染等技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用，讓建筑設(shè)計(jì)方案涉及的枯燥數(shù)據(jù)能以非常直觀的三維可視化形式呈現(xiàn)，既方便設(shè)計(jì)師直觀地調(diào)整數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)，又能讓非專業(yè)人士更容易看懂建筑，有助于設(shè)計(jì)師與客戶溝通。因此，近年來(lái)BIM技術(shù)以高效率、高精度的優(yōu)勢(shì)出現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)中，給建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)創(chuàng)新思路。

2）虛擬現(xiàn)實(shí)（以下簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)，是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形圖像系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成可交互的三維環(huán)境中提供沉浸體驗(yàn)的技術(shù)。VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的載體是虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)，這是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)技術(shù)，其利用計(jì)算機(jī)生成模擬環(huán)境，利用多源信息融合的交互式三維動(dòng)態(tài)視覺(jué)效果和實(shí)體定位的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸其中。近年來(lái)，VR技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，與VR相關(guān)的產(chǎn)品如展示設(shè)備、設(shè)計(jì)軟件等相繼而生，集中應(yīng)用在VR樣板間、云渲染家裝中。

2 BIM技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用

1）創(chuàng)造三維可視化模型 利用BIM技術(shù)建立的三維設(shè)計(jì)模型，其可視化表達(dá)能讓不同專業(yè)的人員更直觀了解設(shè)計(jì)方案，并能夠在材質(zhì)、構(gòu)造、整體外觀上展示整個(gè)方案設(shè)計(jì)；BIM模型有各自的屬性，能顯示物體的數(shù)量、面積、位置等重要信息。因此，BIM在建筑設(shè)計(jì)階段主要是進(jìn)行三維建筑設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從方案到施工圖以至于后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理進(jìn)行全程服務(wù)。

2）提供專業(yè)協(xié)同的數(shù)據(jù)平臺(tái) BIM技術(shù)能夠讓各個(gè)專業(yè)進(jìn)行協(xié)同工作，使各專業(yè)之間快速并及時(shí)掌握設(shè)計(jì)信息，有效提高設(shè)計(jì)速度與質(zhì)量。具體來(lái)說(shuō)，BIM技術(shù)通過(guò)參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期中進(jìn)行共享及傳遞，使工程技術(shù)人員對(duì)建筑信息做出正確的理解與高效的應(yīng)對(duì)，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)及建筑運(yùn)營(yíng)單位就各建設(shè)主體提供協(xié)同工作的技術(shù)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。從建筑設(shè)計(jì)的專業(yè)性來(lái)說(shuō)，BIM技術(shù)已能很好地解決復(fù)雜工程的大數(shù)據(jù)創(chuàng)建、管理和共享應(yīng)用等問(wèn)題，尤其在項(xiàng)目管理方面，在數(shù)據(jù)、技術(shù)和協(xié)同方面形成三大價(jià)值支撐，為建筑設(shè)計(jì)業(yè)快速發(fā)展提供技術(shù)支持。

3）設(shè)計(jì)優(yōu)化及圖紙輸出 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段可建立各構(gòu)件的基本數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析匯總后可得出工程預(yù)算及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并根據(jù)建筑技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指數(shù)的參考，選擇最合理的方案。在施工階段，BIM技術(shù)能夠進(jìn)行施工總平面圖優(yōu)化布置；對(duì)于大型構(gòu)件，可利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬拼裝，在方案不斷優(yōu)化過(guò)程中，節(jié)約人力及資金；對(duì)于已落實(shí)的設(shè)計(jì)方案，利用BIM技術(shù)可直接打印各個(gè)平面圖、立面圖、施工節(jié)點(diǎn)圖、大樣圖等，比傳統(tǒng)的CAD繪圖更快捷、精確、高效。

