基于BIM技術的綠色公共建筑虛擬 現實系統設計研究

楊龍龍 王會 丁海燕

摘? 要： 針對傳統虛擬現實系統生成的綠色公共建筑三維圖像與實際場景相似度較低這一問題，基于BIM技術研究一種新的綠色公共建筑虛擬現實系統。系統硬件主要選取中央處理器、存儲器、建模設備和交互設備，處理器內部選用的芯片為美國Intel公司生產的型號為TUSA852的新型處理芯片，存儲器分為主存儲器和外存儲器，建模設備主要有3D掃描儀和聲音設備，交互設備主要選取三維鼠標和數據手套。采用C++語言編寫了三維場景編輯程序和數字建筑程序。對比實驗結果表明，基于該文系統構建的模型與實體建筑的相似度逼近于100%，比傳統二維平面圖20%的相似度、基于物理構建的模型50%左右的相似度更高，優勢突出。

關鍵詞： 虛擬現實系統; 綠色公共建筑; BIM技術; 系統設計; 場景編程; 對比驗證

中圖分類號： TN911.73?34; TP18? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0137?03

Design of BIM technology based virtual reality system for green public building

YANG Longlong1， WANG Hui2， DING Haiyan1

（1. City College of Science and Technology， Chongqing University， Chongqing 402167， China; 2. Wuhan University of Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： As the low similarity between the three?dimensional images of green public buildings generated by traditional virtual reality system and the actual scene， a new green public buildings virtual reality system based on BIM technology is studied. The system hardware is mainly composed of the central processing unit， memory， modeling equipment and interactive equipment. The chip inside the processor is TUSA852， a new processing chip made by Intel Company of the United States. The memory is divided into the main memory and the external memory. The modeling equipment mainly includes 3D scanner and sound equipment. The common interactive equipments are the 3D mouse and data glove. The 3D scene editing program and digital building program are compiled in C++ language. The comparative experimental results show that the similarity between the model based on the system construction and the physical building is close to 100%， which is higher than the 20% similarity of the traditional two?dimensional plane graph and the 50% similarity of the model based on physics construction， with outstanding advantages.

Keywords： virtual reality system; green public building; BIM technology; system design; scene programming; comparison validation

0? 引? 言

虛擬現實系統即虛擬現實平臺（VR）技術[1]，使人通過適當裝置對虛擬環境進行交互，從而獲得身臨其境的感覺[2]。隨著建筑設計模擬需求的不斷升級，其在建筑設計領域的應用前景頗為巨大[3]。綠色公共建筑[4]是建筑師們為降低建筑對于自然環境的破壞而提出的概念，旨在建筑壽命周期內最大限度地節能、節水、節材，以低碳環保、節能再利用為核心，為人們提供與自然和諧相處、健康且舒適的使用空間[5]。由于土木建筑工程存在較大風險，成本高昂，對綠色建筑的設計更是需要經過比傳統建筑更為嚴謹的模擬設計過程，而傳統展示手段，如：平面圖、表現圖、沙盤在建筑模擬設計中的呈現能力有限，影響建筑設計師們的工作效率。

本文研究基于BIM，即建筑信息模型技術設計綠色公共建筑虛擬現實系統，通過數字化表達方式創造3D幾何模型仿真模擬建筑的真實信息，以提高建筑工程效率。

1? 系統硬件設計

虛擬現實系統硬件構成系統的物理設備，其主要設計包含中央處理器、存儲器、建模設備、三維視覺顯示設備、聲音設備及交互設備，如圖1所示。

1.1? 中央處理器

中央處理器是虛擬現實系統的運算核心和控制核心，同時也是系統的最高執行單位[6]。中央處理器采用高純度的半導體材料硅，處理器內部選用的芯片為美國Intel公司生產的型號為TUSA852的新型處理芯片，該芯片主要由邏輯部件、寄存器部件、控制部件三大設計部件構成[7]，可容許上百萬億個數據同時譯碼運算[8]。

1.2? 存儲器

為保障虛擬現實系統運行效果，在系統硬件中設計存儲器作為記憶設備[9]。主存系統運算過程中的計算數據，當再次構建相同的綠色公共建筑虛擬環境時，可直接提取，節約系統運行時間;外存儲器用來存放系統內部數據和資料庫，可隨時補充材料信息，為系統提供運行資料數據。存儲器內部選用的芯片是由美國Tesud公司生產的FSA882，相比普通計算機存儲器存取速度更快，容量更大[10]。

1.3? 建模設備

三維視覺顯示設備與聲音設備同屬于建模設備，系統中設計3D掃描儀作為演示媒體，三維場景編輯程序的編輯成果將通過3D化為三維立體圖像[11]。聲音設備采用三維虛擬聲音設備，當參與者與虛擬環境發生交互時，聲音設備從存儲器中提取真實聲音信息選擇播放，最大限度使虛擬現實參與者聽到更加真實的聲音，滿足建筑師們的各種需求[12]。

1.4? 交互設備

交互設備主要有三維鼠標和數據手套。三維鼠標控制者可通過三維鼠標對計算機進行人為操作，配合三維眼鏡、聲音設備;數據手套的使用對參與者直接進行視覺、聽覺、觸覺等感官控制。三維鼠標也可對虛擬環境中的建筑信息模型進行不同角度的觀察甚至可以改變物體在VR中的成像。

交互設備中的數據手套具有多種模式，可在虛擬環境中通過軟件編程允許穿戴者產生移動、抓取、旋轉物體等動作，給予穿戴者最為真實的觸感。數據手套主要由輕薄的彈性材料以及半導體材料構成，方便手指彎曲，更加貼合使用者手掌，半導體材料使信息的輸入輸出更加迅速，是綠色公共建筑虛擬現實系統中核心的交互設備[13]。

