基于BIM模型的虛擬現實數字化建造技術

顧春歡

摘 要：BIM模型和虛擬現實技術是現在建筑設計和建筑施工行業中運用比較廣泛的技術，這里分別介紹了BIM模型和虛擬現實技術在這個行業中的應用側重點和具體應用方法。并主要講述了BIM模型+虛擬現實技術在建筑的設計、建筑施工、建筑運維的全生命周期中各階段的不同使用方法，可以完善后期建筑運維工作，推動我國建筑行業的數字化建造技術。

關鍵詞：數字化建造；虛擬現實技術；建筑設計；建筑施工

中圖分類號：TU755 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0125-02

BIM建筑信息化模型和虛擬現實技術在各自的領域中都有著不同的作用和用途。BIM模型以它模型的精細程度和所帶有的各種信息屬性而被廣泛應用于工程建設行業，虛擬現實技術以效果的真實性、場景的沉浸感被廣泛應用于傳媒娛樂行業。現在我們可以通過各種軟件的協同操作可以把BIM模型的高精度、真實信息數據和虛擬現實的寫實效果、高度沉浸感想結合，來創作出基于真實信息和真實效果的不同體驗。本文通過將這兩項技術的綜合應用帶來了幾種不同方式的最終效果呈現。

1 相關介紹

1.1 BIM技術

BIM（建筑信息化模型）英文全稱是Building Information Modeling，從名字來看包括兩個部分：Information（信息）和Modeling（模型），他們是兩個相對獨立的載體，然而把各種建筑部件信息、施工信息等結合到模型中之后就形成了建筑信息化模型。BIM模型相較于其他模型多了很多建筑信息在里面，比如建筑的材質、高度、體積、構件型號、價格。所以使用BIM技術的最終目標是通過數字化建造技術，使項目在大量的工程數據中進行更好的可控化管理，數字化模擬施工進度，減少圖紙和施工誤差，從而縮短施工工期、節約施工成本，并能更好的進行數字化運維工作。

1.2 虛擬現實技術

虛擬現實技術是通過計算機建模、渲染出一個虛擬的物體或環境，然后通過人體佩戴設備與計算機生成的虛擬物體或環境進行三維信息交互操作的一種視聽方式。

虛擬現實技術主要包括：計算機三維環境模型、人體佩戴設備（交互傳感器）、虛擬現實引擎軟件。目前常用的制作軟件是Unity 3D、Unreal Engine 4、CryENGINE等實時渲染引擎，常規佩戴設備有HTC vive、Oculus Rift、Gear VR、Playstation VR、HoloLens等。人體通過佩戴虛擬現實的設備后可以身臨其境的沉浸在數字化模型的環境中，并通過交互傳感器和數字化模型進行交互操作。

2 基于BIM模型的虛擬現實技術在行業中的不同應用

2.1 在建筑設計以及城市規劃中的綜合應用

在常規的建筑設計初期，都會先進行設計建筑周邊的測繪，在進行城市規劃初期也會進行規劃地的測繪，需要花費大量的時間。

現在可以通過無人機的航拍來實現測繪，也就是現在應用比較多的傾斜攝影技術，可以快速得到虛擬三維模型。針對不同大小項目及地形的大小可以變換不同的方式來實現航拍測繪，主要有以下三個方式來獲取虛擬三維模型必要的數據圖像，然后再進行后續處理后使用。

第一種主要針對單體項目，可以通過無人機多層次環繞需要建立虛擬三維模型的物體，進行不間斷的連續拍照來得到物體的環繞圖像。

第二種主要針對建筑物周邊地形，相對于第一種單體而言建筑物周邊地形面積大，環境更加復雜，如果只是環繞拍攝會有很多視覺死角無法拍攝到給后續建立虛擬三維模型帶來錯面、漏面的問題。所以可以采取單鏡頭5航線的方法來進行拍攝，首先可以對無人機指定需要虛擬三維建模的地形區域，然后由此來規劃出5條拍攝航線，分別是1條垂直視角航線拍攝，和4條傾斜視角航線，分別由東南西北4個方向向西北東南方向飛行拍攝。由此得到5個方向不間斷的連續拍攝圖像。

