基于BIM+VR虛擬現實技術的工程可視化協同設計

吳 貝，楊若吾，陳沿秀，尤 洋，高展望

(天津大學 仁愛學院，天津 301636)

1 技術概述

1.1 BIM技術的概述

建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱 BIM)是指在建筑設計和施工過程中創建和使用的可計算數字信息。這些數字信息可以由程序系統自動管理，從而使由這些數字信息計算出來的各種文件具有相互匹配、互為因果的特點。

1.2 VR技術的概述

虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱 VR)是通過計算機創造并體驗虛擬環境的一種計算機仿真技術。對于VR技術來說，用戶通過聽覺、觸覺、視覺、嗅覺等感知來體驗虛擬環境，如通過對家具的擺放、移動，對門窗的開關等來體驗這個環境，使其給人一種身臨其境的感覺。

1.3 BIM+VR技術

BIM技術雖然能將二維的圖紙轉化三維模型，使其最直觀地被表現出來，但BIM技術可視化表達不足，用戶、建設單位以及非專業相關人員存在著讀圖、模型的困難。BIM只能被動地由設計師進行設計，部門與部門之間、部門與設計師之間不能及時交流，不能及時和用戶、建設單位以及施工單位進行交流和討論，也就無法采納用戶、建設單位以及施工單位的建議。而VR技術則是創造一個虛擬的環境，用戶通過聽覺、視覺、觸覺、嗅覺等感官能力去感受建筑的內部并操作，也就是沉浸式仿真技術，用戶能從虛擬環境中獲得與現實環境相似或相同的體驗，但虛擬現實技術只能停留在表現效果上，不能很好地展現建筑物的數據和信息。BIM技術和VR技術的結合可以彌補彼此之間的不足。如BIM則可以向VR平臺提供信息、數據以及模型，VR技術則創造一個與其相關的虛擬環境，將用戶在虛擬環境的感受以及建議反饋給設計師，然后對設計圖紙進行修改，提高用戶的舒適度。同時也可以把VR技術應用于施工階段，從而避免設計圖紙中出現不合理性和不科學性，這樣就可以保證施工過程效率。

2 BIM技術存在的問題

2.1 BIM可視化表達不足

BIM的可視化是指經過BIM模型在計算機上進行動態且直觀的仿真展示出情景，可以幫助業主更加客觀、準確地進行決策。通過可視化演示，項目中的每個團隊可以直接瀏覽每一個空間，從而進行交流、討論和分析。但在設計完成后，三維的展示方式只能通過固定的角度和固定的路線去展示，不能從多角度、多路線去展示，會造成建筑設計信息的遺漏，從而造成建筑設計與實際建成后的建筑存在偏差。

2.2 缺乏協同設計

在設計的過程中往往只有設計師參與，用戶、建設單位、施工單位等都無法將自己的想法和建議融入到設計階段。不同的部門、不同的單位不能及時進行交流，從而大大降低工作效率。

3 BIM+VR技術在工程項目中的創新應用

運用BIM技術進行建模(數字建模)，其主要運用的軟件revit，是將二維的圖紙變為三維的模型，其總的思路是基于虛擬現實引擎來承載BIM模型中所有的信息，利用虛擬現實技術來展示模型的效果。

在VR模式下，用戶可以體驗項目仿真模擬環境，還能沉浸進入項目實景進行漫游，可以從多角度和不同的路徑觀察各個區域中構件、建筑的信息。在漫游中，可以感受到場地的空間，各建筑的位置、各構件的位置、顏色、材質等特點。同時在漫游的過程中，系統可以對你的行為及時做出回應。

3.1 工程概況

某項目位于天津市，總投資約10 529萬元，占地面積2 823 m2，總建筑面積15 377 m2，最大高度約30 m，最大跨度約8 m(單跨)，其項目的結構為框架結構，屬于工業建筑。

3.2 利用BIM技術建模

首先利用Revit軟件進行土建，其包括結構建模和建筑建模。結構建模是對梁、板、柱部分進行建模，而建筑建模是對墻體、門窗等部分進行建模。然后用Magcadi軟件進行機電建模，也就是對水、暖、電進行建模。

3.3 BIM+VR技術在施工交底上的應用

傳統的施工交底通過口述、文字等方法進行，由于每一個施工人員的理解能力存在著差異，施工交底的質量就不同。如果對施工交底的內容不理解透徹，在施工中將會出錯誤，會造成施工質量差的情況。VR技術可以讓施工人員親身體驗其交底的內容，且對施工人員的理解能力要求不高，使施工交底的質量更好。在本項目上VR的可視化交底主要使用于鋼筋的綁扎、設備的進場以及安裝、混凝土的灌注等方面，通過VR設備進入虛擬的施工現場，使其親身體驗操作過程，明確施工的操作步驟。

3.3.1 施工可視化交底的設計

首先利用Revit土建，用Magcadi軟件繪制機電管線；然后將模型導入Maya中制作動畫；在制作成動畫后，對其進行渲染；導入VR引擎，與VR引擎對接，連接設備。

