BIM+VR、AR應用研究

(建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京 100007)

1 研究背景

1.1 什么是BIM、VR和AR

BIM“Building Information Modeling”即建筑信息模型，以建筑工程項目的各項相關信息數據為基礎，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，是全生命周期工程項目或其組成部分物理特征、功能特性及管理要素的共享數字化表達。一套完善的信息模型，是對工程對象的完整描述：能夠緊密連接建筑項目全生命期各階段各專業的數據信息、進度跟蹤和變更操作，可被建設項目各參與方使用[1]。

VR“Virtual Reality”即虛擬現實，利用計算機生成一個三維的虛擬空間，為使用者提供由視覺、觸覺和聽覺三維度感官交互生成地模擬空間環境，給人以身臨其境的感覺。VR技術綜合了計算機仿真技術、計算機圖形技術、顯示技術、傳感技術和人工智能等多種關鍵技術[2]。

AR“Augmented Reality”即增強現實，是一種被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗[3]，通過實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像、視頻、3D 模型，將虛擬的信息應用到現實世界的技術。AR技術具有融合虛擬和現實、實時交互、三維跟蹤和定位等特征。

1.2 BIM、VR和AR之間的關系

BIM集成建筑的全部數據信息，VR和AR技術可以將這些數據信息以全新的方式呈現，從而使各方溝通提供更方便、更高效、更真實。VR和AR均是三維可視化的計算機仿真系統，區別在于，VR創造了一個與現實世界無關的虛擬空間，通過模擬真實環境令用戶沉浸其中； AR創造了一個與現實世界相關的虛擬空間，通過虛擬與現實世界的合成，形成與現實世界相關又不完全相同的超現實空間。

1.3 BIM、VR和AR的應用

隨著科技的進步，建筑的體量日漸龐大,造型也是復雜多變，常規的二維圖紙無法形象地表達三維模型及內部管線的空間關系； 施工現場不能滿足攜帶沉重的計算機指導施工的條件。

而通過VR與AR技術對BIM的數據信息進行可視化表達，從而可以讓設計師與業主清晰地理解彼此的設計愿景和需求； 通過對特殊節點的施工工藝模擬，可以使施工方更準確地把握施工方式； 通過較為完整的建筑信息模型，可以使維護人員更方便查看建筑竣工后的隱藏管線； 通過對建筑的可視化和輕量化處理，可以使用戶在線便捷、直觀地了解產品的實際效果。

2 關鍵性實施步驟

2.1 應用構架組織

工程項目的VR、AR應用可以由多個虛擬現實、增強現實軟件開發平臺完成，比如：Unity、UE4等。

工程項目的VR、AR應用的構架組織應包含：

(1)總平面：BIM模型的整體游瀏覽；

(2)圖模一致：核查圖紙與模型的一致性；

(3)分專業對模：單專業模型顯示；

(4)數據查詢：獲取構件、設備相關信息；

(5)瀏覽視點：觸發視點接口由AR場景進入相應的VR場景；

(6)瀏覽界面：在建筑物里漫游瀏覽；

(7)手控瀏覽：手動控制場景人物漫游瀏覽；

(8)步行瀏覽：以實際的行走控制場景人物的漫游瀏覽；

(9)工藝工法：模擬關鍵、復雜節點的施工工藝與工法；

(10)施工順序：關鍵的技術要點和具體的操作步驟；

(11)技術交底：直觀、高效地闡述項目工程特點、技術質量要求、施工方法與措施和安全等信息。

BIM+VR、AR應用構架組織如圖1所示：

2.2 BIM模型處理

2.2.1 輕量化處理 基于Revit-3DMax-Unity

目前虛擬現實、增強現實軟件Unity支持.FBX，.dae(Collada)，.3DS，.dxf and.obj等格式的文件，大部分建模軟件都支持.FBX格式。對于動輒就幾百M或者上G的大文件模型，其模型面數高達數百萬、數千萬，這嚴重影響設備的性能尤其是手持設備。3DMax可以針對模型面數進行批量優化處理，結合設備的性能選擇合理的優化等級，以下是不同等級優化的效果：

優化80%面數頂點數破面600362523239536無FPS43.1優化90%面數頂點數破面56791073057581有FPS45.3

FPS“Frames Per Second”即游戲運行時每秒所運行的幀數。FPS值越大，在屏幕上的視頻就越來越平滑，設備運行越流暢。一般FPS在40左右。

模型的面數和頂點數是影響設備渲染性能的主要因素，需綜合考慮設備的性能和渲染的質量要求。不同工程項目的模型的面數和頂點數不盡相同，經處理優化等級為80%，既保證設備流程運行，同時兼顧渲染質量。在滿足質量要求的前提下盡可能提高設備運行的流暢性，合理地平衡兩者的關系。