第三種主要是針對規劃類項目，相對于第一、第二種來說需要生成的虛擬三維模型面積更大、需要拍攝的圖像更多。如果采用單鏡頭5航線的方法，會花費過多的時間成本。所以可以采用5鏡頭單航線的方法來縮短無人機航拍時間。這里需要使用特殊的相機系統來實現單航線拍攝的需求，需要1個垂直相機、4個傾斜相機組成的相機系統來進行同步拍攝。只需要無人機按一條航線逐行飛行規劃區域，就能得到同一位置點上同步拍攝的5張照片，一條航線上所有的位置點拍攝的5組照片就能得到5組不間斷的連續拍攝圖像。

通過上面三種方法得到不間斷連續拍攝圖像序列后，導入照片建模軟件，通過軟件對所有圖像序列的計算分析，可以得到一個三維模型數據，然后再通過軟件對圖像序列的處理生成一個適合于前面得到的三維模型數據的模型貼圖，就能組成最終的虛擬三維地形模型。

經過計算獲取的最終虛擬三維模型可以導入BIM軟件中進行運用。可以在虛擬三維模型中加入設計的BIM建筑模型查看整體風格、可以在虛擬三維模型中進行風力流動等運算、可以在虛擬三維地形模型中加入規劃后的bim城市規劃模型通過VR眼鏡等方式瀏覽規劃后城市整體效果。使建筑設計人員和城市規劃人員能更直觀的看到設計和規劃方案完成后的樣子，幫助設計人員和城市規劃人員更好的完善他們的設計和規劃方案。

2.2 在建筑施方案工策劃以及建筑施工過程中的綜合應用

常規的建筑施工方案策劃和建筑施工都是通過使用CAD圖紙來查看建筑的結構、節點、水電等信息來進行施工方案的策劃以及施工，并不是特別直觀。

現在我們可以通過CAD圖紙在BIM軟件中快速地建立好BIM模型，在建立BIM模型的同時就能進行圖紙復核、碰撞檢查、各專業方案協調等一系列工作。既達到了BIM虛擬三維模型的可視化效果，使CAD圖紙具象化方便檢查和溝通，又對設計圖紙進行了查錯處理，使以前只有在施工時才會發現的圖紙問題得到了提前的解決，保證了施工方案策劃的準確性和后續施工的順利進行。

在BIM模型建立完成、施工方案策劃完成后，可以在BIM軟件中或者導入3ds max中根據施工方案的進度計劃來調整模型的施工動畫，并在制作工程中根據實際物體屬性給予不同的物體材質屬性，完成后再對場景進行光照模擬，以達到更真實的效果。

在以上動畫、材質、燈光都建立完成后，可以進行施工動畫瀏覽路徑和視角的設立。瀏覽路徑的設立主要是為了更好地看清虛擬施工中的主體流程施工步驟，以及重要節點施工和專項施工過程。路徑設立完成后，可以對路徑進行360度圖像的渲染輸出，以得到全景圖像。再通過剪輯軟件的編輯，就可以生成全景影像，并能輸出到各種不同的VR設備，進行BIM模型虛擬施工的路徑瀏覽。

還有另一種方法也能進行BIM模型虛擬施工的瀏覽，并且不設置路徑像在游戲中一樣暢行，可以通過VR設備進入到BIM模型的任意地方進行查看施工進度等一系列操作。我們可以把做好動畫、材質、燈光的BIM模型導入到虛擬現實引擎中，比如Unity 3D、Unreal Engine 4、CryENGINE等實時渲染引擎等都可以，然后對材質燈光等進行簡單的調整以適應不同的虛擬現實引擎的計算，通過引擎的校對、模擬、編程等達到可視化效果，并根據不同VR設備對BIM模型輸出生成不同格式的VR文件。然后在VR設備中進行任意地點的BIM模型瀏覽體驗。使BIM模型能更切實的被應用到VR體驗中，幫助施工方案的策劃人員和施工人員進行更好的溝通和討論施工方案。