3.3.2 在本項目中施工可視化交底的使用過程

以設備的進場以及安裝為實例。讓體驗者戴上VR頭盔，登入界面，使其進入VR場景，利用手柄選擇設備進場以及安裝體驗的場景。利用瞬移功能，進入體驗的場地，按壓手柄上的按鍵觸發場景。設備從吊裝孔緩緩的下降，利用手柄對設備進行上下左右調整和控制，使其朝向指定的位置移動，到達指定的位置后，使用手柄控制設備下降，使其設備就位，然后語音提示“設備吊裝完成”。

再以預制墻的安裝為實例。同樣讓體驗者戴上VR頭盔，進入預制墻的安裝場景。給預制墻安裝上吊點，塔吊吊起預制墻，使用手柄對預制墻進行調整和控制，使它緩慢勻速地朝指定的位置移動。到達指定位置后，用手柄使它緩慢下降。在下降到一定的高度時，扶住預制墻緩慢下降到安裝位置，再安上斜支撐，取掉吊點，然后語音提示“預制墻安裝完成”。

3.3.3 BIM+VR技術施工交底的優勢

1)能將設計師的意圖更加直觀展示給施工人員，使其理解更加透徹，提高施工質量。

2)其系統是完全交互的，可以重復體驗。

3)可以整合資源，提高施工管理質量，提高工作效率。

3.4 BIM+VR技術在施工安全教育上的應用

本項目通過BIM+VR技術將實際的施工場地轉化為一個虛擬環境，讓施工人員沉浸于VR的虛擬世界，體驗其高空墜落、塌方、施工觸電、火災等這些“真實的”事故的場景，可以讓施工人員認識到在某階段因自己的不規范施工操作導致安全事故的發生，從而認識到規范施工的重要性，并提高施工人員的安全意識。

3.4.1 BIM+VR技術在安全教育中的設計

1)VR的硬件設備。其設備包括計算機、頭盔設備、三維視覺顯示設備、手柄、聲音設備、定位器等，并且還要在體驗區的下方設置振動臺，增強用戶的實際的體驗感。硬件的連接如圖1所示。

圖2 硬件連接

2)軟件設計。其包括場景的建模、貼圖渲染優化以及交互的實現等三部分。

3)流程設計。主要為：用Revit軟件建模；將創建好的模型導入Unity優化；利用Substance Designer貼圖軟件材質進行設計和渲染；在材質制作完成后，將其導入到Unity3 D中；連接顯示屏，接入VR設備，實現手柄碰撞物體的觸發、抓取功能、移動功能。

圖3 設計流程圖

3.4.2 安全教育場景體驗

根據設計，安全教育場景下的系統功能如圖4。

圖4 系統的功能

本文以火災消防的安全教育為例，介紹其體驗過程。

登錄界面，用手柄選擇火災消防事故場景；使用瞬移功能進入場景，進入宿舍樓，然后觸發起火點起火；使用拿取功能，在火勢不大時，體驗者拿起滅火器進行滅火，并有語音提示滅火的步驟；當火勢無法控制時，語音將會提示體驗者離開火場，同時響起警鈴，地面出現指向安全出口的綠色箭頭，提示體驗者離開；體驗者選擇逃生后，將其體驗者送至安全出口。

3.5 BIM+VR技術在工程施工中解決的問題

1)節約資源和成本。在施工過程中都會存在著信息壁壘，無法保障施工質量，無法控制其成本并且容易發生材料的浪費。BIM+VR技術能夠很好地解決這些問題。BIM+VR技術可以鏈接其工程量以及施工進度和建筑信息模型，從而降低損失。

2)優化設計圖紙，使其更精確。在傳統的圖紙設計上，常常由于設計師沒有現場施工的經驗，也就沒有考慮到施工中的一些問題，最終造成在項目工程中的不合理，并且在施工的過程中要調整較多數據。BIM+VR技術能夠解決這些問題，它全面的考慮了施工中的因素，保證了項目的合理性和科學性。例如在項目中圖紙中考慮構件安裝的合理性，避免出現返工，造成材料的浪費。

3)縮短了工期，提高了工作效率。由于施工中存在信息壁壘以及設計圖紙中存在著一些不合理性，造成施工工期不斷的延長。BIM+VR技術能夠有效地解決上述問題。BIM+VR技術有效地鏈接施工進度，進而可以很好地控制施工的工期，并且也提高工作效率。

4)加強了施工作業人員的安全意識。傳統的施工安全教育是以口述、書面等形式進行表達，但其效果往往不佳，安全事故頻發。BIM+VR技術的安全教育不像傳統的安全教育注重于表面，它是一種“體驗式”教育，它讓施工人員親身體驗安全事故，使其感同身受，增強其安全意識。

5)實現了管綜優化。在傳統的施工中，由于管道的排布不合理，造成了管道的相交和碰撞，增加了返工量和材料的浪費。利用BIM+VR技術實現管綜優化，避免了管道相交、碰撞，使管道合理排布，減少材料的浪費，縮短了工期。

4 結束語

本文以某工程項目為例，介紹BIM+VR技術施工可視化交底以及安全教育在建筑施工階段上的應用，并進行分析。在工程項目中實施BIM+VR技術可視化交底和安全教育可以很好的保證施工質量以及提高管理質量，提高施工效率，節約資源和成本，縮短工期，減少安全事故的發生，增強施工人員的安全意識。但BIM+VR技術在國內的研究還不多以及相關的標準體系并不完全，因此，在工程中的應用并不廣泛，BIM+VR技術仍需要進一步研究以及完善。

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