VR與BIM在建筑設計的前景

高慧 孫松山 陳佳艾 鄭勇 張玉良

摘?要：增強現實和虛擬現實技術是有關視覺增強的技術，他們相比傳統的技術極大地改變了視覺傳達的意義。這些技術現在正在迅速發展，在不久的未來將會改變整個行業的發展方向。土木工程是一個極度依靠視覺技術的行業，盡管AR與VR技術已經發展了幾十年，但是在建筑應用中還是非常少。近些年由于BIM技術的普及，數字建造這一名詞出現在我們的生活中，如果能將VR技術加入數字建造中，將BIM技術與VR技術相結合，使建筑模型的信息化與數字化和沉浸式體驗相結合，讓無專業知識的人和專業人士去相互溝通，相互協調，從而到達業主想要得到的樣子。

關鍵詞：VR;BIM;建筑設計;設計優化;信息化

1?緒論

近代繪圖輔助工具大致經歷了三大階段，第一階段是人工繪圖;第二階段是二維繪圖;第三階段是三維建模。自從1946年2月美國自主定制的目前世界第一臺大型電子軍用計算機正式問世以來，計算機迅速地被應用于各行各業當中。建筑設計的草圖輔助處理軟件最早追溯20世紀60年代，它的英文名字可以叫建筑草圖繪制面板（sketchpad）。20世紀六七十年代，小型通用計算機制造費用急劇下降，所以美國設計工程中已經開始廣泛性地使用它的cad，相比較于傳統的人工自動繪圖，cad自動繪圖更加方便快捷，繪圖操作速度也大大得到提升，繪圖操作精度也比傳統手工自動繪圖更加高。1975年喬治亞理工大學的理念從chuckeastman教授開始創建了他的BIM設計理念至今，20世紀八九十年代BIM理念開始逐漸將其運用融入了工程設計與建筑施工工程管理里。設計從此又一次進入了全新的三維時代。

2?現在建筑設計面臨的問題

2.1?建筑模型展現效果不理想

至今為止，建筑設計常常采用二維平面圖或三維圖為主，這些圖只能固定路徑或視角的展示，很難清晰完整地表達設計者的理念，也容易造成信息遺漏，從而導致了效果和預期不符。

2.2?建筑設計評價體系不完善

建筑設計現在主要由有專業背景的建筑設計師為主，而使用者在建筑設計中的參與度明顯不足。對于使用者而言，能夠獲取的建筑信息十分有限，存在現實與圖紙不對稱的情況。對于現在如果能將BIM與VR技術相結合，在人機互動上完成虛擬漫游，就能增加設計的靈活性，使技術人員和使用者能更好地協調，大大提高了傳統BIM模式的可視化，因此二者的結合對于未來的設計行業意義非凡。

2.3?缺少數據信息協同與交互

傳統BIM技術的設計優勢是協同設計，其中數據信息的交互是其中最重要的部分，但是就現階段而言，設計階段只有設計者參與進來，其他工作人員很難參與設計。一個項目需要不同專業背景的人進行協調，然而由于過程的處理，施工者可能對信息理解偏差，進而導致整個項目與預期不符。

3?BIM技術在建筑設計中的應用

3.1?建筑空間規劃中的BIM技術

空間規劃設計是在我們確定一個建筑設計產品施工地點之后，我們開始對整個建筑設計進行產品設計的第一步，對一個建筑設計產品的整體占地面積、地形、走勢、斜坡曲率等因素進行設計分析，決定了一個建筑進入產品之后它的外形、走向，尤其對在建筑施工期間場地地形復雜的特殊情況下對整個建筑產品空間的進行規劃更為重要。BIM的應用空間規劃數據應用有效地大大節省空間規劃工作時間，能快速在一個虛擬數據平臺上對整個建筑設計所在管理地區的具體地形、坡向等相關數據基礎信息情況進行綜合分析，為后期開展建筑設計工作提供大量參考有用數據。

3.2?建筑仿真技術中的BIM技術

我們利用BIM虛擬技術能對整個建筑設計數據進行真實虛擬數據還原，并且能夠真實地虛擬還原整個建筑的每一個設計數據，其中主要包括：高程、結構設計數據、建筑設計質量等。便于專業建筑設計技術人員對各種建筑設計產品各項質量指標數值進行嚴格校驗，對各種建筑物各部分之間的承受力相互作用、協調性能等進行嚴格檢查，確定各種建筑設計產品的經濟實用性和安全性。

4?BIM技術中的微環境模擬

通過AI與BIM圖像建模對真實日照遮擋進行圖像收集，用圖像仿真技術將真實的日照建筑構件遮擋對應關系全面清晰呈現，日照將以多種可視化和非動態方式展示呈現出來，所以無論時間上和地點上的日照遮擋關系都一樣可以清晰真實呈現，根據國家標準對日照相關建筑構件尺寸進行建筑尺寸優化設計。BIM空氣技術中心可以對整個建筑周圍的自然氣流以及環境信息進行數據收集，進行建筑通風數據模擬對建筑風速、風向、空氣污染擴散情況等收集數據等并進行各種功能上的需求分析設計。對于室內噪聲污染從建筑設計階段就開始應該定期進行人聲噪音影響分析，盡量做到降低人聲噪音對室內環境的直接影響。

