VR與BIM在建筑設(shè)計(jì)的前景

高慧 孫松山 陳佳艾 鄭勇 張玉良

摘?要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是有關(guān)視覺增強(qiáng)的技術(shù)，他們相比傳統(tǒng)的技術(shù)極大地改變了視覺傳達(dá)的意義。這些技術(shù)現(xiàn)在正在迅速發(fā)展，在不久的未來將會改變整個(gè)行業(yè)的發(fā)展方向。土木工程是一個(gè)極度依靠視覺技術(shù)的行業(yè)，盡管AR與VR技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但是在建筑應(yīng)用中還是非常少。近些年由于BIM技術(shù)的普及，數(shù)字建造這一名詞出現(xiàn)在我們的生活中，如果能將VR技術(shù)加入數(shù)字建造中，將BIM技術(shù)與VR技術(shù)相結(jié)合，使建筑模型的信息化與數(shù)字化和沉浸式體驗(yàn)相結(jié)合，讓無專業(yè)知識的人和專業(yè)人士去相互溝通，相互協(xié)調(diào)，從而到達(dá)業(yè)主想要得到的樣子。

關(guān)鍵詞：VR;BIM;建筑設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)優(yōu)化;信息化

1?緒論

近代繪圖輔助工具大致經(jīng)歷了三大階段，第一階段是人工繪圖;第二階段是二維繪圖;第三階段是三維建模。自從1946年2月美國自主定制的目前世界第一臺大型電子軍用計(jì)算機(jī)正式問世以來，計(jì)算機(jī)迅速地被應(yīng)用于各行各業(yè)當(dāng)中。建筑設(shè)計(jì)的草圖輔助處理軟件最早追溯20世紀(jì)60年代，它的英文名字可以叫建筑草圖繪制面板（sketchpad）。20世紀(jì)六七十年代，小型通用計(jì)算機(jī)制造費(fèi)用急劇下降，所以美國設(shè)計(jì)工程中已經(jīng)開始廣泛性地使用它的cad，相比較于傳統(tǒng)的人工自動繪圖，cad自動繪圖更加方便快捷，繪圖操作速度也大大得到提升，繪圖操作精度也比傳統(tǒng)手工自動繪圖更加高。1975年喬治亞理工大學(xué)的理念從chuckeastman教授開始創(chuàng)建了他的BIM設(shè)計(jì)理念至今，20世紀(jì)八九十年代BIM理念開始逐漸將其運(yùn)用融入了工程設(shè)計(jì)與建筑施工工程管理里。設(shè)計(jì)從此又一次進(jìn)入了全新的三維時(shí)代。

2?現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)面臨的問題

2.1?建筑模型展現(xiàn)效果不理想

至今為止，建筑設(shè)計(jì)常常采用二維平面圖或三維圖為主，這些圖只能固定路徑或視角的展示，很難清晰完整地表達(dá)設(shè)計(jì)者的理念，也容易造成信息遺漏，從而導(dǎo)致了效果和預(yù)期不符。

2.2?建筑設(shè)計(jì)評價(jià)體系不完善

建筑設(shè)計(jì)現(xiàn)在主要由有專業(yè)背景的建筑設(shè)計(jì)師為主，而使用者在建筑設(shè)計(jì)中的參與度明顯不足。對于使用者而言，能夠獲取的建筑信息十分有限，存在現(xiàn)實(shí)與圖紙不對稱的情況。對于現(xiàn)在如果能將BIM與VR技術(shù)相結(jié)合，在人機(jī)互動上完成虛擬漫游，就能增加設(shè)計(jì)的靈活性，使技術(shù)人員和使用者能更好地協(xié)調(diào)，大大提高了傳統(tǒng)BIM模式的可視化，因此二者的結(jié)合對于未來的設(shè)計(jì)行業(yè)意義非凡。

