基于BIM模型的VR可視化協同設計

■ 宋文鴿 SONG Wenge

1 建筑領域存在的問題

現代科技的快速發展不斷影響著建筑設計領域，推動著設計工具和方法的更新換代。然而，就整個建筑設計過程和設計結果而言，目前仍然存在較多問題，主要有以下幾個方面。

1.1 缺乏協同設計

在基于BIM技術的建筑設計中，數字化數據信息是其核心，這些數據信息的深度應用需要不同專業和部門的協同配合。然而，在現階段，設計過程基本上只有設計師參與，用戶、施工和管理人員等尚無法將其意見和建議融入到設計階段，不同專業之間的協同交流最多只會出現在施工和運營管理階段，這種工作模式在很大程度上降低了不同單位協同工作的效率[1、2]。

1.2 建筑效果展示不足

截止目前，建筑設計完成之后，其效果展示大多以不同視角的平面展示為主，三維展示方面只能進行固定路徑或視角的展示，這種簡單的視覺沖擊難以真正吸引用戶的感覺[3]，也會造成設計信息表達的遺漏，進而導致實際建筑效果與用戶預期的偏差[4]。

1.3 建筑領域的評價體系不完全

現階段的建筑評價注重于對建筑設計效果的評價，而忽視了建筑設計完成后，以人們的使用體驗為指標進行評價，這在法律上忽視了用戶對建筑設計的參與[5、6]。在建筑后期的運營過程中，公眾是其主要的使用受益人，而現階段的工作模式則忽視了將最真實的用戶體驗融入到前期設計階段。

VR（Virtual Reality）作為重要的可視化媒介，在實現人機互動的基礎上可以完成虛擬漫游，并將沉浸在其中的用戶體驗實時反饋給設計人員，在保證不同部門協同設計的同時，提高了BIM模型的可視化程度。因此，將BIM 和VR技術的結合至關重要[7]。

2 BIM+VR技術

2.1 BIM技術

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是建筑模型數字化和信息化的結合，基本囊括了建筑項目的全部信息，包括幾何信息和非幾何的材料屬性、體積等信息[8]。因此，在建筑項目施工前，可以通過BIM模型來預覽整個項目建成后的信息，并可基于該模型，進行施工模擬及后續的模型分析（結構分析、通風分析、交通量分析等）（圖1）。

BIM的核心在于模型信息可以全周期使用，本質要求是協同設計。但在現階段，BIM只能被動地依靠設計師進行設計，而無法主動接受用戶、管理者的建議，因此，BIM技術的協同優勢難以得到發揮。

2.2 VR技術

VR（Virtual Reality）技術是將用戶置于虛擬的建筑環境中，去獲取基于目標環境的用戶體驗。基于VR技術，用戶可以預先對建筑項目進行最真實的用戶享受。基于目標建筑的沉浸、交互和想象是VR技術的三個重要特征[9]。

現階段建筑領域VR技術的實現，只要基于拍攝團隊獲取的全景照片或實景視頻，在其基礎上進行加工處理，以滿足用戶的VR體驗。這種方法存在兩類問題：①由于沒有現成的建筑模型可以使用，必須對需要進行虛擬漫游的建筑進行全景拍攝，在此基礎之上進行虛擬環境的后期加工[10]；②使用加工后的全景照片或視頻用于VR體驗時，只可以進行預先設計點的360°全景預覽，難以滿足用戶VR行走體驗的實時渲染，因此，這將在很大程度上制約用戶對VR技術的效果體驗。

2.3 BIM+VR

BIM與VR技術的使用各有優缺點。例如，BIM包含了建筑項目的所有數據信息，但由于難以獲取用戶最真實的體驗意見，且各部門之間、部門與設計師之間的協同交流效果較差，導致了相對較差的模型可視化和較低的模型利用率。相比較而言，VR技術的應用主要從用戶的親身感受出發，可以基于建筑項目將最真實的用戶體驗反饋出來；但由于現階段全景照片和視頻的采集與加工過程中種種問題的存在，在影響虛擬環境制作效率的同時，降低了用戶對于建筑模型的效果體驗。可見，BIM與VR技術極具功能互補性。

