基于BIM+VR技術的裝配式建筑遠程協同平臺設計

何志紅，孫會龍，劉 貞,2，徐德會，包秀莉，葉 楊

(1.重慶房地產職業學院， 重慶 400000；2.重慶理工大學 低碳能源研究中心， 重慶 400054)

隨著科技的發展和我國經濟的轉型升級，人口紅利所帶來的優勢在我國正逐漸消失。 建筑行業受社會經濟發展的影響，從業人員在逐漸減少，導致人力成本上升。在此宏觀背景下,裝配式建筑以精細化分、人力需求較低和高效率的特性，在我國得到了快速的發展。根據國家統計局數據，裝配式建筑市場規模在不斷擴大，從2011年最初的43.2億元增長至2017年的462.3億元，達到了970.14%的同比增幅和35%左右的復合增長率。根據國務院辦公廳及住建部的文件預測，未來我國裝配式建筑市場產值將超過2萬億[1]。

我國裝配式建筑的快速發展是其與現代化信息技術對接的成果。其中，建筑信息模型(building information modeling,BIM)技術、虛擬現實(virtual reality，VR)仿真預演技術的應用是關鍵。BIM技術由Autodesk公司在2002年提出，集成了建筑學、工程學及土木工程學等相關知識，可以幫助實現從建筑設計、施工、運行直至建筑全壽命周期終結的信息集成。該技術的應用使裝配式建筑實現了信息化和數據化的管理和運維[2]。VR技術以高仿真、高沉浸、低成本的技術特點得以在裝配式建筑領域應用。該項技術的應用實現了裝配式建筑相關技術施工前的高仿真檢驗和施工中的快速檢查，減少了裝配式建筑的建設誤差且節約了成本[3],推動了裝配式建筑的廣泛應用。目前，BIM技術和VR技術在裝配式建筑領域還處于獨立應用期，尚未充分挖掘BIM技術在建筑信息數據方面和VR技術在虛擬仿真方面的優勢[4]。

人力需求高和區域發展不平衡是裝配式建筑發展的痛點，也是制約我國裝配式建筑發展的瓶頸[5]，而如何實現跨區域的人力成本節約和技術應用是我國裝配式建筑發展的關鍵[5]。本研究構建BIM技術與VR技術相融合的應用創新模式，對裝配式建筑所特有的信息模型環境進行深入分析，在此基礎上將BIM信息與VR數據庫對接；借助VR技術的仿真性，搭建以VR技術為核心的遠程裝配式建筑協作平臺，以達到降低裝配式建筑跨區域協調所需時間成本和協調成本的目標，最終實現裝配式建筑跨區域技術共享和跨區域人才共用，推動我國裝配式建筑的跨區域協調發展。

1 裝配式建筑遠程協同平臺信息數據庫構建

BIM技術本身蘊含豐富的數據信息和集成管理體系，但受其兼容性與共享性不足、信息儲存方案缺乏和分類提取不便的因素的影響，裝配式建筑設施信息缺乏共享性和可用性，阻礙了BIM技術與VR技術的結合。因此，本文提出構建裝配式建筑的全生命周期建筑設施信息化管理系統，采用BIM+COBie+VR技術，解決BIM技術與VR技術對接難題，構建裝配式建筑遠程協同平臺的信息數據庫。

COBie是傳輸和管理建筑設施信息的國際標準，引入該技術是為了使遠程協同創新平臺更便捷地獲取有關裝配式建筑的方案信息與數據資料，通過標準化的整合處理，實現一定形式的內部存儲和外部共享[8]。COBie數據信息提供IFC、ifcXML、SpreadsheetML這3種數據格式，實現多格式的數據轉換，既滿足BIM技術數據編碼要求，也滿足VR技術數據讀取要求，因此COBie數據信息能夠有效地充當BIM技術與VR技術的橋梁角色[9]。

1.1 裝配式建筑遠程協同平臺大數據系統設計

構建大數據系統是遠程協同創新平臺運轉的關鍵，而遠程創新平臺需要海量信息作為支撐。Hadoop是目前大數據管理標準之一，運用于當前眾多商業應用系統中，其最大特色在于集成結構化和非結構化數據集。 HDFS(hadoop distributed file system)分布式文件系統和MapReduce計算模型及軟件架構是Hadoop的兩大核心，兩者的結合使得Hadoop可以實現對數據可靠、高速、高效、可伸縮的處理。HDFS具有容錯機制，使得副本在丟失或者損壞時自動恢復，加上其具有Java再開發的屬性，HDFS自身有很高的容錯性和自主性[2]。HDFS的工作原理如圖1所示，MapReduce的工作分3個階段執行，即映射階段、shuffle階段和減少階段[10]，HDFS數據寫入原理如圖2所示。

