基于BIM 與VR 的建筑可視化設計研究

王 磊，李海銘

（甘肅建筑職業技術學院，蘭州 730050）

在過去幾十年里，我國建筑設計的方式經歷了3個發展階段：手工繪制平面圖紙并輔以建筑模型；計算機二維CAD 制圖輔以三維建模軟件，如：Sketchup 或Rhino 等，形成二維圖紙；以BIM 技術為代表的將二維圖紙和三維立體建模相結合，形成了建筑的三維立體模型，可以覆蓋建筑的設計到建筑的后期使用的全生命周期[1-2]。

20 世紀末以BIM 技術為代表的建筑三維立體建模技術逐漸應用于建筑的設計和施工，該技術的特點主要是通過賦予建筑上點面和實體的數據信盧，在虛擬的三維空間內呈現建筑信盧，也可以通過軟件將三維立體模型映射至二維的圖紙上。該設計方法可以立體呈現建筑效果、在設計階段就可以完成各種管線的綜合排布，設計的流程更為簡潔流暢。BIM 技術通過可視化功能將建設項目從規劃到交付的效果立體地呈現出來，有利于發現設計的矛盾點，提高設計質量，覆蓋建筑的所有信盧，降低工程的總造價[3]。

與此同時，VR 技術在2016 年后迎來了爆發式的發展，將VR 技術和BIM 平臺相結合可以向各個參建單位提供沉浸式的建筑體驗，將建筑的光照、空間效果等幾乎建筑的所有信盧都有所體現[4]。為了將BIM 技術和VR 技術進行有機結合并為建筑設計提供一條新的技術路徑，本文就BIM＋VR 技術應用于建筑設計的基本流程和應用優勢進行深入研究，達到推升設計的呈現效果和工程整體品質的目地。

1 傳統設計方式面臨的主要問題

目前，我國建筑設計還是采用原有的二維平面表現建筑信盧的形式。在如今數字信盧時代，面對著建筑的安裝專業數量較多，設計多樣性的要求，傳統設計方式暴露出來的主要問題[5-6]包括以下內容。

1）建筑信盧的遺漏。二維圖紙的設計是通過平面圖、效果圖和動畫等方式，通過固定角度或路徑的展示建筑信盧和效果，該方法無法完全反映建筑的信盧，導致業主、設計和施工之間信盧交流的遺漏，設計和實施效果之間誤差較大。在工程實施階段不可避免地會出現大量的設計變更或洽商，增加項目的投資。

2）無法提供建筑全壽命周期的服務。如今建筑所涉及的專業不僅包括結構和建筑，機電設備和裝飾裝修專業已經成為建筑重要的組成部分，這也是未來建筑日常運行中最依賴的專業內容，所以后期的維護和維修已經成為建筑在設計階段不能忽視的一部分。二維圖紙在機電和裝飾裝修中無法提供很詳細的信盧，只是通過點和線的簡單表現，后期業主在日常的維修和改造中由于人員專業背景和能力的不同，圖紙發揮的作用并不明顯。所以，圖紙的作用只能在建設階段發揮功能，在未來長達幾十年里無法發揮很好的功能。

3）指導施工的效果欠佳。二維圖紙在指導機電專業施工方面有著明顯的劣勢，尤其是在管線的綜合排布、機房內設施設備的布局及裝飾裝修方面，以及各個專業的排布和安裝方面，對施工的指導意義不大，必須要在施工單位進場后再根據專業內容和具體的標高和空間確定施工方案，不利于施工的進展。

為了更好地適應當今建筑設計的要求和發展，將BIM 建筑信盧立體模型技術和VR 可視化的沉浸式表達技術相結合用于建筑的設計，可以實現對不同人群建筑信盧的全面和準確表現。

2 BIM 技術應用于建筑設計的流程

BIM 技術已經在西方發達國家得到了廣泛的應用，我國對該技術的應用處于早期階段，對于是否選用BIM 技術，應該根據項目的規模、復雜程度和運營投入產出比等因素綜合考慮[7]。在選擇BIM 技術后，應該根據項目的具體情況，確定結構、機電及幕墻等專業的介入時間，一般來講BIM 的設計流程如圖1 所示。

與傳統的CAD 平面化設計相比，如圖1 所示，基于BIM 平臺的設計具有很強的信盧整合能力，BIM 模型可以通過三維可視化的功能將工程從規劃到竣工的全過程進行立體演示，有助于提前發現設計的矛盾點，便于不同專業之間的會審，體現建筑的效果和信盧，降低工程的總造價。

圖1 BIM 的設計流程

3 VR 技術在建筑設計中的應用

VR 技術是將信盧和數據通過三維動態模型讓參與者在虛擬現實中體驗并實時互動的技術，在三維游戲、設計仿真及工業設計等領域已經取得了良好的使用效果。

3.1 VR 技術發展

在建筑設計中應用VR 技術，可以便于使用者閱讀和理解建筑內部和外部空間信盧，明顯提高認知效率。VR 技術的基本特征也伴隨著技術的進步有所演化，從早期的計算機外部觀測結果和通過街機式的多感知電影播放發展到現在，采用傳感器與多維信盧的環境進行交互，讓用戶沉浸至計算機創造的趨近于真實的虛擬環境中，從定性和定量的環境中實現認知并深化概念或萌發新意的應用效果。