基于BIM模型的VR技術協同設計方法與傳統建筑設計方法相比，主要有3個方面的優點。

圖1 BIM模型的功能應用

（1）VR技術實現過程中的全景照片被BIM模型取代。與全景照片相比，BIM模型不僅具有“形”的信息，還具有材料的屬性特性，這對于下一步真實的虛擬體驗具有較大的意義。

（2）在建筑設計階段，業主、用戶、運維單位均可對信息模型進行漫游體驗，避免了由于設計師單獨設計而導致的某些方面考慮不足的問題。

（3）完成在BIM模型中的虛擬漫游過程后，用戶可以將自己的親身感受反饋給設計師，以更好地輔助建筑師進行設計。各部門的相互交流極大地提高了協同設計在建筑設計中的應用。BIM與VR技術的結合如圖2所示。

3 基于BIM+VR技術的設計方法研究

BIM+VR技術的本質是公眾在BIM模型中進行虛擬漫游，進而將用戶體驗與意見反饋給建筑設計師，設計師對其進行篩選考慮后，加入到建筑項目的設計中去，以達到設計師、業主、用戶、運維單位之間協同設計的目的。BIM+VR技術的實現是一個從概念設計到模型設計，再到虛擬體驗的過程，具體包括文案策劃、草圖規劃、模型建立、交互動畫制作、場景渲染、邏輯測試、最終修改等7個步驟（圖3）[11]。

3.1 文案策劃

完成場景內容、切換路徑和文案交互邏輯的思考，對文件進行策劃，其所需技能包括想象力、邏輯和文件編輯等。

3.2 草圖規劃

基于策劃文件，進行場景建筑的草圖規劃，所需技能包括想象力和建模能力。

3.3 模型建立

基于初步規劃的示意草圖，進行BIM模型的創建，所需技能包括3DMax、Maya和 Cinema4D等。

3.4 交互動畫制作

交互動畫的完成需要基于3個方面，即創建交互動畫、2D輸出界面交互動畫的PNG序列和2D界面元素的動畫切圖。其所需技能包括After Effects、AI、PS等。

3.5 場景渲染

為滿足基于BIM模型VR技術的發揮，最重要的是進行BIM模型的場景渲染。場景渲染需要完成3個方面內容，即模型渲染、邏輯代碼編寫（發生在游戲引擎里）和HTC頭顯體驗。攝像機需要通過HTCVive手柄等來捕捉人在場景中的各種動作和位移，然后經過程序員的選擇判斷后，進行邏輯代碼的編寫。由于虛擬體驗過程中，可以捕捉到人的動作，因此體驗過程會更好。其所需技能包括Unity3D、Unreal、語言工具、krpano等。

3.6 邏輯測試

基于上述的虛擬場景，程序設計員進行多次虛擬體驗，不斷地對渲染場景中的邏輯進行完善。其所需工具為VR頭顯。

圖2 BIM與VR技術結合

圖3 基于BIM+VR技術建筑設計方法

3.7 最終修改

基于邏輯測試的基礎之上，對模型、場景、環境效果進行修改和改善。

4 BIM+VR技術在i-Yard 2.0項目中的應用

4.1 項目概況

i-Yard 2.0[12、13]是北京交通大學學生團隊參加中國國際太陽能競賽（Solar Decathlon China）時提交的作品，旨在為德州當地居民建造以長期使用為目的的住宅。.該住宅需以太陽能為基礎完成能源的自給自足，將可持續發展的概念融入到建筑設計當中，創造出功能完善、綠色宜居的生態建筑。

4.2 設計理念

i-Yard 2.0項目將圍繞以下3個方面進行設計。

（1）工業化是要求。由于該項目將是以工業化生產為目的，而工業化以快速搭建和便于推廣為要求，因此，采用模塊化、預制化的生產方法是該項目的設計基礎。

（2）智慧化是亮點。作為綠色宜居的生態化建筑，應該將現代科技融入到該項目的設計中來，讓老年群體在充分享受宜人環境的同時，體驗到現代科技的魅力與方便。

（3）定制化是核心。設計不應該千篇一律。老年人對不同的建筑設計有不同的感受，因此，應該在充分考慮老年人意見的情況下，對建筑進行精細化設計。

盡管在項目前期進行了較多的調研，但這并不能滿足老人們的要求。為了盡可能將老人對住宅的需求融入到項目的設計中去，需要引進BIM+VR技術，即在建筑模型設計過程中，以老年人的視角去體驗住宅的設計效果，并將自己的意見與建議反饋給設計師，對之前建筑空間和家具布置進行調整，達到多方協同設計的理念。

