“虛擬建筑”系統實現的關鍵技術研究

胡國建 畢振波

（浙江海洋學院數理與信息學院 浙江 舟山 316004）

0 引言

隨著“數字地球”提出以來，在建筑領域，“虛擬建筑”或“數字建筑”等名詞也應運而生。“虛擬建筑”是建筑學與信息科學相結合的產物，其本質是關于建筑領域里的數字化目標、數字化理論及技術支撐體系、數字化實施范圍和基本步驟等戰略性課題。就技術目的而言，“虛擬建筑”是為實現建筑領域的信息化、自動化、智能化、集成優化。其目的為適應數字化時代產業及經濟格局、滿足建筑全生命周期大量信息處理的要求，以及提高建筑的質量、運行效率、綠色、環保而采取的先進的建筑方法和技術體系；是關于數字化時代建筑策劃、設計、建造、運行、使用、維護和廢棄等整個生命周期的管理的理論、技術與方法的總稱。

近年來，國內外有關虛擬建筑的理論和方法產生了很多，作為一個多學科交叉結合的產物，近些年“虛擬建筑”的相關技術和應用得到了迅速的發展。本文從“虛擬建筑”應用實現的角度，結合建筑全生命周期，探討“虛擬建筑”系統實現中的關鍵技術。

1 “虛擬建筑”系統的特點

“虛擬建筑”并非是一個孤立的理論研究、技術開發或建筑科學應用項目，而是一種整體性和導向性的戰略思想和科學遠見的體現[1]。“虛擬建筑”系統主要包含三個方面的核心內容：BIM（Building Information Model,中文：建筑信息模型）理論基礎、技術支撐體系和建筑科學數據庫系統。三者的關系如圖1所示。

圖1 “虛擬建筑”系統的核心體系

從圖1看，“虛擬建筑”系統的特點是很明顯的：

（1）具有明確的服務對象。虛擬建筑系統是一個計算機系統，可以是一個龐大的功能全面的復雜的計算機系統，也可以是一個體量不太大、功能單一、專門處理某一類問題的計算機系統，但是它們服務的對象都是建筑學。

（2）具有嚴格的理論基礎。由于“虛擬建筑”系統需要處理建筑過程中的各類數據，數據海量而復雜，單一的數據格式不可能表達所有類型的數據，因此需要一種統一的業內認可的符合一定標準的建筑信息模型來表達建筑過程中的類型各異的數據。

（3）系統的實現需要多種技術的支持。實現“虛擬建筑”系統主要依賴的技術是計算機技術，尤其數據庫技術、網絡技術、軟件工程、人工智能、可視化和虛擬現實等，除此還需要各種數學優化、仿真、評價方法、傳感器、智能控制等技術，涉及多種學科。

（4）海量信息的數據存儲。如何快速、有效地把整個建筑過程的數據資料統一存儲于系統中，方便各個過程共享，是涉及到技術、標準、管理和法律等諸多方面的難題。不僅要求存儲設備有較大的存儲容量，而且要求后臺的數據庫的規模和類型合適，能夠方便集中與分布存式儲管理。

（5）數據的分散和有效集中。“虛擬建筑”系統不是一個獨立的數據庫或存儲倉庫，它可以超出物理場所的限制，可以是一個以用戶為中心、分布式的信息存儲空間，也可以是一個集中的有序的數據中心，還能滿足數據共享的非時空限制。

建筑過程中的數據特點[2]：

（1）動態性、模糊性。建筑過程每時刻都是變化的,虛擬建筑技術必須能夠體現時空動態變化，要能解決長時間序列空間數據的存儲、索引與操作分析等問題。建筑過程也是模糊的，如建筑的某些階段沒有明顯的界限，在階段上數據經常是重疊的、有跨度的，如果人為劃出清晰邊界，容易丟失信息。

（2）時空粒度與尺度。數據粒度不一,從許多建筑過程相關部門所有的數據來看,粗細差異較大,有些在時空上或屬性上是高層次的概括的,大粒度,有些在時空上或屬性上是低層次的詳細的,細粒度。時間粒度,比如有以小時記錄的數據,也有按天或周統計的數據。與數據粒度相連的是尺度現象。不同尺度的建筑現象需要用不同粒度的數據加以反映或描述。

（3）時間、空間和屬性互動。建筑是時空上動態的,且是時空互動,比如建筑的能耗,必定是與一特定的時間和空間聯系在一起的。建筑過程中必須表達屬性、時間和空間三方面相互融的動態,充分體現建筑的多維特性。

（4）數據的冗余性。不同的建筑階段需求，會導致不同的衍生數據，必然也會產生很多冗余數據。為了快速獲取各種原始的與衍生的數據,將各種數據存儲在虛擬建筑系統中,會使虛擬建筑系統臃腫混亂；同時需求各異,計算各異,在數據的組織上也會有困難,而不利于檢索查詢，也不利于虛擬建筑系統的版本更新。