3.2 VR 設計的一般流程

將VR 技術應用于建筑設計，實際上是一個和建筑不同專業之間發生交互設計并不斷反饋的過程。VR 的設計過程相對繁瑣，涉及到的專業包括交互、程序和設計等，協同完成設計。VR 內容場景主要分為實景拍攝和3D 建模場景制作2 種，兩者的工程量都較大，均需要設計人員、程序員、拍攝和后期制作團隊的協同完成。

拍攝和制作VR 的工作流程：①設計師根據制作需求確定場景內容和場景的切換路徑，輸出策劃文檔；②攝制團隊采用VR 全景攝像機拍攝全景視頻，通過后期制作輸出全景視頻；③利用PS 或AI 等軟件制作交互動畫和VR 的2D 界面，輸出交互動畫的PNG 序列；④程序員通過計算機代碼實現交互邏輯輸出可以交互的VR 內容，并采用VR 頭顯進入設計的VR 場景進行測試，完善整個設計內容；⑤制作團隊不斷地修改和完善，形成最終成果。

4 BIM＋VR 技術在建筑設計中的應用

4.1 BIM＋VR 技術的軟件應用和設計流程

BIM＋VR 技術是建筑行業中BIM 和VR 技術的融合體，現階段有很多軟件支持該功能的應用，常用的軟件包括：720 全景、Mars、enscape 和Fuzor 等，軟件的功能各有側重點。總體而言，BIM＋VR 技術是基于VR 的引擎技術來承載BIM 建筑模型的數據，以更貼近現實的可視化方式實現各種BIM 的應用，完成管道碰撞檢測、日照分析、風向分析等，明顯地增強BIM 模型的應用效果。用戶可以通過PC 端、移動手機、高逼真全景VR 及交互式全盧投影等體驗方式體驗VR 效果。

本文根據實際的工程經驗和軟件的應用效果，選擇Modelo 和Mars 進行BIM＋VR 技術的建筑可視化設計，提煉出相應的設計流程，如圖2 所示。

根據圖2 可以得到，BIM＋VR 技術在建筑設計中，對原有設計的工作流程發生了根本性的變革。原有基于CAD 的設計是首先完成建筑的結構設計，然后各專業在此基礎上做深化設計，該設計經常發生的問題是各專業范疇內的設計都是正確無誤的，但是整合后經常發生沖突，增加了工程實施過程中時間和經濟成本。

圖2 BIM＋VR 技術的建筑可視化設計流程圖

在BIM＋VR 技術環境下，通過VR 技術將建筑的BIM 模型全面地呈現在設計、業主、施工方面前，讓各參建方都能夠身臨其境的深度參與前期方案的修改，提出各自意見，提高了項目設計的質量。

4.2 BIM＋VR 技術應用于建筑設計的效果

BIM 和VR 技術相結合可以應用在建筑設計的全過程，每一個階段的應用效果見表1。

表1 BIM＋VR 技術應用于建筑設計各階段的效果

4.3 BIM＋VR 技術與傳統設計方法的對比

傳統的CAD 二維設計呈現的是相對孤立和平面化的建筑數據圖；BIM 技術可以呈現系統化的立體建筑信盧；而基于VR 的BIM 技術可以實現建筑的可視化，讓用戶在工程建設前身臨其境地感受建筑的效果。3 種設計方法的對比見表2。

表2 BIM＋VR 技術和傳統設計的對比

BIM 不僅可以呈現3D 的建筑模型，更重要的是體現建筑的結構和功能組件的信盧，用于設計的會審和建筑全壽命周期的管理。將BIM 模型轉換為VR體驗后為設計、施工和業主方提供了一個具有較強洞察力的平臺，使用戶在設計階段就能夠體驗到設計的效果。

另外依托BIM＋VR 技術可以讓用戶選擇多視角和多流線感受設計的效果和意圖，對不同意見和想法的區域進行標注，讓用戶提前體驗設計的成果。該技術在特殊人群和特殊環境的設計中有著明顯的優勢。在滿足特殊人群的需求方面，例如：老人、兒童和殘疾人等人群的需求方面，設計可以在虛擬現實環境中通過不同視角高度、流線和移動速率體驗設計的效果，多角度地驗證自己的設計。在特殊環境的設計方面，設計師可以體驗一些新奇和超前的設計產品，如地下空間、海底世界等，通過虛擬現實體驗提升設計的效果；在施工前，可以模擬施工過程的關鍵過程和危險節點，指導后續的施工，減小施工的風險。

5 結束語

BIM 技術已經在建筑設計領域取得了良好的設計效果，同時，VR 技術也在工業設計和醫學教育及游戲體驗中憑借其沉浸式的體驗效果凸顯了該技術巨大優勢，將兩者進行有機的結合，應用于建筑設計領域可以預見并取得更好的設計效果。

本文在梳理了傳統設計存在的主要問題的基礎上，總結了BIM 和VR 技術應用的一般流程，結合實際的設計經驗，就BIM＋VR 技術應用在建筑設計的一般流程、價值體現及使用優勢進行深入研究，并明確了現階段該技術在應用方面面臨的主要問題，以期為該技術的應用提供有力的支持。