4.3 可視化協同設計過程

i-Yard 2.0項目的設計過程包括前期調研、數字建模、可視化交互協同設計和成果表達4個階段，具體流程示意圖如圖4所示.。

4.3.1 前期調研

圖4 BIM+VR技術在i-Yard 2.0項目中的應用

項目前期進行了豐富的調研活動。由于該項目的目的是為當地居民解決一些切實的農村居住的問題，體驗者以德州當地公眾為主，因此該過程中對老年人的生活習慣、住房特征、功能需求、風俗民情等因素進行了具體的調研。例如，為了體現當地生活習俗中院落的思想，項目設計中采用在一層的洄游廊道和二層的室外平臺中添加豐富的活動空間。

4.3.2 數字建模

該過程需要考慮眾多因素。例如，由于該項目為依靠太陽能自給自足的獨立住宅，因此場景設置需要考慮經緯度、太陽強度、飽和度、云層密度等與太陽能節能設計的相關因素；建模過程中，需要基于對老年住宅設計理念的理解，來確定建筑的基本功能，并在這基礎上進行草圖規劃及模型創建。

4.3.3 可視化交互協同設計

VR漫游存在于建筑模型建立的各個階段，設計師、公眾通過不同的入口都可以對該模型進行漫游體驗。例如，設計師通過鳥瞰的方式對模型進行預覽，用以查看建筑設計中存在的專業問題；將模型通過Modelo進行web共享后，老年人可以以自己的視角去體驗住宅區的建筑空間，將自己的意見和建議反饋給設計師。通過對收集的意見進行分析，設計師可以對建筑空間和家具的布置做出進一步調整。

4.3.4 成果表達

基于建筑設計結果和虛擬環境渲染結果，可以輸出VR視頻并實現模型云端虛擬瀏覽功能。基于建筑模型的不同應用，可以利用VR技術設計出不同的交互場景。例如，為預防施工、運維過程中安全事故的發生，可以結合全身動作捕捉電擊等事故災害，進行安全事故的模擬體驗和應急救援，這樣便實現了更加真實的對安全事故進行模擬，減少了災害損失的發生；施工交互場景的渲染可以方便施工人員在對圖紙產生疑惑的時刻進行查看和咨詢；在建筑設計完成后的出圖階段，也可以通過Mars插件將Sketch up模型導出至Revit進行進一步的檢查修改，最后實現二維出圖，指導施工。

5 BIM+VR技術存在的問題

BIM+VR技術在進行研究與應用的過程當中，遇到了很多問題，下面將主要從主觀和客觀兩個層面來總結現階段存在的主要問題。

5.1 主觀層面

5.1.1 傳統建筑設計的慣性思維難以轉變

新設計理念的引入并不能馬上改變現行的建筑設計方法，現階段大多數設計院和工作室仍舊采用傳統的建筑設計方法（CAD+模型+效果圖）。正如十年前，BIM技術的優點雖然為大多數人所承認，但將其真正的引入到實際的生產項目中來尚需要一定的時間。

5.1.2 對BIM+VR技術理解的偏差

大多數人認為基于BIM模型的VR技術是一種效果圖瀏覽方式，即他們認為VR的最大優點在于建筑模型設計完成后，人們可以通過VR技術來體驗該建筑設計的實際效果，而非協同設計理論，因此忽視了對BIM+VR技術的應用。

5.2 客觀層面

5.2.1 應用平臺不完善

雖然基于BIM模型的VR技術具有很好的市場前景，但就目前而言，尚沒有一種軟件平臺可以完成建模、模擬、體驗等諸多功能的協同設計。由于受到應用平臺的限制，基于BIM+VR技術的i-Yard 2.0項目主要使用SU、Modelo和Mars軟件分別完成建模、模擬和輸出功能。平臺的不同導致在設計過程中，對模型文件的不斷導入和導出。