3 VR技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用

1）沉浸性作用 建筑方案注重功能性及裝飾性，在創(chuàng)作過(guò)程中，VR技術(shù)所構(gòu)建的場(chǎng)景模型來(lái)源于真實(shí)世界的數(shù)字模型，反映的是真實(shí)世界的一事一物，可讓用戶身臨其境體驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的最終效果，使方案呈現(xiàn)效果更具體、直觀，也更具人性化。利用VR技術(shù)可漫游、可沉浸的特性，當(dāng)用戶進(jìn)入虛擬場(chǎng)景中，便可預(yù)知設(shè)計(jì)方案的外觀造型是否美觀、比例是否協(xié)調(diào)、虛實(shí)結(jié)合是否合理；VR技術(shù)的720°環(huán)繞空間特性，讓用戶可近距離感受室內(nèi)設(shè)計(jì)整體效果，以及無(wú)死角觀察設(shè)計(jì)的各個(gè)細(xì)節(jié)，更可進(jìn)行多種方案直觀可視的效果對(duì)比，這些特征打破了設(shè)計(jì)不可見(jiàn)、不可預(yù)料的局限，使裝飾設(shè)計(jì)優(yōu)于傳統(tǒng)展示設(shè)計(jì)。

2）交互性作用 交互性是指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。交互性能讓用戶在虛擬環(huán)境中對(duì)物體進(jìn)行觸碰，并得到物體的反饋，可對(duì)場(chǎng)景中的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、替換，甚至可添加視頻播放，體驗(yàn)場(chǎng)景聲效。VR技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)行業(yè)最實(shí)際的意義在于其獨(dú)特的交互性，可讓設(shè)計(jì)方案在施工過(guò)程少走彎路。從設(shè)計(jì)師角度來(lái)說(shuō)，VR技術(shù)在調(diào)整設(shè)計(jì)元素時(shí)，可更清晰地分辨不同設(shè)計(jì)元素對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)方案的影響。利用VR技術(shù)沉浸式體驗(yàn)設(shè)計(jì)作品在真實(shí)環(huán)境中的效果，觀察設(shè)計(jì)中的每個(gè)細(xì)節(jié)；利用VR的交互性嘗試在相同的空間中改造建筑結(jié)構(gòu)或更換材質(zhì)，在虛擬的三維世界中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行自由編輯，從而進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)效率，完善設(shè)計(jì)表達(dá)。

3）自主性作用 VR技術(shù)的自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度，這種自主性極大地強(qiáng)化了用戶在虛擬世界中的沉浸感和交互性，可讓用戶在虛擬世界中主動(dòng)探索設(shè)計(jì)方案中的每個(gè)細(xì)節(jié)，推敲設(shè)計(jì)方案中的各個(gè)元素存在是否合理。而且這種自主性對(duì)人的感官是一個(gè)爆發(fā)式的擴(kuò)張延伸，也完全符合人對(duì)信息獲取直觀化、感官化的潛在需求。對(duì)于建筑設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，全方位無(wú)死角地將建筑設(shè)計(jì)方案的每個(gè)細(xì)節(jié)暴露在用戶面前，也能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)師更加精益求精地制作高品質(zhì)、值得推敲的設(shè)計(jì)方案。如此良性循環(huán)對(duì)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展將是大浪淘沙、一路向前的健康趨勢(shì)。

4 BIM和VR技術(shù)結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用

4.1 在設(shè)計(jì)中的結(jié)合

在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者要對(duì)材料有充分的認(rèn)識(shí)，不同的材料搭配可更好地詮釋并表達(dá)建筑物的價(jià)值，因此，如何組合建筑材料與最終的室外方案展示有直接聯(lián)系。在BIM系統(tǒng)中嵌入VR技術(shù)，可構(gòu)建數(shù)千種材質(zhì)形成高精材質(zhì)庫(kù)，所有材質(zhì)均可進(jìn)行紋理尺寸、紋理方向、色彩、UV等參數(shù)的高度編輯，并可實(shí)時(shí)顯示與實(shí)時(shí)渲染出圖。設(shè)計(jì)師沉浸于VR構(gòu)建的設(shè)計(jì)方案虛擬空間中，可近距離觀察各種材料對(duì)整體方案的影響，滿足所見(jiàn)即所得所感的效果，為建筑設(shè)計(jì)提供無(wú)數(shù)可能。