2.3?缺少數(shù)據(jù)信息協(xié)同與交互

傳統(tǒng)BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢是協(xié)同設(shè)計(jì)，其中數(shù)據(jù)信息的交互是其中最重要的部分，但是就現(xiàn)階段而言，設(shè)計(jì)階段只有設(shè)計(jì)者參與進(jìn)來，其他工作人員很難參與設(shè)計(jì)。一個(gè)項(xiàng)目需要不同專業(yè)背景的人進(jìn)行協(xié)調(diào)，然而由于過程的處理，施工者可能對信息理解偏差，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目與預(yù)期不符。

3?BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1?建筑空間規(guī)劃中的BIM技術(shù)

空間規(guī)劃設(shè)計(jì)是在我們確定一個(gè)建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)品施工地點(diǎn)之后，我們開始對整個(gè)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一步，對一個(gè)建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)品的整體占地面積、地形、走勢、斜坡曲率等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，決定了一個(gè)建筑進(jìn)入產(chǎn)品之后它的外形、走向，尤其對在建筑施工期間場地地形復(fù)雜的特殊情況下對整個(gè)建筑產(chǎn)品空間的進(jìn)行規(guī)劃更為重要。BIM的應(yīng)用空間規(guī)劃數(shù)據(jù)應(yīng)用有效地大大節(jié)省空間規(guī)劃工作時(shí)間，能快速在一個(gè)虛擬數(shù)據(jù)平臺上對整個(gè)建筑設(shè)計(jì)所在管理地區(qū)的具體地形、坡向等相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息情況進(jìn)行綜合分析，為后期開展建筑設(shè)計(jì)工作提供大量參考有用數(shù)據(jù)。

3.2?建筑仿真技術(shù)中的BIM技術(shù)

我們利用BIM虛擬技術(shù)能對整個(gè)建筑設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)虛擬數(shù)據(jù)還原，并且能夠真實(shí)地虛擬還原整個(gè)建筑的每一個(gè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，其中主要包括：高程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量等。便于專業(yè)建筑設(shè)計(jì)技術(shù)人員對各種建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)品各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行嚴(yán)格校驗(yàn)，對各種建筑物各部分之間的承受力相互作用、協(xié)調(diào)性能等進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確定各種建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性和安全性。

4?BIM技術(shù)中的微環(huán)境模擬

通過AI與BIM圖像建模對真實(shí)日照遮擋進(jìn)行圖像收集，用圖像仿真技術(shù)將真實(shí)的日照建筑構(gòu)件遮擋對應(yīng)關(guān)系全面清晰呈現(xiàn)，日照將以多種可視化和非動態(tài)方式展示呈現(xiàn)出來，所以無論時(shí)間上和地點(diǎn)上的日照遮擋關(guān)系都一樣可以清晰真實(shí)呈現(xiàn)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對日照相關(guān)建筑構(gòu)件尺寸進(jìn)行建筑尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。BIM空氣技術(shù)中心可以對整個(gè)建筑周圍的自然氣流以及環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，進(jìn)行建筑通風(fēng)數(shù)據(jù)模擬對建筑風(fēng)速、風(fēng)向、空氣污染擴(kuò)散情況等收集數(shù)據(jù)等并進(jìn)行各種功能上的需求分析設(shè)計(jì)。對于室內(nèi)噪聲污染從建筑設(shè)計(jì)階段就開始應(yīng)該定期進(jìn)行人聲噪音影響分析，盡量做到降低人聲噪音對室內(nèi)環(huán)境的直接影響。

5?VR技術(shù)

