基于BIM技術的大型建筑景觀三維仿真系統設計與實現

朱子君+張玉龍+崔玲玲+曹海云

摘 要： 建筑景觀項目具有多樣性、復雜性的特點，導致傳統解析法在設計建筑景觀三維圖像過程中各指標之間的關聯性較低、建模效率低、圖像質量差。提出一種基于建筑景觀信息模型（BIM）技術的大型建筑景觀三維仿真系統，采用BIM中的Navisworks對建筑景觀項目進行整合、閱覽，給出了建筑景觀Navisworks信息的組織形式。基于COM開發Navisworks三維仿真平臺，依靠Navisworks軟件平臺實現建筑景觀模型與仿真數據的三維展現。采用CAD實體建模技術，實現大型建筑景觀三維仿真系統的建模，并在Navisworks可視化軟件中對建筑三維仿真模型進行渲染，得出建筑景觀三維仿真圖像。給出建筑景觀三維仿真系統的具體實現方案，并依據動態演示功能，掌握建筑景觀三維仿真的施工進度。實驗結果表明，所設計系統構建的大型建筑景觀三維仿真圖像清晰度高、系統耗時短、性能優。

關鍵詞： BIM； 建筑景觀； 三維仿真圖像； 仿真系統

中圖分類號： TN911?34； TU990.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0111?04

Design and implementation of large?scale building landscape 3D simulation system

based on BIM technology

ZHU Zijun， ZHANG Yulong， CUI Lingling， CAO Haiyun

（Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract： The building landscape project has the characteristics of diversity and complexity， which lead to the low correlation among each indicator， low modeling efficiency and poor image quality while using the traditional analytic method in the design process of the building landscape 3D images， so a large?scale building landscape 3D simulation system based on building information model （BIM） technology is proposed. The Navisworks in BIM is used to integrate and read the building landscape project. The Navisworks information organization form of the building landscape is given. The Navisworks 3D simulation platform was developed based on COM. The 3D display of the building landscape model and simulation data was realized by means of Navisworks software platform. The CAD entity modeling technology is adopted to model the large?scale building landscape 3D simulation system， and render the building 3D simulation model in Navisworks visualization software to obtain the building landscape 3D simulation image. The specific implementation scheme of the building landscape 3D simulation system is given. The construction progress of the building landscape 3D simulation is mastered according to the dynamic demonstration function. The experimental results show that the large?scale building landscape 3D simulation image constructed by the system has high resolution， and the system has short time consumption and optimal performance.

Keywords： BIM； building landscape； 3D simulation image； simulation system

0 引 言

隨著經濟的快速發展和人們生活水平的不斷提高，建筑行業也呈現出繁榮的發展態勢[1?3]。高質量的建筑規劃方法可大大降低項目成本，還能夠加快設計、施工、運營等各個階段的進度，在此基礎上還保證了建筑品質，給投資企業帶來可觀的利潤[4?6]。建筑規劃方法中的關鍵部分是建筑景觀的三維仿真塑造方法。因此，尋求有效的建筑景觀三維仿真塑造方法，具有重要的應用價值。但是目前的建筑景觀三維仿真系統都存在一些缺點，如文獻[7]提到的HCAD建筑仿真系統，基于Auto CAD等第三方軟件平臺對建筑仿真系統進行二次開發，對建筑施工圖進行繪制、設計。該方法的缺點為在三維仿真方面技術成熟度較低，只能進行簡單的二維建筑規劃、繪圖等工作，實用性不高。文獻[8]設計了OpenGL建筑景觀仿真系統，將地理信息數據加入建筑景觀仿真系統中，讓二維設計與地理信息密切結合，更好地顯示建筑景觀的仿真效果。但在建筑景觀仿真過程中，該系統的計算量較大，延長了建筑設計周期，增加了成本消耗。文獻[9]提出了基于遺傳算法的建筑景觀設計，此方法將建筑景觀的設計簡單而抽象地表達為數學函數模型，通過計算得出建筑景觀中變量的關聯性，依據該關聯性進行建筑模型設計。該方法中的數學函數式不能清楚地表達建筑模型中各變量間的關系，而且對于建筑景觀與各變量之間的影響分析不明確，不能滿足目前對建筑景觀設計的需求。

為了解決以上的問題，提出一種基于BIM技術的大型建筑景觀三維仿真系統。實驗表明，所設計系統構建的大型建筑景觀三維仿真圖像清晰度高、系統耗時短、性能優。

1 大型建筑景觀三維仿真系統設計與實現

建筑信息模型即為BIM（Building Information Modeling）技術，它是將建筑景觀的全部信息通過數字仿真的形式表現出來，其中包括三維幾何形狀數據與非幾何數據信息，比如建筑項目所需的材料、價格、項目進度等數據。