上述建筑過程中數據的特性,決定著虛擬建筑系統的主要技術方法。

2 “虛擬建筑”系統實現中的關鍵技術

2.1 BIM

從全生命周期的角度看，建筑項目從策劃開始，到項目的設計、建造、運行、管理乃至拆解過程，無不伴隨著大量的物質、能源和信息的流動，而其中的信息流動最為關鍵。如何表達這些信息，目前在 “虛擬建筑”系統中最好的技術是BIM。國際標準組織設施信息委員會認為BIM是在開放的工業標準下對設施的物理和功能特性及其相關的項目生命期信息以可計算/可運算的形式來表現，能為決策提供支持，且能更好地實現項目的價值。還強調BIM將所有的相關方面信息集成在一個連貫有序的數據組織中，相關的計算機應用軟件在被許可的情況下可以獲取、修改或增加數據。

有了BIM，“虛擬建筑”系統可以遵循一定標準實現BIM定義的可計算/可運算的能被相關軟件獲取、修改或增加數據的功能。BIM不僅解決了建筑信息的創建，更重要的是構筑起各專業協同工作的平臺，為建筑全生命周期的實施提供了一種協調一致的信息管理和共享的方法[3]。BIM通過數字化技術，在計算機中建立一個虛擬建筑物，能為應用層提供一個單一的、一致的、完整的、邏輯的建筑信息庫。可以說是CAD之后的一項具有劃時代的建筑信息建模方法和技術，可以提供持續即時的整個周期的信息，可靠性強，集成程度高，能自我協調，不斷更新，供各種終端用戶訪問[4]。

“虛擬建筑”系統實現中，需要注意BIM的本地化，建立適合地區的BCMM(BIM Capability Maturity Model，中文：BIM能力成熟度模型)，使BIM這一指導方法和技術適應國內的建筑行業。基于BIM的“虛擬建筑”系統解決方案可以有三種：“超級軟件”模式,它包括了所有的建筑工程的功能模塊，共享一個中央數據庫，通過不同的接口，為不同建筑階段的終端用戶服務，但是管理的信息太多，要耗費大量的資源，可行性不強；以BIM建筑設計類軟件為核心，其它軟件通過某種數據格式和核心軟件交互；三是通過一種統一的建筑數據格式，使其能支持建筑全生命周期的信息,然后所有的建筑軟件都要能支持這種格式，則建筑軟件間的數據交流就可以實現[5]。總之，BIM是未來建筑行業發展的趨勢，是“虛擬建筑”系統實現的基礎。

2.2 本體技術

在傳統的建筑類軟件中，數據格式多是獨有的，不同軟件間數據格式不統一，共享多是通過數據接口實現簡單的交互，數據缺乏有效的關聯，雖然有了方便的網絡支持，軟件的協同計算也不是太理想，使得信息和計算服務的效率不能最有效的全局性的發揮。從用戶的需求看,他們希望“虛擬建筑”系統能靈活地識別、處理各個階段的信息，關聯知識，圍繞用戶信息需求活動來有效地組織數據資源和服務[6]。為此，引入本體技術，其最大好處在于共享和重用知識，是不同階段、不同系統間交流、協定并可以共享理解的表示。本體借助概念、術語及其相互關系的描述規范化，給出某一領域的基本知識體系和描述語言。可以通過領域本體、問題求解模型和表示本體對建筑過程對象進行描述。

“虛擬建筑”的核心就是建立建筑領域本體，是虛擬建筑中各種語義互操作不可缺少的工具，其建立需要一批不同建筑過程的能夠跨學科的專家對建筑領域知識達成共識，由于專家對不同建筑領域知識的共識會有差異,這需要通過部分先遵照標準，比如大家都遵循IFC，開始可允許“兼容模式”辦法先部分后全局地解決。建筑領域知識模型是對建筑領域信息結構化和圖形化的一種表達方式，其構建過程也是對建筑過程領域知識提煉和抽象的過程。通過對建筑過程重要實體、屬性、過程及其相互關系的發現和甄別，就可以建立建筑過程的中的領域本體，可以先以建筑過程中某個階段領域本體為基礎構建一個集成框架，逐步實現建筑某階段虛擬再現過程中利用自然語言與CAD系統的交互[7]。建筑領域知識模型是對建筑領域信息結構化和圖形化的一種表達方式，其構建過程也是對建筑過程領域知識提煉和抽象的過程。通過對建筑過程重要實體、屬性、過程及其相互關系的發現和甄別，就可以建立建筑過程的中的領域本體，可以先以建筑過程中某個階段領域本體為基礎構建一個集成框架，逐步實現建筑整個過程的領域知識模型[7]。

2.3 數字攝影測量

數字攝影測量是基于數字影像和攝影測量的基本原理，應用計算機技術、數字影像處理、影像匹配、模式識別等多學科的理論與方法，提取所攝對像以數字方式表達的幾何與物理信息，包括了計算機輔助測圖（常稱為數字測圖）與影像數字化圖。影像數字化測圖可利用計算機對數字影像或數字化影像進行處理，用計算機視覺（其核心是影像匹配與影像識別）代替人眼的立體量測與識別，完成影像幾何與物理信息的自動提取。該方法可通過專業軟件處理采集好的照片來得到待測點的三維坐標，這些照片可用CCD數字相機或高精度的專業相機通過在不同的位置和方向，對同一建筑物或與建筑相關的實體進行拍攝獲取，用專業軟件會處理這些照片，通過圖像匹配等處理及相關數學計算后得到待測點精確的三維坐標，處理完畢,被測對象的三維數據將會進入到坐標系統中，如以前測量過或處理過一樣。