2? 系統軟件設計

針對系統硬件設計軟件程序，本文主要設計了數字建筑程序和三維場景編輯程序。軟件結構圖如圖2所示。

2.1? 數字建筑程序

數字建筑程序即利用BIM技術和云計算，實現建筑的全過程、全要素的數字化、智能化程序，主要應用于城市規劃和建筑設計領域。一方面在綠色公共建筑建造之前，通過數字分析，消除可能存在的工程風險，對設計方案、施工方案、運維方案進行多次優化，衍生出虛擬建造過程，確保實體施工及運維的安全可靠性;另一方面通過數字建筑程序可將實體綠色公共建筑升級為可感知、可自我控制甚至自我適應的智能化系統和生命體，即智慧化運維。數字化建筑程序如圖3所示。

2.2? 三維場景編輯程序

在系統中編輯三維場景編輯程序，作為可視化三維場景的模型導入和后期交互制作的工具。程序采用以Directx和OpenGLAPL為基礎的三維渲染引擎與MFC相結合的架構，保證運行更加迅速，工作更加高效，并且集合多種功能，如構建模型、燈光調整、地形模擬等技術，引用互聯網技術獲取數據資源、場景信息并加以儲存。主要設計模塊分為實體模塊和界面模塊;實體模塊受中央處理器控制，當三維場景編輯程序接收到CPU的指令，程序將根據樹狀結構模擬綠色公共建筑;界面模塊主要負責呈現參與者與虛擬環境交互時對環境的改變，由于人體行為無法確定時呈現的內容更加隨機且豐富，大大提高虛擬系統技術含量。編輯程序如圖4所示。

3? 實驗研究

3.1? 實驗目的

為測試本文所設計系統的運行效果，選用兩種傳統虛擬現實系統和本文研究的虛擬現實系統進行對比實驗，分析實驗效果。實驗參數如表1所示。

3.2? 實驗結果與分析

根據上述參數，選用傳統虛擬系統和基于BIM虛擬現實系統對同一綠色公共建筑進行模型構建，將構建的三種模型與實體綠色公共建筑進行細節對比實驗，測試二者之間的相似度，得到的實驗結果如圖5所示。

由圖5可以看出，基于BIM虛擬現實系統構建的模型與實體建筑的相似度幾乎接近100%;傳統的二維平面圖大概有20%的相似度;基于物理構建的模型有50%左右的相似度。由此可以預測未來的建筑設計模型將以基于BIM虛擬現實系統為主。傳統的虛擬現實系統開發方法為純硬件開發，交互性較弱，生成的場景為數據性場景，顯示效果為數字化效果。基于BIM技術構建的虛擬現實系統采用硬件結合軟件的方法開發，具有較強的交互性，場景特點為實時渲染，顯示效果為三維立體效果。引用BIM技術的虛擬現實系統充分利用了高性能硬件與軟件資源，其構成的綠色公共建筑三維立體模型多感性、交互性更強，高分辨率顯示技術使場景更加真實。

4? 結? 語

隨著虛擬現實技術的日漸成熟，其在社會生產中也將發揮更加巨大的作用。本文通過研究以BIM為基礎的設計綠色公共建筑虛擬現實系統，具備虛擬現實系統的三維立體成像、多感官人機交互、三維立體聲音、高顏色分辨率等優勢，減少了建筑成本，節約時間，避免許多不必要的危險發生。經過試驗對傳統虛擬系統和本文系統進行模型構建的對比，基于本文系統構建的模型與實體建筑的相似度逼近于100%，比傳統二維平面圖20%的相似度、基于物理構建的模型50%左右的相似度更具優勢。

參考文獻

[1] 沈雪婷，王雨.基于BIM的綠色建筑協同設計流程研究[J].建材與裝飾，2018，22（16）：113.

[2] 張國華.基于BIM的建筑工程設計優化關鍵技術及應用[J].現代電子技術，2018，41（21）：173?176.

[3] 魏逸飛.探討BIM技術在綠色公共建筑設計中的運用[J].低碳世界，2018，22（18）：145?147.

[4] 林建國，葉嵩.基于BIM的工程質量監督人員監管能力評價和提升的研究與設計[J].工程質量，2017，21（11）：107?109.

[5] 張雷，姜立，葉敏青，等.基于BIM技術的綠色建筑預評估系統研究[J].土木建筑工程信息技術，2018，3（1）：31?36.

[6] 李晨楠，張金月.基于BIM的綠色建筑設計評審系統初探[J].項目管理技術，2018，14（1）：55?59.

[7] 呂賓華，張先政.基于BIM技術的綠色建筑設計分析[J].建材與裝飾，2018（23）：85?86.

[8] 楊興，鄭濤.基于BIM技術的建筑節能設計應用研究[J].城市建設理論研究（電子版），2018，6（8）：8.

[9] 安會麗.基于BIM技術的綠色工程解決方案研究[J].綠色環保建材，2017，25（10）：141.

[10] 王紫民.基于BIM技術的綠色建筑材料管理體系探析[J].建材發展導向，2017，15（22）：281.

[11] 孫曉麗，喇海霞.基于BIM的綠色住宅建筑設計[J].西部皮革，2016，38（22）：49.

[12] 紀偉寧.基于BIM技術的綠色建筑材料管理體系探析[J].建設科技，2017，25（11）：68?69.

[13] 宗明明.基于BIM技術的建筑節能設計管理探究[J].吉林工程技術師范學院學報，2018（7）：93?94.