2.3 在建筑運維中的綜合應用

常規的建筑運維管理中如果某個設備損壞需要維修，那必須通過相關工作人員去查找該設備的身材產商、型號等資料，然后再聯系生產廠商或者供貨商來進行設備的維護維修工作，操作的過程時間較長，效率較差。

現在可以運用基于BIM模型的混合現實技術（MR）來實現快捷的建筑運維管理。不管在建筑設計階段是否建立了BIM模型，都可以在后期重新建立BIM模型來實現混合現實技術的建筑運維管理。

用于建筑運維管理的BIM模型相較于普通BIM模型，需要更多Information（信息）來支持后續的操作需要，比如設備的廠商信息、設備型號、供應商聯系方式等都需要在建立BIM模型時就將這些信息建立進去，所以建立用于建筑運維管理的BIM模型的工作量會比建立普通BIM模型的工作量大很多，而且對信息的需求更加的多和細致。模型建立完成后，需要和已經建成的建筑進行點對點的定位綁定操作，使BIM模型能和已建成建筑疊加顯示，這樣才能進行后續的交互操作。綁定完成后可以導入MR設備中，通過佩戴MR眼鏡可以在現實建筑中疊加看到虛擬的BIM模型，比如看到現實建筑中的設備時可以通過顯示菜單來查看該設備的生產廠商、型號、供應商聯系方式等一系列參數，這樣設備需要維護維修時就可以立即找到供應商來進行維護維修。再比如對著現實建筑中的墻體可以疊加看到BIM模型中預埋在墻體里的管線設備等，在墻上打洞或安裝其他設備時可以避開墻中的管線，避免不必要的誤操作引起的管線損壞及維修。

2.4 在建筑展覽、展示中的綜合應用

在展覽、展示中經常用到沙盤來展示建筑及城市規劃，傳統的沙盤展示都是通過等比例縮放來制作建筑模型及城市規劃模型。制作周期長，改動不方便。

現在可以通過BIM模型配合VR設備來實現數字城市的沙盤展示效果。可以通過無人機傾斜攝影建立虛擬三維地形，然后把BIM建筑或是BIM城市規劃模型在BIM軟件中嵌入到虛擬三維地形中，并在BIM模型中加入相應的信息，制作成一個數字沙盤需要使用的BIM模型。接著通過導入到虛擬現實引擎中，比如Unity 3D、Unreal Engine 4、CryENGINE等實時渲染引擎等，然后對數字沙盤BIM模型的材質、燈光等進行調整計算，通過虛擬現實引擎的編程加入可以顯示的菜單、顯示的信息、顯示的圖像視頻等，生成可用于數字沙盤顯示屏的數字沙盤BIM模型文件，并打包輸出到數字沙盤顯示屏中。參觀者佩戴數字沙盤配對的虛擬現實設備后就可以觀看到實時顯示的數字沙盤，并能通過互動設備來調取數字沙盤中各建筑的建筑信息、圖像、視頻等信息。如果需要改動BIM模型的方案，改動完成后能實時在數字沙盤上刷新改動后的BIM模型，方便快捷。

3 結語

將基于BIM模型的虛擬現實數字化建造技術用于建筑設計規劃，建筑施工方案的策劃、施工，建筑運維，建筑展覽展示等方面，不僅能夠以虛擬三維模型及圖像、影視等方式實時的展示設計規劃方案、施工過程、運維資料等信息，而且可以通過BIM信息模型的數字化建造來給技術人員、施工人員等進行施工技術培訓，提前對施工方案進行熟悉。隨著BIM技術和虛擬現實技術的不斷發展和融合，在今后的建筑領域必定會帶來更多的應用方向和應用前景，使建筑行業發展成為更具信息化與數字化的產業。

參考文獻

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