圖1 HDFS數據寫入原理

圖2 HDFS數據讀取原理

HBase技術由Fay Chang 提出，它是一種序列儲存的分布式開源型數據庫[11]，該技術的特點在于可以為大數據提供隨機的、實時的數據讀寫訪問功能。因分布式文件系統具有高效的數據儲存能力和高速快捷的計算能力[12]，HBase技術底層采用分布式文件系統作為儲存平臺。

基于上述設計，裝配式建筑遠程系統創新平臺可實現海量信息儲存、調取、計算與使用，為裝配式建筑遠程協同創新平臺提供高速、可靠的數據支撐。

1.2 裝配式建筑遠程協同平臺信息分類與流轉設計

本文基于BIM+COBie+VR技術的裝配式建筑信息化集成管理，在BIM+COBie的基礎上，融合VR技術進行呈現與遠程交互，旨在實現自動化信息采集與保存、科學化的信息利用、系統化的信息管理、規范化的信息格式、網絡化的信息交互、虛擬仿真化的信息驗證。建立全生命周期的數據化完備信息，實現對裝配式建筑的全方位、高精度、貼現實的仿真模擬，進而實現更加便捷的遠程協同創新。

因建筑信息的復雜性、交叉性和信息分類標準的不同，裝配式建筑信息分類貫穿于信息定義和賦值的全過程。根據BIM模型所包含的信息特點，裝配式建筑信息可以分為建筑物實體類信息、階段建造類信息、隨時間變化的動態類數據和抽象觀類信息四大類。BIM需要邊建模邊賦性，因此本文引入COBie技術，按照空間布局將裝配式建筑的相關分類，并進行補充和完善，以保證模型數據能在VR中直接調用。基于上述構想理念，本文設計了基于BIM+COBie+VR技術的裝配式建筑信息化管理系統，如圖3所示。

圖3 裝配式建筑信息BIM+COBie+VR技術管理系統

BIM+COBie+VR的信息提取過程是將BIM建筑信息數據從專業建模軟件中提取，存放至裝配式建筑信息大數據庫管理系統中作為裝配式建筑的基礎數據源。本文利用Revit DB Link和COBie Extension插件，在裝配式建筑施工特性及其信息特殊性的基礎上，將BIM模型中所攜帶的有效信息導入ODBC數據庫，通過調用接口將VR系統ODBC數據庫接通，其主要信息流轉流程如圖4所示。

圖4 基于BIM+COBie+VR技術的裝配式建筑信息流轉流程

2 裝配式建筑遠程協同平臺結構設計及驗證

BIM+VR+裝配式建筑遠程協同設計主要包括兩方面的內容：①遠程協同設計與快速場景生成模塊設計。該模塊主要實現虛擬現實場景快速生成的功能，將設計思想物化為具有一定結構功能的虛擬現實場景,在遠程協同設計過程中對設計結果進行快速評價、測試、改進方案推薦,從而完成設計過程。②協同交互虛擬現實模塊設計。協同交互虛擬現實模塊設計可以協調處于不同地理位置的人員，通過虛擬現實平臺在虛擬環境中實現類似面對面的操作，共同對虛擬產品進行協同設計，實現VR遠程多人互動和異地多人協同體驗。通過BIM遠程協同設計與快速場景生成模塊和協同交互虛擬現實模塊的融合使用，使操作者在虛擬環境中可以按照意愿進行設計操作，實現個性化定制服務。

2.1 虛擬現實場景快速生成系統模塊構成

本文的虛擬現實場景快速生成系統分為7個部分，包括場景構建模塊、映射網關、虛擬對象庫、動作腳本庫、視景生成模塊、數據分析模塊、多人交互模塊。場景構建模塊指構建場景所需相關地理參數的數據包，包括場景經緯度數據和場景所需地形地貌數據。廣義映射網關是指為了便于開發與后續應用，將映射網關與虛擬對象庫和動作腳本庫融合為一個模塊，成為廣義的映射網關，主要起到協議定義、解析和管理數據庫的功能[12]。

