基于BIM 的VR 技術(shù)在場布設(shè)計中的應(yīng)用探究

張 穎，陳 虹，唐映年

(成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730)

1 概述

BIM 即建筑信息模型(Building Information Modeling) ，是對設(shè)施的物理特征和功能特性的數(shù)字化表示，它可以作為信息的共享源從項目的準(zhǔn)備階段為項目提供全生命周期的信息服務(wù)，這種信息的共享可以為項目決策提供可靠的保證[1]。

VR 即虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality) ，這種技術(shù)把真實度極高的視覺、觸覺、聽覺有機(jī)結(jié)合，營造一種虛擬環(huán)境，讓置身其中的人們體驗感極強(qiáng)，與此同時，結(jié)合一些技術(shù)設(shè)備，使得使用者在現(xiàn)實環(huán)境中，可以進(jìn)行信息反饋，并在虛擬環(huán)境中得以體現(xiàn)[2]。

BIM 為VR 技術(shù)提供了虛擬仿真所必要的模型和信息，VR 技術(shù)替BIM 技術(shù)解決了最大化的視感和觸感。VR 和BIM 的結(jié)合使得場布更具信息化、可視化的特點，加強(qiáng)對施工過程的管理能力。二者結(jié)合，可以切實地通過視覺、觸覺對實際工程的問題進(jìn)行解決。本文著重研究基于BIM 的VR 技術(shù)在場布設(shè)計中的應(yīng)用。

2 BIM 與VR 相結(jié)合

在國家行業(yè)信息發(fā)展的影響下，二者的結(jié)合也成為了必然的發(fā)展導(dǎo)向，以全面優(yōu)化建筑工程的各項環(huán)節(jié)。BIM 需要VR 提供虛擬場景以提升用戶體驗，VR 需要BIM 提供模型數(shù)據(jù)和信息，BIM 優(yōu)勢是能夠讓信息數(shù)據(jù)化，而VR 優(yōu)勢是能夠把信息反饋出來，二者需求互補，優(yōu)勢互補，市場需求極大，兩種技術(shù)的結(jié)合可以使得建筑行業(yè)更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。

2．1 結(jié)合方式

根據(jù)當(dāng)下發(fā)展?fàn)顩r，BIM 技術(shù)與VR 技術(shù)結(jié)合從形式上來說可分為間接效果結(jié)合與直接數(shù)據(jù)結(jié)合，即分為“BIM+VR”與“BIMVR”兩種形式。其中，“BIMVR”形式致力于場景環(huán)境綜合效果和畫面幀率，但這種結(jié)合方式完全拋棄BIM 模型本身的信息，只對外觀效果進(jìn)行優(yōu)化。而“BIMVR”形式可以體驗BIM 模型的空間與外在展示效果，還可以直接選擇、讀取、修改BIM 模型中的構(gòu)件屬性等操作，更符合基于BIM 技術(shù)的VR 技術(shù)在場布設(shè)計方面的未來發(fā)展趨勢，本文以“BIMVR”形式著重討論基于BIM 技術(shù)的VR 技術(shù)在場布設(shè)計中的應(yīng)用。

2．2 “BIMVR”形式的優(yōu)勢

VR 技術(shù)所帶來的虛擬場景、視覺和觸覺的全新體驗是傳統(tǒng)的場布設(shè)計過程中所不具有的。以VR 技術(shù)所含有的基本特征為基礎(chǔ)，以下是基于BIM 對于VR 技術(shù)在場布設(shè)計中特點的詳細(xì)分析。

2．2．1VR 將BIM 的可視化完美展示

VR 將BIM 的數(shù)字模型完美展示，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模式化處理。在場布布置中，可以利用VR 技術(shù)高度還原真實世界，通過仿真動態(tài)展示將周圍原有建筑、原有景觀、原有道路等方面流暢展示，它可以細(xì)致到草本植物、廣告牌、標(biāo)語等提供準(zhǔn)確具體的分析數(shù)據(jù)，保證施工方案最優(yōu)化。例如，如果將此應(yīng)用到汽車站內(nèi)，則可以帶入乘客身份，你將看到在立體化的環(huán)境，并且可以隨意走動，你能切身感受到售票廳是否便捷、候車室座椅是否舒適、扶梯的高低、站臺是否美觀。你可以注意到每個細(xì)節(jié)，就如身處其中一樣，感受將完全與傳統(tǒng)的想象不同。

