基于BIM的結構虛擬實驗室建設探索

劉燦

【摘 要】文章介紹了BIM和VR技術的概念，闡述了BIM、VR及有限元的關系，討論了結構虛擬實驗室在科研及教學工作上的優勢及未來發展趨勢，為結構虛擬實驗室的建設方向提供了嶄新思路。

【關鍵詞】BIM；VR；有限元；結構虛擬實驗室

【Abstract】This paper introduces the concept of BIM and VR technology，expounds the relationship between BIM，VR and finite element， discusses the advantages and future development trend of structural virtual laboratory in scientific research and teaching work，providing new ideas for the construction of structural virtual laboratory.

【Key words】BIM；VR；Finite element；Structural Virtual Laboratory

1 BIM技術概述

1.1 BIM概念

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是繼CAD技術后建筑行業又一項重要的發明。不同于傳統的CAD或3D建模技術，BIM是一個集成了建筑物從設計、施工到完建后運營、維修保養、直至回收處理的全壽命周期信息的三維模型數據庫。項目各階段信息相輔相成，對項目任意數據進行修改，會引起與其相關聯的其他信息的變化。

1.2 BIM研究與應用現狀

目前國內外關于BIM的研究主要集中在三個方面：

1）信息技術類研究，主要體現在完善BIM軟件系統；

2）理論指導類研究，主要體現在完善BIM相關技術標準并以學術形式公開研究成果；

3）實際工程類研究，主要是關于BIM技術如何在工程項目中實現的研究。

BIM技術在國外發達國家應用較廣泛，涉及規劃、設計、施工、運營各個階段，但是國內僅少數發達地區應用BIM技術，如上海中心大廈、河北奧體中心、上海世博會德國館、天津港國際郵輪碼頭等，且應用主要集中在設計和施工方面，遠遠沒有實現在全壽命周期的應用。我國BIM發展的主要問題在于沒有完善的標準以及軟件系統。

2 VR與BIM的技術融合

VR技術即虛擬現實技術，是通過電腦模擬產生一個三維虛擬世界，提供給使用者如身臨其境般的全感官模擬。VR技術可與很多相關學科領域交叉，研究內容涉及計算機圖形學、傳感器學、心理學、醫學、人工智能、計算機科學、智能控制等[1]。其最早起源于美國，歐洲發達國家在軍事和航空方面的探索和應用較多，亞洲的日本在虛擬現實技術方面處于世界領先地位，其主要致力于大規模虛擬現實知識庫的研究，另外在虛擬現實游戲方面也做了不少工作[2]，日本的NEC公司開發了一種虛擬現實系統能讓操作者使用“代用手”去處理三維CAD的物體模型[3]。

VR技術能夠提供用戶全感官體驗，但是暫時無法集成豐富的數據信息，BIM技術正好彌補這一缺陷，使VR技術不僅僅局限于場景展示的單一功能；借助VR，又可以將通過BIM系列軟件建立的三維模型渲染得分外逼真，給用戶展示幾近真實的建筑物。VR技術與BIM技術互取優勢，相得益彰。

3 結構虛擬實驗室建設探索

事實上，融合BIM與VR技術已經可以實現建筑結構三維模型的全真展示，但若進一步融入有限元，并充分利用其后臺結構計算功能，建立特定的結構虛擬實驗室，將能更好地為土木工程的教學及科研工作服務，主要體現在：

1）科研方面

其一，科研工作者在開展真實試驗之前，可以借助結構虛擬實驗室，進行預演預算，相比單一的有限元計算，由于感官體驗的直觀性，有助于更準確的試驗結果預估預判，減少不必要的時間和材料浪費；

其二，虛擬實驗室有助于完成一些危險系數或者成本較高的試驗項目；

其三，科研工作者可借助虛擬實驗室平臺完成資源共享，于同一項目人員而言，意義體現在遠程合作、協同試驗。若試驗有所成果，虛擬實驗室可以作為一個數字共享平臺，類似于各類數據庫的文獻共享，作為一種全新的成果展示及共享方式，為世界各地研究人員的科研工作提供便利。

2）教學方面

結構試驗耗材昂貴，即使是采取參觀或演示的方式進行教學，對于大多數高校而言也是一筆不小的費用，更不用說讓每位學生動手操作。若借助虛擬實驗室，安全問題和經濟問題均可以得到較好的解決，從而保障學生實踐能力得到鍛煉，提升工程學科的教學質量。

4 結構虛擬實驗室的建設難點

結構虛擬實驗室的建設難點在于BIM建筑模型與VR虛擬現實平臺的數據交互對接、VR虛擬現實技術與有限元軟件前后處理器的混合編程對接等，目前尚處于初步研究階段，并不成熟。

其中，有限元軟件與BIM&VR的交互，需注意的是，有限元需要將建筑物的三維幾何模型轉換為一個適當抽象的模型，這往往通過減少模型幾何維數或刪減次要細節得到[1]，因此二者交互急需實現的是將三維模型自動轉換為有限元中的抽象模型。抽象模型生成后，由前處理器完成有限元網格劃分；分析每一個有限元網格，由后處理器完成可視化分析（應力應變云圖、位移云圖等）。最后通過VR平臺直觀地展示有限元分析結果。

5 結構虛擬實驗室發展趨勢

1）BIM&VR平臺與有限元前后處理器的自適應交互將進一步發展，有限元分析結果有望實現虛擬現實即時顯示；

2）雖然結構虛擬實驗室具有成本低、效率高、功能全、協作性強等優點[4]，但是真實試驗環境十分復雜，且可變性強，實現準確模擬困難程度高，因此未來的結構虛擬實驗室須做到更為準確地模擬試驗環境，以期獲得更準確的試驗預測結果或者試驗展示效果，更好地發揮結構虛擬實驗平臺的功能。

3）目前的虛擬實驗室已能實現協作試驗，未來的虛擬實驗室可作為一個大型的數字共享平臺，不同于傳統的文獻數據庫，以全新的形式完成研究成果共享，為世界各地研究人員提供便利。

BIM、VR、有限元的技術融合，具有巨大的發展潛能，虛擬實驗室平臺的逐步發展，將為科研及教育方式帶來更重大的轉變。

【參考文獻】

[1]李道中.虛擬現實環境中有限元前后處理功能的實現[D].遼寧：大連理工大學，2007.

[2]張博.虛擬現實技術在結構分析中的應用[D].河北：河北大學，2011.

[3]胡小強.虛擬現實基礎與應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2009.

[4]劉筱蘭，等.虛擬實驗室的類型及發展趨勢[J].計算機應用研究，2004（11）：8-10.

[責任編輯：田吉捷]