VR技術(shù)是一種由許多源碼和信息系統(tǒng)融合的、交互式的三維模擬動態(tài)現(xiàn)實(shí)視景和模擬實(shí)體環(huán)境行為的生態(tài)系統(tǒng)模擬仿真，它使用戶可以沉浸到該模擬環(huán)境中。VR首先是它能夠給人帶來深層次視覺沉浸感，顯示傳統(tǒng)設(shè)備本身帶來的立體視覺五感沉浸，輔助顯示設(shè)備本身帶來的立體五感聽覺沉浸;其次，VR能夠?qū)⒚襟w內(nèi)容豐富度從三個(gè)最大維度再次提升后達(dá)到五個(gè)最大維度，即傳統(tǒng)的平行屏幕式多媒體，從人到平面兩個(gè)人三維度+平行時(shí)間四個(gè)維度;再次，提升后達(dá)到平行空間三維度+平行時(shí)間四個(gè)維度+平行虛擬人和平行現(xiàn)實(shí)世界五個(gè)維度;最后就是因?yàn)閂R不僅能夠完全徹底突破空間限制，實(shí)現(xiàn)一種增強(qiáng)交互，能夠完全徹底突破人的地理位置限制，使用者甚至能夠完全實(shí)現(xiàn)在一個(gè)虛擬世界里與人零距離親密接觸。

6?BIM技術(shù)與VR技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中的結(jié)合

通過必要的技術(shù)手段，將BIM模型的相關(guān)信息與VR設(shè)備相結(jié)合。BIM模型與VR設(shè)備的無縫連接，基于BIMVR的工作方式，在VR眼鏡里不僅可以體驗(yàn)BIM模型的空間與外在展示效果，更可直接選擇與讀取源BIM模型中構(gòu)件的屬性，如尺寸、材質(zhì)、功能、wbs劃分等原始BIM信息，另外可在VR眼鏡中仿現(xiàn)實(shí)的進(jìn)行BIM模型的構(gòu)件顯示切換、間距數(shù)據(jù)測量、分析甚至構(gòu)件調(diào)整等操作，達(dá)到傳統(tǒng)桌面端BIM模型瀏覽方式前所未有的體驗(yàn)感，所以我們提出了利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而提高BIM與VR結(jié)合在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢。

6.1?設(shè)計(jì)階段

利用VR設(shè)備沉浸式讀取BIM模型中風(fēng)管的各項(xiàng)尺寸信息，利用VR設(shè)備讀取BIM模型中構(gòu)件的凈高數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師通過有限的時(shí)間和局限的想象力，設(shè)計(jì)建造出一個(gè)外型復(fù)雜多樣的大型建筑，無疑是極大的一個(gè)挑戰(zhàn)。基于實(shí)際工程項(xiàng)目，VR與BIM的具體結(jié)合手段與操作有著共通點(diǎn)，區(qū)別主要在于結(jié)合平臺的功能差別。無論對于哪種形式，對BIM源模型的處理操作都是基礎(chǔ)與重點(diǎn)，直接影響后續(xù)工作以及VR體驗(yàn)產(chǎn)品的質(zhì)量。

6.2?施工階段

建筑施工過程技術(shù)模擬，是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)實(shí)踐管理工程，每一項(xiàng)工程還要劃分為十至數(shù)十道過程工序，每一道過程工序需要選擇的建筑施工材料方法不同就可能會直接出現(xiàn)不同的工程預(yù)算和施工結(jié)果，所以在進(jìn)行實(shí)際操作前我們可以充分利用VR與BIM的計(jì)算手段進(jìn)行模擬施工，建筑施工技術(shù)模擬，最大的建筑施工難點(diǎn)就是進(jìn)行模擬提前施工模擬仿真施工，模擬操作過程中我們可以對建筑圖紙制作中的一些疑問進(jìn)行有效的分析反饋，從而可以大大提高效率和大大降低工業(yè)施工成本，隨著VR技術(shù)的出現(xiàn)，購房人必須親自到賣房中心，觀察樣品室的情況，通過VR技術(shù)客戶就可以通過虛擬實(shí)際體驗(yàn)裝置來實(shí)際感受到各地的房源，在有限空間里就可實(shí)現(xiàn)預(yù)先感受到實(shí)際中的情況。同時(shí)，對于開發(fā)者來說，VR技術(shù)打破了傳統(tǒng)。

