BIM結合VR技術在城市地下工程中的應用

(上海理工大學土木工程系，上海 200093)

1 引言

隨著城市化進程加快，我國地下空間工程建設發展迅速。但由于地下工程多屬隱蔽工程，項目的規劃、設計、施工等存在諸多問題，如缺乏科學性、系統的規劃，協同設計體系與技術規范不完善，施工信息管理手段落后等。建筑信息模型(BIM)作為一種全新的項目理念，正在成為消除“信息孤島”的重要手段[1]。利用BIM的統籌協調性、優化性、可出圖性、模擬性和三維可視化能夠有效地解決城市地下工程施工存在的問題。同時，BIM還有強大的3D參數化建模功能。BIM創建的模型當中不僅有三維建筑物理模型，更包含2D文本信息，如施工規范、質量檢查標準及其他信息的注釋等[2]。

虛擬現實技術Virtual Reality(VR)是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，有視覺、聽覺和觸覺等感官模擬。它的本質是把人的意識帶入到一個虛擬世界，而看到的場景和人物都是假的。城市地下工程施工過程中信息龐雜，設計系統多，傳統的點對點協同共享造成各方理解的不一致，致使效率低下，影響施工質量。BIM結合VR技術，會將BIM的三維可視化發揮到極致，兩者結合應用到城市地下工程中，工作人員不僅能夠身臨其境地體驗施工過程，還能清楚細致地看到工藝工法，解決了地下工程施工空間有限以及各類管線錯綜復雜而容易引起的施工安全與質量問題。

2 研究思路

BIM以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達。首先，利用BIM建模軟件revit建立基礎模型，相對于3ds MAX建模而言，revit能夠表達一些細部的模型構件。再從revit中導出FBX格式的3D模型。FBX格式模型是帶有材質信息的，但輸出很多面與點，可能會造成導入3ds MAX中場景不流暢，畫面不清晰。DWG格式模型也能導入到3ds MAX中，但是不附帶材質信息，需要設置貼圖，筆者選用的是導出FBX格式導入到3ds MAX中，在3ds MAX中進行微調，如外觀調整、添加燈光效果等。其中，在3ds MAX中進行渲染時需要將渲染器換成插件vary渲染器，在此渲染器中調整相機類型。再利用關鍵幀設置動畫，動畫以avi格式導出，在格式轉換軟件中轉換成MP4格式，導入VR視頻播放軟件暴風魔鏡VR中，調整暴風魔鏡VR的觀看模式，再佩戴VR眼鏡，實現手機端的虛擬現實建筑施工體驗。以親身體驗的方式與虛擬環境中的數字模型進行交互，研究思路如圖1所示。

圖1 技術路線示意圖

基于以上研究思路，在城市地下工程中，以樁基工程為例，結合BIM與VR技術展開研究，具體實施步驟如下文。

3 BIM結合VR技術的樁基施工模擬

3.1 Revit建模

Revit建模原理是基于軟件自帶族構件快速生成三維常規模型，對于異形結構需要載入外來族文件，或者利用內建模型的方式來創建BIM模型[3]。在一個項目中，分為模型圖元、基準圖元和專有視圖元，模型圖元包括了主體和構件，加上基準圖元中的標高和軸網和專有視圖元中的標注和詳圖，一個清楚易見的3D模型就建造完成。此外，根據Revit族構件的種類，模型當中還可以表達一些細部的模型構件，如建立的樁基模型中，連接上部結構和下部結構的承臺的尺寸可以清晰可見，承臺的材質和鋼筋用量及型號都在模型當中(如圖2所示)。承臺的幾何參數應在屬性的編輯類型欄中修改保存，以保證構件幾何信息的準確性。

圖2 樁基承臺構件信息

3.2 導入到3ds MAX

3.2.1 3ds MAX

3ds MAX是一款功能強大的三維圖像及動畫制作軟件，在網絡游戲、室內設計、影視廣告領域表現突出。具有多種三維建模方法，包括多邊形建模，NUBRS建模、細分曲面技術、基于圖像的繪制能夠創建逼真的建筑動畫[4]。隨著計算機軟硬件的發展，三維技術在建筑設計表現中發揮著不可替代的作用。而三維模型的制作是三維效果表現的關鍵。利用3ds MAX的渲染和動畫制作優勢，對revit中的3D模型進行加工與處理。

3.2.2 3ds MAX渲染

將模型從revit導入到3ds MAX中，有兩種導入方式。第一種是在revit中保存為FBX文件格式，直接以鏈接FBX導入； 第二種是在revit中保存為DWG格式，以外部文件格式導入到3ds MAX中。FBX格式導入會比較慢一些，整個模型運行也不太流暢，但是相對于DWG格式，它附帶了構件參數，如導入3ds MAX后，鉆孔灌注樁用的混凝土材質也一并帶進3ds MAX，并且在3ds MAX的透視圖中，畫面感也比DWG格式的更好。兩種格式導入對比圖如圖3所示。