1.1 分析建筑景觀三維仿真系統的構建平臺

Navisworks軟件平臺在建筑信息模型（BIM）工作流中處于關鍵地位。采用Navisworks塑造建筑景觀三維仿真系統時，項目規劃人員在Navisworks軟件平臺上，對建筑景觀項目進行整合、閱覽，獲取建筑景觀三維仿真模型，協助用戶得到建筑景觀的信息模型（BIM），給建筑景觀項目相關方的工作增加核心競爭力，加快工程進度。Navisworks軟件平臺將Auto CAD 和Revit軟件塑造的設計數據，與其他設計工具獲取的信息融合，塑造成建筑景觀三維模型，將建筑景觀設計方案以三維仿真形式進行預覽。基于BIM技術的大型建筑景觀三維仿真不但包括施工現場的填挖情況、施工進度等動態邏輯關系，還有關于建筑施工場地、環境、建筑物位置等空間信息。建筑景觀三維仿真工程進度時間數據導入功能和外部數據庫連接功能，能夠及時獲取建筑景觀三維仿真處理時間和建筑工程的數據信息。其中，建筑景觀的Navisworks信息組織形式如圖1所示。Navisworks平臺中的三維數字模型和三維數據信息依靠標示符關聯在一起，按照特定規則將建筑景觀三維模型和具體時間參數連接，讓各個圖形單元快速組成三維數字模型，并與時間參數建立對應關系，以達到直觀表達建筑景觀三維仿真的目標。其中，建筑景觀三維模型與進度規則如圖2所示。

1.2 基于BIM的大型建筑景觀三維仿真系統的開發

1.2.1 采用API應用程序接口拓展系統

BIM中的Navisworks軟件平臺，能夠根據用戶操作的熟練程度，提供滿足不同用戶需求的建筑景觀三維模型。Navisworks支持軟件平臺二次開發，并且提供了API應用程序接口，對建筑景觀三維仿真系統進行拓展，滿足用戶的不同需求。API應用程序接口的主要功能如下：

（1） 為了加強他人對于建筑景觀設計理念的理解，將設計的建筑景觀三維仿真模型交互式版本放在互聯網上，以供瀏覽；

（2） 將Navisworks中設計的建筑景觀對象信息與外部數據庫相關聯。用戶可進行模型審閱、建筑地點訪問、查看運營信息等活動；

（3） 設計圖集能夠自動寫入Navisworks軟件平臺中，生成實時報告；

（4） 在用戶的應用系統中插入交互式三維窗口，將設計圖像輸出至圖片文件儲存器中，在Navisworks存入快照，并將Navisworks用作GUI組件查看建筑景觀的三維界面；

（5） 將建筑景觀三維仿真模型中的沖突報告、特殊圖像全部輸出為HTML格式報告。

1.2.2 基于COM開發Navisworks三維仿真平臺

Navisworks使用基于COM 的開發方式。COM 接口較為簡單，可通過多種編程語言編寫代碼。將建筑景觀組件作為發布單元的對象模型即為COM（Component Object Model）。其中的建筑景觀組件根據COM規則編寫，用WIN32動態鏈接庫形式發布可被執行的C語言二進制代碼。COM規則中的核心部分為建筑景觀對象與接口。接口是一組函數模型的具體數據結構，用戶可以根據此數據結構調用組件對象。被封裝的組件對象一般通過動態數據庫的形式呈現。COM總體結構如圖3所示。

COM 支持大部分和Navisworks 等價的功能，如操作文檔、運行動畫、設置視點等功能。并且可將建筑景觀三維仿真模型與外部 Excel 電子表格連接，在軟件窗口的對象特性區域顯示建筑景觀信息；將建筑景觀三維仿真模型進度同 Microsoft Project 鏈接，設置建筑景觀三維仿真項目的時間進度。

1.2.3 大型建筑景觀三維仿真建模

（1） 建筑景觀三維仿真系統數據處理流程。構建建筑景觀三維仿真模型，可實現建筑項目可視化審閱和分析。三維仿真模型能夠清晰地表現出施工現場及工程內建筑物的動態信息，包括施工位置、渣料場的使用狀況、地形挖填狀況等，都能被清楚地展示出來。采用第1.2.2節塑造的Navisworks三維仿真平臺，可快速生成建筑景觀場景的三維仿真圖像。Navisworks三維仿真平臺依靠數據采集、地形數字化與建筑物建模等步驟，把建筑參數信息導入Navisworks中進行渲染，得出建筑景觀三維仿真圖像。建筑景觀三維仿真系統數據的具體處理過程如圖4所示。

（2） 建筑景觀三維建模。Navisworks軟件平臺通過CAD實體建模技術，實現大型建筑景觀三維仿真建模。將建筑物按照二維設計的方式劃分為獨立的部分，分析各部分間的關系，確定建筑物的具體空間形體信息。由于建筑物多數都是不規則形狀，所以需對不規則形狀的部分進行精密劃分，規范成具體形狀，如矩形、棱柱、圓柱等，再依靠CAD軟件平臺繪制出建筑景觀各個部分的三維仿真模型。其中無法精密劃分的不規則建筑景觀形狀會自動組成單元，通過多次修改編輯，得到基本圖元。將基本圖元參照空間結構關系層次依次組合，構成整體建筑景觀三維仿真模型，如圖5所示。在Navisworks可視化軟件中添加建筑三維仿真模型，進行渲染，得出建筑景觀三維仿真圖像，如圖6所示。