2.2.2 材質處理 基于Revit-3DMax-Unity

.FBX是Autodesk公司出品的一款用于跨平臺交換的文件格式，.FBX支持所有主要的三維數據元素以及二維、音頻和視頻媒體元素。

Unity目前只支持.FBX文件格式的標準材質和多維子材質，不支持“Autodes Generic”材質。由Revit導入Unity的BIM模型只有一種“no name”材質，這極大影響模型的渲染效果和專業系統的顏色區分，如圖2所示。

圖2 Unity界面中無材質模型

3DMax可以很好地讀取“Autodes Generic”材質，在3DMax環境下把“Autodes Generic”材質轉換為標準材質或者多維子材質，再以.FBX文件格式導入到Unity中，Unity會正確地讀取.FBX文件的材質與貼圖，如圖3所示。

圖3 Unity界面中有材質模型

2.2.3 信息參數處理 基于Revit-插件-Unity

以.FBX文件格式導入Unity除構件元素名稱外并不包含其他任何信息參數，這對信息參數的展示和人機交互產生很大制約。目前市場上有“一鍵導出”的插件，比如上海殊未信息科技有限公司的“BVP3D插件”(收費)。這類插件可以把BIM模型信息參數導入Unity，并支持二次開發。

2.3 BIM+VR、AR應用制作

2.3.1 BIM模型預處理

(1)BIM模型整合導出

如圖4所示，把全專業模型整合在同一項目文件里并以.FBX文件格式導出。

圖4 Revit界面中整合模型

圖5 3DMax界面中材質賦予

(2)BIM模型賦予材質

在3DMax環境下重新為BIM模型賦予標準材質或者多維子材質，合理地調整紋理UV，使貼圖符合實際情況。材質賦予如圖5所示。

(3)BIM模型輕量化處理

在3DMax環境下優化BIM模型的面數和頂點數，在保證不損壞模型的情況盡可能提高FPS值,如圖6所示。

(4)單位調整和材質導出

由于BIM模型文件多采用mm為單位，虛擬現實、增強現實軟件Unity以m為單位，因此從3DMax導入Unity的BIM模型需要把單位設置為m。在默認情況下3DMax不會把貼圖導出，需在3DMax導入設置中要把嵌入的媒體選中。如圖7所示。

圖6 3DMax界面中輕量化處理

圖7 導出設置

2.3.2 VR、AR開發

(1)與Unity軟件對接

把.FBX格式文件和.Fbm材質貼圖文件夾一同載入Unity的Assets目錄下，把.FBX格式文件配置到Scene場景窗口。根據情況合理調燈光和整鏡頭角度，如圖8所示。

圖8 Hierarchy視口配置

(2)導入VR、AR的SDK軟件開發工具包

在Unity軟件中導入“OculusUnity Integration”和“vuforia-unity -6-2-10”插件[4]，把“OVRCamera”和“ARCamera”預制對象拖入場景中。使用VR第一人稱視角在虛擬場景里漫游，使用AR增強現實鏡頭把BIM模型與現實的圖紙混合呈現。如圖9所示。

圖9 VR、AR插件導入

(3)VR、AR場景設置

由于BIM模型面數與頂點數龐大，對設備的性能要求很高，需把模型拆分多個專業子模型，配置各專業過濾器。根據項目要求和開發的實際情況編寫合理的交互腳本并與模型綁定，定義VR和AR場景切換的視點接口，對重點、難點的施工工藝制作獨立的工法工藝虛擬場景。

(4)VR、AR應用部署

BIM+VR、AR應用是基于操作系統或者手持設備系統單獨運行的可執行程序，其不依賴于任何軟件環境，降低對電腦的要求同時提高便攜性。部署設置如圖10所示。

圖10 應用程序部署設置

3 效果展示

圖11 展示效果

圖12 AR整體展示效果

圖13 分專業展示效果

圖14 手控漫游效果

圖15 步行控制漫游展示效果

圖16 工藝工法模擬展示效果

4 結論與展望

本文力求通過BIM+VR、AR應用的研究，找到大體量BIM模型在保證不破面、滿足渲染質量要求的前提下，盡可能提高設備運行流暢性的通用方法。解決模型不便于攜帶以及需要在三維軟件環境下才能漫游模型的問題。便于工程項目各參與方隨時基于三維模型協調溝通，進而達到優化設計質量、提高施工效率、縮短項目周期，提升產品形象的終極目標。