在建筑設(shè)計(jì)上，光與色相輔相成，VR能將BIM構(gòu)建出的高精度建筑模型進(jìn)行光影效果測(cè)試，VR系統(tǒng)下可自由調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度、明暗、色溫、衰減，還能進(jìn)行光照的動(dòng)態(tài)模擬，包括晴天、多云、黃昏、黎明、滿月、繁星等的光照效果。自然燈光與人工燈光結(jié)合，將建筑材質(zhì)的色澤肌理特點(diǎn)直觀生動(dòng)地展現(xiàn)于用戶眼前。光、色、形的有機(jī)結(jié)合能凸顯建筑的特色與風(fēng)格，賦予建筑生命力。VR通過(guò)動(dòng)態(tài)交互的方式讓光環(huán)境與建筑外觀融合，通過(guò)身臨其境的全方位的審視及強(qiáng)烈、逼真的視覺(jué)沖擊，使用戶更容易理解和感受設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)方案時(shí)的絕妙之處。

在BIM設(shè)計(jì)中，最常見(jiàn)的問(wèn)題是不同專業(yè)間的錯(cuò)漏碰缺，設(shè)計(jì)者可通過(guò)VR技術(shù)進(jìn)入場(chǎng)景對(duì)各不合理的部位進(jìn)行檢查，預(yù)先發(fā)現(xiàn)并處理問(wèn)題，甚至可以對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行方案模擬，分析和比選實(shí)施方案。在設(shè)計(jì)階段盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)處理，以免在后期施工中由于設(shè)計(jì)問(wèn)題產(chǎn)生返修或重新設(shè)計(jì)而增加成本或延長(zhǎng)工期。

現(xiàn)階段，BIM模型已經(jīng)很好地表達(dá)建筑產(chǎn)品在視覺(jué)上的形狀樣式，但與真實(shí)場(chǎng)景依然存在一定差距。而VR技術(shù)能讓BIM技術(shù)在視覺(jué)上更真實(shí)。VR技術(shù)具有逼真的渲染效果，在視覺(jué)、交互體驗(yàn)上更真實(shí)，但VR技術(shù)在數(shù)據(jù)及信息的表達(dá)上不如BIM精確，因此將BIM與VR結(jié)合，可使建筑場(chǎng)景完成數(shù)據(jù)信息整合，也給用戶帶來(lái)感官上的體驗(yàn)，有助于解決實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題。

4.2 在施工中的結(jié)合

BIM技術(shù)可解決如碰撞檢查、剖面圖砌體排布等技術(shù)問(wèn)題；也可通過(guò)參數(shù)化模型的建立，檢查建筑設(shè)計(jì)方案的功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，能為建筑施工節(jié)約資金和人力成本。然而施工人員施工水平高低以及對(duì)設(shè)計(jì)方案各個(gè)要素的領(lǐng)悟程度，也是影響設(shè)計(jì)方案在施工過(guò)程能否順利進(jìn)行的因素之一。VR技術(shù)與BIM相結(jié)合，通過(guò)BIM高精度的數(shù)據(jù)構(gòu)建真實(shí)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)VR使施工人員真切體驗(yàn)施工過(guò)程，并在逼真的場(chǎng)景中觀測(cè)施工節(jié)點(diǎn)及工法要求。