2．2．2VR 技術(shù)可以協(xié)助設(shè)計更好的景觀

VR 給BIM 模型賦予顏色、材質(zhì)，給人良好的交互式體驗。VR 技術(shù)的融入絕對不僅僅是視覺上的不同，它還可設(shè)置一草一木、材質(zhì)、地磚鋪設(shè)的方法等，設(shè)計師可以直觀感受植物布置是否合理，整體布置是否符合要求，幫助設(shè)計師更為直觀的創(chuàng)意設(shè)計。例如，如果將此應(yīng)用到公園之中，設(shè)計師可以直觀感受到設(shè)計方案，包括公園里的花草樹木、建筑物墻面的裝飾、公園椅子的設(shè)計等。VR 技術(shù)的融入，可以從各個不同的小細(xì)節(jié)協(xié)助設(shè)計師設(shè)計更優(yōu)美的景觀。

3 基于BIM 的VR 技術(shù)在場布設(shè)計中的應(yīng)用

3．1 工程概況

本工程為養(yǎng)老康復(fù)中心工程A 座(養(yǎng)護(hù)中心——介護(hù)) ，地上6 層，耐火等級一級，基地位于先農(nóng)壇路以南，千佛山路以東。建筑總面積12 043． 89 m2，建筑高度23．98 m，本工程結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，走廊及療養(yǎng)室均采用吊頂?？祻?fù)中心的功能分區(qū)主要包括康復(fù)醫(yī)療區(qū)、培訓(xùn)科研區(qū)、辦公與后勤保障區(qū)，還可根據(jù)自身發(fā)展和立項情況設(shè)立居住生活區(qū)和預(yù)留發(fā)展區(qū)。醫(yī)療康復(fù)區(qū)位于園區(qū)主體，居中心位置，且臨近主要交通要道，其他功能沿周邊布置，同時應(yīng)充分預(yù)留發(fā)展用地。以本工程為例說明基于BIM 技術(shù)的VR 技術(shù)在場布設(shè)計中的應(yīng)用。

3．2 工程特點和難點

該工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高，要求符合療養(yǎng)、盥洗、配電等多方面要求; 且不同于常見的方正建筑，外墻傾斜，且為折線形建筑，具體外觀形態(tài)如圖1 所示。該建筑的特征為工程量大，施工流程復(fù)雜，尤其建筑物獨特外形，需要專業(yè)的技術(shù)把控。

圖1 養(yǎng)老康復(fù)中心工程A 座模型圖

3．3 實際應(yīng)用

根據(jù)實際應(yīng)用和操作，分為建模階段和BIM 融入VR 階段。

3．3．1建模階段

在BIM 建模階段，利用Revit 2018 對模型進(jìn)行創(chuàng)建。在Revit 2018 中，先識圖，然后分為兩個部分繪制。第一部分為土建部分，導(dǎo)入CAD 圖紙，繪制標(biāo)高、軸網(wǎng)，再繪制基礎(chǔ)、柱等承重結(jié)構(gòu)，接著繪制梁、墻、樓板、樓梯、室外臺階、屋等等。第二部分為安裝部分，根據(jù)安裝圖紙的電氣、暖通、給排水的布置具體繪制電氣線路，給排水管道、暖通管道，并嚴(yán)格按照管線布置原則，對安裝模型整合時進(jìn)行調(diào)整。將土建、安裝等模型信息進(jìn)行整合，完成模型創(chuàng)建。在繪制完成后對模型進(jìn)行扣減，進(jìn)行管線的碰撞檢查、外墻裝飾、室外散水等一系列精細(xì)化處理。

3．3．2BIM 融入VR

BIM 融入VR 需要對模型的光線、畫面、天氣等進(jìn)行深化設(shè)計。首先，將完成的BIM 模型導(dǎo)入相關(guān)軟件創(chuàng)建模型。其次，對燈光效果進(jìn)行設(shè)置，包括平行光的設(shè)置、點光源的設(shè)置、聚光燈的設(shè)置、照明設(shè)置等，確保晝夜光線充足。接著，還需要對場內(nèi)各類構(gòu)件的材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，比如公共座椅、水池、地磚等，增加視覺效果。然后，需要添加濾鏡，對畫面進(jìn)行增強(qiáng)處理、樹木和風(fēng)區(qū)場景設(shè)置、天空場景設(shè)置，并且，還可對四季天氣場景進(jìn)行設(shè)置。此外，還需要進(jìn)行交互設(shè)計，例如移動路徑交互、觀察點交互等。最后，需要將場景打包上傳瀏覽、檢查VR 場景。在這個場景中，設(shè)計師可以按照想法輸出效果，可任意導(dǎo)出漫游路線、漫游視頻等。

在整個設(shè)計過程中，設(shè)計師需要根據(jù)設(shè)計思路或者客戶需求設(shè)計，在設(shè)計時參照已有建筑風(fēng)格、晝夜不同使用需求、療養(yǎng)院特殊需求設(shè)計，設(shè)計道路、電路、管道、照明、材質(zhì)等，彌補BIM 技術(shù)靜態(tài)可視化缺陷，進(jìn)行深化設(shè)計，將場布設(shè)計更為精細(xì)和美觀。通過計算機(jī)程序的運作處理之后，畫面還可以傳送到手機(jī)和電腦上，體驗者只需要帶上專業(yè)設(shè)備，就可以在虛擬場景下任意走動，提前感知設(shè)計方案細(xì)節(jié)以及其合理性，充分保證方案的最優(yōu)化。