5?VR技術

VR技術是一種由許多源碼和信息系統融合的、交互式的三維模擬動態現實視景和模擬實體環境行為的生態系統模擬仿真，它使用戶可以沉浸到該模擬環境中。VR首先是它能夠給人帶來深層次視覺沉浸感，顯示傳統設備本身帶來的立體視覺五感沉浸，輔助顯示設備本身帶來的立體五感聽覺沉浸;其次，VR能夠將媒體內容豐富度從三個最大維度再次提升后達到五個最大維度，即傳統的平行屏幕式多媒體，從人到平面兩個人三維度+平行時間四個維度;再次，提升后達到平行空間三維度+平行時間四個維度+平行虛擬人和平行現實世界五個維度;最后就是因為VR不僅能夠完全徹底突破空間限制，實現一種增強交互，能夠完全徹底突破人的地理位置限制，使用者甚至能夠完全實現在一個虛擬世界里與人零距離親密接觸。

6?BIM技術與VR技術在實際項目中的結合

通過必要的技術手段，將BIM模型的相關信息與VR設備相結合。BIM模型與VR設備的無縫連接，基于BIMVR的工作方式，在VR眼鏡里不僅可以體驗BIM模型的空間與外在展示效果，更可直接選擇與讀取源BIM模型中構件的屬性，如尺寸、材質、功能、wbs劃分等原始BIM信息，另外可在VR眼鏡中仿現實的進行BIM模型的構件顯示切換、間距數據測量、分析甚至構件調整等操作，達到傳統桌面端BIM模型瀏覽方式前所未有的體驗感，所以我們提出了利用VR虛擬現實技術與BIM技術相結合，進而提高BIM與VR結合在建筑領域應用的優勢。

6.1?設計階段

利用VR設備沉浸式讀取BIM模型中風管的各項尺寸信息，利用VR設備讀取BIM模型中構件的凈高數據進行直觀分析。在設計階段，設計師通過有限的時間和局限的想象力，設計建造出一個外型復雜多樣的大型建筑，無疑是極大的一個挑戰。基于實際工程項目，VR與BIM的具體結合手段與操作有著共通點，區別主要在于結合平臺的功能差別。無論對于哪種形式，對BIM源模型的處理操作都是基礎與重點，直接影響后續工作以及VR體驗產品的質量。

6.2?施工階段

建筑施工過程技術模擬，是一項復雜的技術實踐管理工程，每一項工程還要劃分為十至數十道過程工序，每一道過程工序需要選擇的建筑施工材料方法不同就可能會直接出現不同的工程預算和施工結果，所以在進行實際操作前我們可以充分利用VR與BIM的計算手段進行模擬施工，建筑施工技術模擬，最大的建筑施工難點就是進行模擬提前施工模擬仿真施工，模擬操作過程中我們可以對建筑圖紙制作中的一些疑問進行有效的分析反饋，從而可以大大提高效率和大大降低工業施工成本，隨著VR技術的出現，購房人必須親自到賣房中心，觀察樣品室的情況，通過VR技術客戶就可以通過虛擬實際體驗裝置來實際感受到各地的房源，在有限空間里就可實現預先感受到實際中的情況。同時，對于開發者來說，VR技術打破了傳統。

6.3?基于兩種技術的模型傳遞

很多時候基于不同的平臺以及具體工作形式，BIM與VR的結合應用常需要利用第三方格式模型的傳遞與讀取，常見的第三方中間格式有IFC、FBX、DAE、OBJ等。整體來說，基于實際中的工程BIM項目經驗，筆者認為FBX格式是其中最為完善的。以revit模型為例，優先建議考慮將模型導出為fbx格式傳遞至后續處理軟件。

中間格式模型的生成方式有多種，一種是用BIM源模型建模軟件自帶的格式導出器，如revit可以直接導出fbx、IFC等，不過效果不完善，不建議此種方式。另外一種是用第三方外部插件進行導出，其中會有眾多導出選項，導出的格式效果較好。將建筑、結構和現場布置模型，安全建筑設施的模型，綠化。結構模式等導出到fbx文件中。

以BIM源模型導出的FBX等作為中間格式文件，載入平臺進行效果編輯、渲染烘焙，繼而生成可供效果展示與場景互動的VR體驗系統，屬BIM+VR的形式;內置于Revit、Sketchup、ARCHICAD等建模平臺的第三方專業插件，無須中間格式傳遞，可直接將BIM源模型如revit模型一鍵加載至其中，進行材質場景效果編輯調節，然后可一鍵啟動VR體驗系統，利用HTC?VIVE及Oculus等主流VR設備進行體驗，但不可在虛擬現實環境中進行BIM源數據的讀取與操作，屬BIM+VR的形式。

置于Revit、Navisworks等建模與漫游分析平臺的第三方專業插件，同時也是一個豐富完整的BIM設計施工協同軟件平臺，對施工項目針對性較高，基于設計與施工的功能眾多，兼容性與模型識別讀取度較高，一鍵進行無縫加載BIM模型，而且可以進行模型同步反向調整，可一鍵啟動VR體驗系統或者打包生成VREXE體驗系統，利用HTC?VIVE及Oculus等主流VR設備進行體驗，支持在眼鏡設備中沉浸式讀取與分析BIM數據，以及進行多項調整操作，模型顯示實時效果較好，沉浸式效果優，但材質效果精度不如Twinmotion，屬于目前少有的能夠無縫鏈接BIM模型及數據的專業BIMVR平臺。

通過上面的研究，VR技術和BIM技術是我國建筑工業發展方向的一個轉折，兩者之間不能局限于形式的結合，更重要的應該是，通過其他的工具來實現真正意義上的兩種技術結合，本文對VR技術和BIM技術在建筑工程中相結合的設計、施工、樣板、綠化等進行了分析總結。基于以上幾種形式的結合，通過對比分析，提出與VR技術結合起來的最好方法，研究結果可為建筑工程提供一些參考依據。

參考文獻：

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