2 基于BIM的大型建筑景觀三維仿真系統的實現

2.1 建筑景觀三維仿真系統實現方案

基于BIM技術中Navisworks軟件平臺的特點與優勢，設計建筑景觀三維仿真系統的二次開發功能，完成大型建筑景觀三維仿真系統的搭建。基于BIM技術的大型建筑景觀三維仿真系統帶有人機接口，具有操作簡單，便于維護的優點，實用性高。建筑景觀三維仿真系統的實現流程為：根據建筑景觀項目中建筑景觀的特點與周邊樞紐情況，制定設計建筑景觀三維仿真工程中所需的三維仿真模型；再將該三維仿真模型添加到Navisworks軟件平臺中進行渲染，使得三維仿真模型中的動態仿真數據信息轉化為能夠被Navisworks軟件平臺讀取的文件格式。Navisworks軟件平臺規劃出時間參數信息及屬性信息后，依靠Navisworks軟件平臺中的二次開發功能，完成對于大型建筑景觀的三維仿真仿真處理，具體過程如圖7所示。圖7中描述的大型建筑景觀三維仿真系統的主要功能有：動態演示建筑景觀三維仿真建模的施工過程，動態演示分項建模工程施工狀況，建筑景觀建模中仿真數據的可視化處理。

2.2 建筑景觀三維仿真的施工過程動態演示

Navisworks軟件平臺中的Time Liner模塊能夠對建筑景觀三維仿真的施工過程進行動態演示。Time Liner模塊將用戶上傳的建筑三維仿真數字模型與施工進度進行整合，采用實體句柄作為標示符，制定起始外觀狀態與任務類型，生成建筑景觀三維仿真建模施工過程的三維動畫。建筑施工場景中的巡航動畫由Animator 模塊制作完成，巡航動畫可以與Time Liner動畫相連，使用戶能從不同角度審閱建筑景觀三維仿真的動態施工情況，把握建筑景觀三維仿真的具體施工進度。圖8為某時刻建筑景觀三維仿真的施工狀況。

3 實驗分析

為了驗證本文提出的基于BIM技術的大型建筑景觀三維仿真系統的有效性，進行實驗分析。

3.1 建筑景觀三維仿真圖像質量分析

為了驗證本文方法構建的建筑景觀三維仿真圖像質量，進行實驗分析。實驗分別用傳統解析法和本文方法，對某地區的大型建筑景觀進行三維仿真處理。實驗結果在512 MB內存、32 MB顯存的計算機客戶端顯示。采用本文方法構建的建筑景觀三維仿真圖，如圖9所示，采用解析法構建的建筑景觀三維仿真圖，如圖10所示。

由圖9、圖10可見，使用本文方法繪制出的大型建筑景觀三維仿真圖像逼真、清晰，而傳統解析法模糊、不直觀。說明本文方法對于大型建筑景觀的三維仿真處理能力明顯優于傳統解析法，可獲取令人滿意的結果。

3.2 耗時分析

實驗采用傳統解析法和本文方法，對實驗建筑景觀進行三維仿真處理。實驗過程中，兩種方法的耗時情況如圖11所示。

分析圖11可得，本文方法在塑造建筑景觀三維仿真圖過程中消耗的時間遠遠低于傳統解析法，具有較高的處理效率。

3.3 設計性能分析

為了驗證本文提出的方法在性能上具有優越性，對本文方法的設計性能進行分析。實驗采用傳統解析法和本文方法，對建筑景觀進行三維仿真處理，對比其中各項參數，進行性能分析。實驗結果如表1所示。

分析表1可知，傳統解析法在建筑景觀設計過程中，工程費用率高、耗能多、作業效率低、性能較差，不能滿足各個性能指標的需求。而本文方法在設計過程中，各項性能指標都優于解析法，設計性能明顯優于傳統解析法，具有較高的優勢。

4 結 論

本文提出一種基于BIM技術的大型建筑景觀三維仿真系統，采用建筑景觀信息模型中的Navisworks對建筑景觀項目進行整合、閱覽，給出了建筑景觀Navisworks信息的組織形式。基于COM開發Navisworks三維仿真平臺，依靠Navisworks軟件平臺實現建筑景觀模型與仿真數據的三維展現。采用CAD實體建模技術，實現大型建筑景觀三維仿真系統的建模，并在Navisworks可視化軟件中對建筑三維仿真模型進行渲染，得出建筑景觀三維仿真圖像。給出建筑景觀三維仿真系統的具體實現方案，并依據動態演示功能，掌握建筑景觀三維仿真的施工進度。實驗表明，所設計系統構建的大型建筑景觀三維仿真圖像清晰度高、系統耗時短、性能優。

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