3．4 場布設(shè)計的具體應(yīng)用

在實際操作過程中，“BIMVR”形式可以融入到場布設(shè)計的各個階段，都可以協(xié)助設(shè)計，美化場景。下文將通過場布設(shè)計的準(zhǔn)備階段、初步運用階段、深化階段、總結(jié)階段闡述。

3．4．1準(zhǔn)備階段

在準(zhǔn)備階段，幫助設(shè)計人員對內(nèi)外環(huán)境充分了解，初步設(shè)計施工階段的場布。在場布設(shè)計的準(zhǔn)備階段，可先模擬已有建筑的分布以及具體的外觀形態(tài)，建筑結(jié)構(gòu)以及使用功能等因素，模擬出一個虛擬場景。這不僅可以根據(jù)原有建筑設(shè)計，兼顧場布內(nèi)外布置，而且如果存在一些特殊性質(zhì)物體，例如場地內(nèi)有電線桿或者高壓線、當(dāng)?shù)靥厣参锓N類時，在場布的設(shè)計中還需要考慮安全和特色植物保護(hù)等，充分考慮設(shè)計方案的合理性。

在準(zhǔn)備階段，尤為需要全局、整體考慮。首先，需要考慮電線、管道的布置和道路的走向:將臨時用電和永久用電相結(jié)合，將臨時用水和永久用水相結(jié)合，將臨時道路使用和永久道路相結(jié)合，以便節(jié)省投資，減少浪費。然后，需要考慮材料堆放、給排水布置、板房布置等，既要保證安全防火，保護(hù)環(huán)境，又要做到有利施工，方便生活。在設(shè)計完成后，可以利用VR 技術(shù)對施工現(xiàn)場進(jìn)行安全測試。設(shè)計人員可以模擬施工人員，在場內(nèi)模擬施工，考慮可能會出現(xiàn)的安全事故，提前做好防范措施。

3．4．2初步運用階段

在初步運用階段，可協(xié)助設(shè)計人員快速直觀查看模擬方案。尤其在初步運用階段，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐奈幕?xí)俗、居民習(xí)慣、使用者的情緒因素，適當(dāng)考慮添加一些特色元素、特色景觀或者人性化設(shè)計。例如，可以根據(jù)建筑物實際應(yīng)用，滿足使用者對白天和夜間不同的使用需求，白天則需要模擬太陽光照射，晚上則需要模擬路燈等照明設(shè)備，幫助設(shè)計人員合理設(shè)置座椅位置和路燈位置，既需要保證白天的行人的休息，也要保證夜晚的燈光效果，還需要保證安全運行、節(jié)能運行，而虛擬場景可以給設(shè)計人員帶來一個很直觀的感受作為設(shè)計參考，例如，圖2 為養(yǎng)老康復(fù)中心A 座模擬白天光照圖。不僅如此，虛擬場景也可以幫助設(shè)計人員及時調(diào)節(jié)方案需要達(dá)到的硬性要求，例如標(biāo)高要求，道路要求，噪聲源要求，綠化要求等。除此以外，還有在設(shè)計過程中，可以根據(jù)虛擬場景合理選擇材料、材質(zhì)，比如道路材質(zhì)、公園椅子材質(zhì)和健身設(shè)備材質(zhì)等等[3-4]。

圖2 模擬白天光照圖

3．4．3深化階段

在深化階段，可解決設(shè)計中存在的管線碰撞等問題，優(yōu)化設(shè)計方案。管道沖突或者安裝不合理，是由于設(shè)計人員的信息不能及時共享，造成不合理的設(shè)計。后期的修改會延長設(shè)計階段的時間，甚至可能達(dá)不到預(yù)期效果。在虛擬設(shè)計中，設(shè)計人員可以根據(jù)使用功能來設(shè)置相應(yīng)的燃?xì)?、排水以及供電供暖管道設(shè)施，合理設(shè)計管道。首先，在設(shè)計過程中，基于虛擬場景，可以打破傳統(tǒng)設(shè)計信息的共享不充分、不及時，各專業(yè)管道信息可以得到整合并且共享給各個設(shè)計人員觀看，實時變換，多角度觀察，方便設(shè)計人員之間的討論和修改。如果發(fā)生碰撞，首先可以在虛擬場景內(nèi)進(jìn)行碰撞檢查，分別對給排水、暖通、燃?xì)夤艿琅鲎苍蜻M(jìn)行分析，得到碰撞點結(jié)果，根據(jù)碰撞的圖元，對碰撞的通道做出合理的處理，消除解決碰撞問題的同時，控制保證其基本功能，達(dá)到精細(xì)化設(shè)計。其次，由于信息的共享不及時，在設(shè)計工程中，各專業(yè)的設(shè)計人員可以互相監(jiān)督有沒有設(shè)計達(dá)到預(yù)埋管道的要求，并及時和其他設(shè)計人員溝通，做出更改，避免反復(fù)碰撞，反復(fù)更改。