6.3?基于兩種技術(shù)的模型傳遞

很多時(shí)候基于不同的平臺以及具體工作形式，BIM與VR的結(jié)合應(yīng)用常需要利用第三方格式模型的傳遞與讀取，常見的第三方中間格式有IFC、FBX、DAE、OBJ等。整體來說，基于實(shí)際中的工程BIM項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為FBX格式是其中最為完善的。以revit模型為例，優(yōu)先建議考慮將模型導(dǎo)出為fbx格式傳遞至后續(xù)處理軟件。

中間格式模型的生成方式有多種，一種是用BIM源模型建模軟件自帶的格式導(dǎo)出器，如revit可以直接導(dǎo)出fbx、IFC等，不過效果不完善，不建議此種方式。另外一種是用第三方外部插件進(jìn)行導(dǎo)出，其中會有眾多導(dǎo)出選項(xiàng)，導(dǎo)出的格式效果較好。將建筑、結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場布置模型，安全建筑設(shè)施的模型，綠化。結(jié)構(gòu)模式等導(dǎo)出到fbx文件中。

以BIM源模型導(dǎo)出的FBX等作為中間格式文件，載入平臺進(jìn)行效果編輯、渲染烘焙，繼而生成可供效果展示與場景互動的VR體驗(yàn)系統(tǒng)，屬BIM+VR的形式;內(nèi)置于Revit、Sketchup、ARCHICAD等建模平臺的第三方專業(yè)插件，無須中間格式傳遞，可直接將BIM源模型如revit模型一鍵加載至其中，進(jìn)行材質(zhì)場景效果編輯調(diào)節(jié)，然后可一鍵啟動VR體驗(yàn)系統(tǒng)，利用HTC?VIVE及Oculus等主流VR設(shè)備進(jìn)行體驗(yàn)，但不可在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行BIM源數(shù)據(jù)的讀取與操作，屬BIM+VR的形式。

置于Revit、Navisworks等建模與漫游分析平臺的第三方專業(yè)插件，同時(shí)也是一個(gè)豐富完整的BIM設(shè)計(jì)施工協(xié)同軟件平臺，對施工項(xiàng)目針對性較高，基于設(shè)計(jì)與施工的功能眾多，兼容性與模型識別讀取度較高，一鍵進(jìn)行無縫加載BIM模型，而且可以進(jìn)行模型同步反向調(diào)整，可一鍵啟動VR體驗(yàn)系統(tǒng)或者打包生成VREXE體驗(yàn)系統(tǒng)，利用HTC?VIVE及Oculus等主流VR設(shè)備進(jìn)行體驗(yàn)，支持在眼鏡設(shè)備中沉浸式讀取與分析BIM數(shù)據(jù)，以及進(jìn)行多項(xiàng)調(diào)整操作，模型顯示實(shí)時(shí)效果較好，沉浸式效果優(yōu)，但材質(zhì)效果精度不如Twinmotion，屬于目前少有的能夠無縫鏈接BIM模型及數(shù)據(jù)的專業(yè)BIMVR平臺。

通過上面的研究，VR技術(shù)和BIM技術(shù)是我國建筑工業(yè)發(fā)展方向的一個(gè)轉(zhuǎn)折，兩者之間不能局限于形式的結(jié)合，更重要的應(yīng)該是，通過其他的工具來實(shí)現(xiàn)真正意義上的兩種技術(shù)結(jié)合，本文對VR技術(shù)和BIM技術(shù)在建筑工程中相結(jié)合的設(shè)計(jì)、施工、樣板、綠化等進(jìn)行了分析總結(jié)。基于以上幾種形式的結(jié)合，通過對比分析，提出與VR技術(shù)結(jié)合起來的最好方法，研究結(jié)果可為建筑工程提供一些參考依據(jù)。

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