圖3 DWG格式和FBX格式導入對比圖

將模型導入3ds MAX中后，進行了一個燈光的微調渲染。選擇“渲染—高級照明—光線追蹤”命令，打開渲染設置，將渲染器從默認掃描線渲染器換成Vray渲染器，將相機類型轉換成球形相機，在環境、效果對話框中設置參數。

渲染完成后，進行動畫制作。在左視圖中選擇其中一組樁基模型，點擊“修改”命令，在修改器中選擇切片修改器，可以看到視圖中出現一條黃色橫線，選擇移除頂部，黃色線上部分已消失。向下移動切片面至樁基底部，將自動關鍵點設置為50幀，打開自動關鍵點，向上移動切片面直至樁基頂部，關閉自動關鍵點[5]，一組樁基的施工工藝動畫制作完成，如圖4所示。剩余樁基以此類推制作動畫。

圖4 樁基動畫制作圖

動畫制作完成后，再進行最后的渲染，生成avi格式動畫。在“渲染設置—公共”選項卡中，選擇“活動時間段”； “輸出大小”選擇640*480； 在渲染輸出文件欄里點擊“文件”按鈕，選擇要保存的目錄； 最后點擊“保存類型”，選擇AVI文件，點擊渲染，即開始生成avi格式動畫。如圖5所示。

圖5 avi格式動畫

4 BIM結合VR技術應用在樁基工程施工中的體驗

4.1 虛擬現實技術(VR)

VR即虛擬現實，又稱為靈境技術，它集計算機技術、傳感技術、仿真技術、微電子技術為一體。理想中的虛擬現實技術就是利用這方面的技術，通過計算機創建一種虛擬環境，通過視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等作用，使用戶產生和現實中一樣的感覺，可實現用戶與該環境的直接交互[6]。

目前，VR技術在建筑領域的應用多用于設計階段，幫助設計師以立體化的模型完美地向業主或施工方展示自己的所思所想。但是這并未充分發揮利用VR的優勢。而將其與BIM結合，在施工前進行施工方案的預演，提前感受施工的過程，為之后可能出現的施工問題準備解決方案，大大降低了施工風險發生的機率。

4.2 VR體驗

4.2.1 暴風魔鏡VR

暴風魔鏡VR是一款由暴風影音全力打造而來的配合VR設備使用的手機軟件，暴風魔鏡VR版提供全沉浸模式的本地、在線視頻播放、沉浸式游戲等功能。利用暴風魔鏡VR的模式轉換功能，將觀看模式轉換成球面，即可在各個面里看到樁基的施工工藝細節，身臨其境地感受樁基的施工過程，享受VR的沉浸感，實現BIM與VR的有效結合。具體的操作過程如下：

通過“格式工廠”軟件，將在3ds MAX導出的avi格式的動畫視頻轉換成mp4格式，存入手機，在手機上打開暴風魔鏡VR軟件，在VR眼鏡設備中選擇魔鏡4，操控方式選擇頭控式，保存設置。再選擇本地視頻進行播放，同時，將播放模式設置為3D上下，球形。如圖所示6。

圖6 播放模式設置

佩戴VR眼鏡，體驗樁基施工工藝流程，如圖7所示。

圖7 avi格式動畫

5 結論與展望

(1)針對城市地下工程多屬隱蔽工程，施工不可見等難點，本文提出BIM與VR技術結合，運用于城市地下工程中，以VR的交互式體驗來指導城市地下工程的施工，降低了城市地下工程的施工發生的風險與質量問題。

(2)在城市地下工程中，本文以樁基工程為例，以此展開并實施BIM與VR技術的結合應用。通過3ds MAX為中間平臺制作三維建筑動畫，實現建筑模型從三維靜態到三維動態的轉化，并以此為連接點，將BIM與VR技術有效結合起來。

(3)目前國內BIM與VR的結合多集中應用在建筑樣板房的展示。通過將revit中的模型直接對接當前的虛擬設備，如DVS3D 虛擬現實設計軟件平臺、Ocululs、暴風魔鏡等，實現實地漫游。本文研究內容對于工程項目的施工可視化具有指導作用，為今后BIM技術在地下工程中的進一步應用提供參考。

不足之處：

(1)由于在技術及設備上的限制，本文并沒有實現在移動終端上的研究，所以無法充分展現BIM結合VR技術可以靈活應用于城市地下工程施工現場指導的功能。

(2)對于模型的精度、渲染效果、展示程度等，只是基于實驗的可行性研究，對于實際復雜的樁基施工工藝未能精確的表現。