5.2.2 設計方法和工程實踐不完善

對于BIM+VR技術應該基于怎樣的平臺加，怎么加，加在什么階段等都沒有制定出統一的標準，之前的建筑設計項目中更無實踐可以參考，基本上處于探索階段。在本例中，i-Yard 2.0項目主要通過SU建模，模型通過Modelo軟件進行web全模共享，以達到設計師和用戶對建筑項目協同設計的目的；模型完成后，在Mars平臺上進行進一步的模型體驗、修改及碰撞模擬檢測，并通過插件將SU模型導出至Revit，進行建筑設計的二維出圖。

5.2.3 VR軟硬件欠缺且成本較高

在技術研發方面，全球近一半VR公司的發展時間都少于兩年。VR技術對于高新技術的需求使得每年都有相當一部分公司倒閉，同時，又有一部分公司進入該領域。由于VR模型渲染基本上都是基于傳統的游戲開發引擎（如Unity3D等），所以對于顯卡的要求基本是NVIDIA系列；而建筑設計師通常用到的是Adobe系列繪圖工具，這需要使用在平面設計方面較好的AMD系列。在VR產品的使用方面，能夠承載VR設計的臺式機需要滿足較高的配置，例如，最低配置為英特爾Corei5-7500處理器、Geforce GTX 1060 6GB顯卡、DDR4 2133 16GB內存等。另外，與VR體驗相關的設備也需要較高的投入，例如，一套體驗感較好的VR頭顯（如HTC Vive）需要1萬多元人民幣，這也嚴重制約著VR技術的普及。

6 總結與展望

由于BIM模型集成了建筑項目的全部信息，因此，可以基于該模型進行施工模擬及模型分析。VR技術可以讓參與者在虛擬現實中漫游體驗，從人的感受出發，實現實時的人機互動。因此，基于BIM模型的VR技術，是將人的真實感受作為設計的出發點，將協同設計的方式作為整個設計過程的核心，在基于BIM信息模型的基礎之上，實現多方在建筑全生命周期中的設計參與，提高設計效率，最大程度地使建筑師的設計意圖得以表達。在設計初期，就可以實現設計師與業主、公眾的協同交流，將業主、公眾納入到建筑模型的設計過程中來，達到建筑項目的優化設計。

基于BIM模型的VR協同設計較傳統的建筑設計方法具有較多的優勢，但就目前而言，由于種種問題的存在，制約著BIM+VR技術在建筑領域的發展，致使該技術在建筑領域的研究僅僅停留在建筑設計階段。隨著科技的發展，這種技術在建筑設計領域的應用將會逐步延伸到模型應用階段、施工階段、運維階段和營銷階段等等，未來BIM+VR技術在建筑工程不同階段的發展應用將朝著以下幾個方面發展。

（1）規劃與設計階段：基于BIM模型的VR技術可以讓用戶身臨其境地在建筑中任意漫游，去感受建筑設計過程中的空間結構和屬性信息，并及時將建議反饋給工程師，方便設計過程中對模型進一步的修改，提升了BIM設計的靈活性，挖掘出協同設計的思想。

（2）模型應用與功能計算階段：以碰撞檢測為例，BIM模型進行碰撞檢測后，通過VR技術，可以在虛擬環境中，身臨其境地觀察到碰撞結果；設計師、運維人員、施工人員等都可以清楚地觀察到問題所在，在這基礎之上，可以更好地指導施工。

（3）工程實施階段：為預防施工過程中事故的發生，可提前進行安全事故的模擬體驗和應急救援，以便更加真實的對安全事故進行模擬，減少災害損失的發生；施工交互場景的渲染也可以方便施工人員在對圖紙產生疑惑的時刻進行查看和咨詢。特別是針對新興施工技術的引進，BIM+VR技術對于保證安全性的施工更加重要。

（4）運維階段：基于BIM數據的VR技術可以讓建筑后期的運維管理更加方便。例如，BIM+VR技術可以讓運維過程中的消防應急和檢修維護直觀地表現在虛擬模型中，這對于后期應急工作的順利開展具有重要的意義。

（5）項目營銷階段：現行住宅銷售時樣板間需要另外搭建，費財費力，而基于BIM模型的VR技術可以省去樣板間搭建的過程。通過肢體移動端和VR頭顯，客戶便可以體驗漫游于住宅間的感覺，對住宅的空間設置和材料使用進行評價。

總之，BIM+VR技術如何更好地輔助建筑設計會隨著設計方法和設計工具進一步完善而更加完善。