3．4．4決策階段

決策階段可協(xié)助體驗者直觀體驗和了解設(shè)計方案。在這個階段，基于BIM 技術(shù)的VR 技術(shù)仍然有獨特的優(yōu)勢。不僅設(shè)計人員可以直接體驗設(shè)計方案，而且，VR 技術(shù)可以給甲方帶來一種全新的認(rèn)知和感知，快速在場布內(nèi)漫游，直觀感受到設(shè)計方案的要點和特點。同時，VR技術(shù)可以提前設(shè)計好漫游路線，還可以根據(jù)現(xiàn)場需求，快速現(xiàn)場設(shè)置漫游路線，相較于傳統(tǒng)的展示方式，避免視頻流水般的展示，需要體驗者人為想象，VR 融入可以帶來身臨其境的感覺。除此以外，他們可以切換季節(jié)、天氣、晝夜等，從各個不同的角度直觀感受整體設(shè)計，還可以查看設(shè)計的材質(zhì)，幫助他們對整個設(shè)計方案短時間內(nèi)全面了解，提升他們的體驗感和滿意度。如果方案還需要再次更改，也為雙方的溝通提供了保障，雙方都可以在場布內(nèi)快速、準(zhǔn)確理解對方想法，為二者溝通帶來便捷。

3．4．5總結(jié)階段

總結(jié)階段可保存數(shù)據(jù)作為案例，用于學(xué)習(xí)和交流。由于數(shù)據(jù)保存較傳統(tǒng)資料保存更加易于保存，也更為便捷和直觀。某些公司會對設(shè)計人員進(jìn)行長期培訓(xùn)，尤其是在某些大型項目設(shè)計之前。對于一些優(yōu)秀的設(shè)計方案，公司可以利用BIM 技術(shù)和VR 技術(shù)建立虛擬模型，多組織相關(guān)的設(shè)計人員學(xué)習(xí)優(yōu)秀場布設(shè)計項目的施工經(jīng)驗，虛擬場景帶來的真實的質(zhì)感也很能幫助相關(guān)設(shè)計人員快速直觀感受優(yōu)勢和劣勢，提升他們的設(shè)計水平。并且，這些數(shù)據(jù)可以反復(fù)多次使用，長久平均下來投入較小。同時，保存的數(shù)據(jù)也可為后期設(shè)計階段的改造方案的編制提供有力依據(jù)，也可用于各個單位之間或者行業(yè)與行業(yè)之間的溝通交流，方便后期應(yīng)用于建筑改造和行業(yè)內(nèi)外交流。設(shè)計階段的場布全景圖見圖3。

圖3 設(shè)計階段的場布全景圖

4 運用存在的問題

雖然二者結(jié)合存在著很多優(yōu)點，但是它的缺點是致命的，也是目前和未來一段時間無法解決的。具體如下:

1) 技術(shù)還不完善。目前BIM 技術(shù)和VR 技術(shù)都還存在多方面難題，如果想要在BIM 技術(shù)和VR 技術(shù)上實現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展，還需要克服很多難題，需要持續(xù)、健康、長久的發(fā)展。

2) 價格昂貴。雖然BIM 模型制作成本較低，但是由于VR 技術(shù)對于網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存多方面的限制，如果想要提高用戶全新體驗，需要很多昂貴設(shè)備輔助，這還不能保證可以運行所有項目場景，再加上頭盔、眼罩等用品，一次性投入較大，價格昂貴。

3) 安全隱患。由于VR 技術(shù)需要大量的線路材料支持，導(dǎo)致演示廳內(nèi)電線復(fù)雜，又由于體驗者戴著眼罩的同時，還需要拖著長長的電線走路，導(dǎo)致體驗者容易被絆倒。此外，一旦設(shè)備受潮，電路短路，可能會發(fā)生安全事故。

5 結(jié)語

本文通過“BIMVR”形式將建筑信息模型(BIM)和虛擬現(xiàn)實(VR) 技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，以實際工程為案例，研究了基于BIM 的VR 技術(shù)在場布設(shè)計中的具體應(yīng)用以及挑戰(zhàn)。“BIMVR”形式 未來發(fā)展?jié)摿薮?，不僅可以提高設(shè)計和施工效率，以及節(jié)省材料，減少浪費，還能給大眾帶來沉浸式的全新體驗感，將會持續(xù)、有效的促進(jìn)我國建筑發(fā)展事業(yè)的不斷進(jìn)步。