映射網關包含數據驅動模塊和 Socket 數據接收模塊，能夠解壓不同的場景構建系統，將特定場景構建系統連接到映射網關。映射網關對其數據包進行數據轉換，發送索引指令到虛擬對象庫和動作腳本庫，驅動相應的對象和動作，然后觸發視景生成模塊中對應的場景構建[12]。

虛擬對象庫根據應用的范圍存儲相關模型對象，如房屋建造設計包括門、窗、地面、墻體等。對象庫中的對象可以被映射網關驅動，在視景生成模塊中與操作者進行交互。動作腳本庫包含所有虛擬對象的相關動作，腳本和對象成對應關系，比如車輛及對應的行駛動作，風力發電機及對應的扇葉轉動動作等。視景生成模塊包含場景構建模塊和交互界面兩個大的方面。數據分析模塊主要完成測試功能、評價功能、方案改進推薦功能。

多人交互模塊中，交互設備實時收錄數據，數據通過云端實時同步至其他參與者的終端設備，再交由視景系統實時計算并同步渲染。主要實時同步的數據有位置、語音、圖像、動作。交互設備支持模塊中，鑒于目前虛擬現實發展的實際情況，遠程交互過程仍需要操作者借助頭盔、數據手套、位置跟蹤設備等相關設備實現。

2.2 協同交互虛擬現實模塊設計

1) 系統流程主要是基礎平臺的搭建，包含場景構建和數據引入。場景構建系統主要功能是快速生成場景和數據傳送。該平臺的工作原理為映射網關數據驅動模塊接收數據，并將接收到的數據轉換成引擎所能識別的數據；視景系統模塊依托數據驅動模塊所傳遞的數據進行場景的渲染和表現。

2) 人機交互流程設計。基于多人協同操作的設計，通過智能穿戴設備或PC 機和系統服務器連接實現多人在線通訊，通過普通 PC 和智能穿戴設備輸入、輸出實現人與機器的對話，如圖5所示。

圖5 裝配式建筑遠程交互流程

為適應不同網速下的多人遠程交互，在系統中設計不同帶寬自適應決策模塊的運行技術。不同帶寬自適應需要考慮可擴展性、訓練時間、響應時間、數據大小、復雜度、準確性、收斂時間以及收斂可靠性等性能。本文根據平臺模型傳輸要求，設計了相應的自適應決策模塊。自適應檢測模塊利用Markov鏈來描述網絡帶寬隨機變化的統計規律，在考慮網絡帶寬變化的統計規律基礎上做出自適應決策，相關設計結果如圖6、7所示。

圖6 網絡自適應框架

圖7 網絡自適應流程

2.3 裝配式建筑遠程交互平臺驗證

基于上述部分的研究設計，本文搭建了裝配式建筑遠程協作平臺，其界面分為交互內容排版區、交互內容編輯區、素材屬性編輯區和素材上傳分類區4個模塊。其中，素材屬性編輯區和素材上傳分類區的內容來源于通過BIM技術所建立的裝配式建筑數據庫。交互內容排版區和交互內容編輯區是基于VR技術所實現的多人異地實時交互。

通過對平臺的實際操作運行，實現了異地人才對接、異地資源共享、異地技術同步，降低了裝配式建筑跨區域協調的時間成本和協調成本，達到了裝配式建筑跨區域技術共享和跨區域人才共用的目的。運行界面如圖8所示。

圖8 裝配式建筑遠程協同創新平臺界面

本文建立了裝配式建筑模型庫，以保證交互過程中快速建模目標的實現。裝配式建筑模型數據庫具體運行界面如圖9所示。

圖9 裝配式建筑模型數據庫具體運行界面

為實現便捷高效的遠程交流，本文設計的裝配式建筑遠程協同平臺實現了內置會議系統，可實現語音和視頻交流，最大容量為可同時實現30人同時在線交流，內置會議系統界面如圖10所示。

圖10 遠程協同平臺內置會議系統界面

3 結束語

本文以VR技術與BIM技術為核心，構建BIM技術與VR技術相融合的應用及創新模式，搭建裝配式建筑跨域遠程系統創新平臺，有助于跨區域技術的應用和跨區域人力資源利用。融合BIM和VR技術有助于完善裝配式建筑技術體系、健全產業管理體制、降低成本，解決阻礙裝配式建筑發展的壁壘，促進建筑業的轉型升級，也有助于促進裝配式建筑技術人才的鍛煉與培養。虛擬現實技術的引入有助于重慶等西南地區復雜地形的裝配式建筑技術驗證，促進重慶市、西部地區以及國內裝配式建筑產業的發展。