在裝配式施工中，BIM技術(shù)可制定完善的裝配式施工流程。基于BIM提供的三維建筑數(shù)據(jù)與施工流程及進(jìn)度計(jì)劃相連，利用VR技術(shù)的可視性進(jìn)行安裝演示及施工交底，有效加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)施工流程的理解。如大型建筑中的幕墻與鋼結(jié)構(gòu)施工，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件繁多，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，施工難度大。首先利用BIM技術(shù)創(chuàng)建精細(xì)的三維幕墻、鋼結(jié)構(gòu)信息模型，再通過(guò)BIM信息模型快速導(dǎo)出幕墻，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的預(yù)加工信息。利用BIM對(duì)幕墻參數(shù)化建模，可精細(xì)到每個(gè)幕墻單元，確保參數(shù)精度。幕墻的加工與安裝可在VR模式下完成，按照BIM模型的指導(dǎo)進(jìn)行預(yù)拼裝，模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝的情況，可觀察施工進(jìn)度最真實(shí)的動(dòng)態(tài)模擬，更容易理解施工工藝，對(duì)施工技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)控制，保證施工質(zhì)量。利用BIM模型與VR技術(shù)進(jìn)行技術(shù)交底，在BIM模型基礎(chǔ)上觀察每個(gè)節(jié)點(diǎn)的細(xì)部結(jié)構(gòu)，使施工人員對(duì)工程的重難點(diǎn)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、施工質(zhì)量控制點(diǎn)、關(guān)鍵部位施工方法與措施等有了全面了解，為實(shí)際施工與施工交底進(jìn)行科學(xué)部署與組織，使施工更加準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、安全。

VR技術(shù)通過(guò)結(jié)合BIM高精度的數(shù)據(jù)庫(kù)，引入先進(jìn)的虛幻引擎4，建立高度逼真且可實(shí)時(shí)互動(dòng)的虛擬施工現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)將設(shè)計(jì)方案融入VR技術(shù)的三維立體場(chǎng)景后，項(xiàng)目管理方可安排施工人員進(jìn)行模擬施工和安全培訓(xùn)。在模擬施工方面，針對(duì)設(shè)計(jì)方案中容易出錯(cuò)的部位進(jìn)行模擬施工，這樣就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)修正，避免施工過(guò)程出現(xiàn)無(wú)法修正的錯(cuò)誤，從而更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)成本控制。在安全培訓(xùn)方面，當(dāng)體驗(yàn)者戴上VR眼鏡后，會(huì)置身于整個(gè)工程當(dāng)中，可以在虛擬場(chǎng)景中隨意“進(jìn)出”“攀爬”，感受日夜交替下的工程場(chǎng)景，切實(shí)感受工程施工中的危險(xiǎn)。相較傳統(tǒng)的安全培訓(xùn)，這種通過(guò)VR技術(shù)組織的模擬施工和安全培訓(xùn)，可激發(fā)工人參加安全教育的積極性，增強(qiáng)工人對(duì)安全事故的感性認(rèn)識(shí)。而虛擬的場(chǎng)景不受場(chǎng)地、時(shí)間限制，可進(jìn)行安全的反復(fù)操作；體驗(yàn)人員對(duì)于細(xì)節(jié)節(jié)點(diǎn)、重難點(diǎn)的攻破，還可結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)讓方案更優(yōu)化，從而提高施工質(zhì)量，避免材料及人工浪費(fèi)，做到綠色施工。

5 結(jié)語(yǔ)

基于BIM高精準(zhǔn)的專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建的虛擬空間，可無(wú)限接近真實(shí)施工場(chǎng)景，從而避開(kāi)施工過(guò)程可能遇到的諸多問(wèn)題，大大提升施工效率。利用3D引擎，渲染出具有真實(shí)物理屬性的建筑實(shí)體，給用戶不一樣的視覺(jué)沖擊；利用VR沉浸式進(jìn)行各種碰撞試驗(yàn)，使設(shè)計(jì)更形象、更人性化，而融入虛擬空間演習(xí)施工過(guò)程，使施工人員的安全得到更有效保障。BIM技術(shù)與VR技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，綜合利用BIM強(qiáng)大的數(shù)據(jù)與3D可視技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，有利于減少項(xiàng)目變更及材料浪費(fèi)，縮短工期，最終得到最大化效益。