在“虛擬建筑”系統中往往要建立真實建筑物的模型或真實場景，或進行建筑設計，尤其要恢復那些被毀掉的建筑物或者保護現存的古建筑，利用數字攝影測量就可以建立建筑物的幾何和物理模型，對工程測量和城市規劃也有重要意義。文獻[8]利用數碼影像與透視圖的成像原理相同，即同屬于中心投影，通過建筑二維影像，借助透視原理和幾何關系計算影像的內外方位元素，反求建筑相關基本體素的三維坐標，在三維空間中重新構建建筑物外形。這對“虛擬建筑”系統的快速實現具有重要的借鑒意義。

2.4 建筑虛擬現實技術

虛擬現實在建筑行業的應用已經很久，最早主要是用來逼真的三維可視化建筑物的內外場景。隨著信息技術在建筑領域應用的日益深入和成熟，建筑空間或相關建筑要素虛擬表現需要借助虛擬現實，而且要同后天的海量數據建立聯系,在此基礎上同一定的真實感建立對應，則有助于建筑相關計算和理解。“虛擬建筑”系統除了功能上的強大，數據的表現還需人性化和具有高逼真的可視化，尤其對于不可建立環境，如極惡劣的自然環境,可以利用系統的虛擬現實功能對其進行虛擬表現[9]。因此，現在和未來很長一段時間，虛擬現實技術仍將是 “虛擬建筑”系統中一項重要的需要繼續深入研究的技術，其關鍵是如何與后臺數據建立聯系并能快速表現。

2.5 參數化設計技術

“虛擬建筑”系統要能參數化計算或參數化設計，關于參數化設計是工具還是思維的爭論較多，爭論的焦點主要是考慮到建筑設計及相關過程的復雜性，基于參數化設計的軟件系統體系龐大復雜，且牽涉到建造、與社會工藝等結合的許多問題。多數人認為要做的工作繁多，簡直不可想象，認為是一種指導建筑軟件發展的思維方式而已，不可能實現[10]。但本文認為隨著行業對“虛擬建筑”加深認識，借助高速發展的相關技術及BIM的實施，其必將作為“虛擬建筑”系統中的一項關鍵技術，在未來完全是可以實現的。

參數化設計的成功依賴于一些規則和邏輯的制定，這些規則的制定應由有素養的建筑師對建筑問題的分析得出，當前的應用實現可以借鑒犀牛腳本之類的工具。參數化設計本質上是一種構件組合設計，借助人工智能的邏輯、推理、篩選和判斷等方法，先對已經建好的構件（為族）設置相應的參數，使參數可以調節，進而驅動構件形體發生改變，自動生成，滿足設計要求[4][10]。這種方式將建筑構件的各種真實屬性通過參數的形式進行模擬，還便于相關數據統計和計算，建筑構件不僅僅是虛擬的視覺構件，而且可以模擬除幾何形狀以外的一些非幾何屬性，如材料的強度、材料的傳熱系數、構件的造價、采購信息、受力狀況等。對參數定義屬性的意義在于可進行各種統計分析，如材料表統計，在“虛擬建筑”系統中是完全自動化的，而參數化更重要的功能是可進行結構、經濟、節能、疏散等方面的計算和統計，甚至能進行建造過程的模擬，最終實現虛擬建造。這與3DS MAX建立的模型，如墻與梁具有本質的的差別，它們只是建筑師在視覺上假設的墻與梁，它們無法參與到數據統計分析中，更不能用來進行各種信息處理。“虛擬建筑”系統中參數化設計仍需要做的一項工作是構件關聯設計，將參數關聯起來可實現關聯設計[10-11]。

3 結語

“虛擬建筑”系統實現中的關鍵技術其實還有很多，如大規模數據庫技術、多媒體處理技術、計算機網絡和通信技術、智能搜索與運算分析技術、時空過程可視化技術、信息安全技術、多源信息的一體化集成顯示技術、分布式和協同技術等。但由于這些技術在其他學科相對成熟，與建筑結合相對容易，故本文重點對上述 “虛擬建筑”系統實現中需要深入研究的幾種與建筑密切相關的關鍵技術進了探討。需要說明的是，“虛擬建筑”系統未來實現后，雖然方便易用，但不等于不懂建筑的人也能進行建筑設計和分析，并可完全取代建筑師；當然，“虛擬建筑”系統的實現在當前和未來仍需要克服許多的技術和非技術的困難，這取決于社會的大分工體系，能有一個社會構架和一些相關的標準化體系作為前提[10]，但是現在可以局部地和分階段地實現“虛擬建筑”系統。

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