基于BIM-VR 的沉浸式建筑設計評審研究

李博宇 關濤 陳維亞

（1. 華中科技大學 國家數字建造技術創新中心，武漢 430074；2. 華中科技大學 土木與水利工程學院，武漢 430074；3. 華中科技大學 軟件學院，武漢 430074）

引言

設計評審是設計管理工作的重要組成部分，而BIM 使設計評審的載體有了更多的選擇，管理流程也發生了根本的改變[1]。BIM 能夠將建筑的物理模型與功能特性數字化地表達，連接了項目全生命周期各階段、各專業、各領域的信息、過程、行為和資源[2]。因此在建筑領域，BIM 已經成為了數字化設計變革的基石。借助其強大的多維信息集成能力[3]，設計問題的發現、討論、記錄和追蹤都可與BIM 構件綁定，用戶可以觀察三維建筑模型，并查看相關屬性及批注評論。然而，基于系統人機交互界面的局限性、空間感知受限等問題，限制了其進一步的推廣以及產生更多價值。

虛擬現實的發展使得建筑設計領域中能應用這一新興技術，以滿足人們日益增長的對建筑環境設施等的需求。

1 沉浸式建筑設計評審

1.1 從界面到空間

目前，三維設計的一個缺陷是傳統人機界面限制了評審人員與三維模型的高效互動，可視化的BIM 三維模型無法輔助用戶挖掘出隱性設計缺陷[4]。作為三維人機界面的最新形態，虛擬現實能夠通過沉浸式的渲染和自然交互，使基于BIM 的設計方案實現“從界面到空間”的轉換[2]。

在沉浸式虛擬環境中表達的BIM[5]，極大地拓展了數字化設計評審的邊界，“BIM+VR”的評審方式成為了解決上述問題的有力途徑。它不僅可以在虛擬環境中以真實空間比例展示設計模型，還可以讓用戶“走進”建筑，在設計原型中模擬實際使用情景、驗證預期功能，實現“參與式”評審。

評審者佩戴VR 頭戴顯示器（Head-Mounted Display,HMD），以虛擬三維空間為評審環境進行漫游，通過運動控制器（即手柄）完成與設計模型的交互和批注評論，如圖1 所示。

圖1 “BIM+VR”的設計評審方式

1.2 沉浸式評審研究現狀

目前，國內已有部分研究通過VR 提升設計評審的維度。例如陳婉蓉[6]提出虛擬設計評審的交互設計原則，利用Unity3D 和HTC VIVE 搭建了一個用于展示和評價三維產品模型的虛擬評審平臺。在建筑領域，劉基榮[7]較早地提出了在虛擬環境中進行建筑設計方案的觀察與評價，系統能夠提供計算機桌面端的漫游和佩戴立體眼鏡漫游兩種形式。

國外已有一些將BIM 與VR 結合的嘗試，實現在沉浸式環境下完成評審過程。例如Du 等[8]建立了一個名為BVRS 的BIM-VR 實時同步系統，通過云服務器解釋和交換BIM 元數據，并實時同步在源BIM 模型。Nandavar 等[9]以OpenBIM 為導向，提供了將BIM 模型快速自動轉換成IFC 格式并導入VR 中的方式，評審數據的轉移、更改不再受限于特定商業設計工具軟件或系統（例如Revit）。在改進系統中，實現了在虛擬環境中生成BCF 標記，使審查信息更加結構化和標準化，以便在多用戶的網絡中進行共享和同步。

沉浸式建筑設計評審具有以下優勢：

（1）能夠幫助評審者發現隱性設計缺陷。用戶在和現實空間等比例等尺度[10]的虛擬三維空間中，對構件尺寸的估計更加準確；

（2）提升了多用戶的交流效率[11]。在虛擬環境下，各相關人員間的溝通互動更加直觀和有形，當VR 與其他可視化媒體技術如圖紙、數字模型和效果圖等結合，設計評審變得更高效；

（3）普適性高。與桌面界面相比，VR 設計評審中大眾和專家的評審表現結果并無太大差異，尤其是評審對象為復雜建筑模型時[12]。

2 沉浸式設計評審系統設計與實現

通過對相關研究中評審系統的功能進行分析與總結，本研究得出如下結論：首先，用戶需要在虛擬空間內高效漫游，快速到達指定的地點；其次，用戶能夠以BIM 模型的視覺外觀和屬性數據作為評審的參考依據，在系統內完成并保存評審信息；最后，需要開發若干輔助功能提高評審效率及其便捷性。沉浸式評審系統的用例圖如圖2 所示。

圖2 沉浸式評審用例圖

虛幻引擎（Unreal Engine, UE）作為一種功能強大且廣泛應用的實時渲染和開發平臺，具備出色的圖形處理性能、物理模擬和交互能力。鑒于其在建筑設計領域的卓越表現及其對VR 開發的高度支持，本研究選擇UE 4.26 作為評審系統實現的基礎。

2.1 評審場景搭建

沉浸式評審系統首先需要滿足用戶隨時點選構件并查看它們的BIM 屬性并對其進行判斷從而形成評審意見。然而，BIM 模型并不能直接導入開發引擎，而需要進行預處理，將其轉換成FBX 或OBJ 格式[8]。但這些類型的文件并沒有保留BIM 模型原有的屬性信息元數據[4]，其根本原因在于Unity、UE 等引擎與Revit等BIM 設計軟件在幾何和語義等信息的表示方式上的不同。在基于UE 的開發流程中，使用Datasmith 插件將Revit 中的BIM 模型轉換成兼容格式，作為靜態網格體導入到引擎中，而BIM 信息將儲存在靜態網格體的資產用戶數據中，在虛擬評審環境下查看構件屬性如圖3 所示。

圖3 通過手持控制器點選構件并展示BIM 屬性

由于VR 環境中瞬移的漫游方式不易引起暈動癥且行動速度較快，故將其作為本系統用戶移動的形式。在場景中，用戶可以通過長按表盤并移動手柄的位置，自由選擇要進行傳送的目標位置及方向。此外，環境中設置了燈光與日照，且繪制了地形、草木等，提升評審者的臨場感。

2.2 結構化評審信息儲存

已有的沉浸式評審系統多側重展示，因此需要研究面向BIM-VR 的交互及評審數據輸入管理框架，在虛擬環境中實現基于自然交互的批注添加、修改等操作，實現“邊看邊評”的沉浸式評審工作模式。評審信息儲存的類設計圖如圖4 所示。

圖4 評審信息儲存的類設計圖

XML 和JSON 等文件儲存格式的傳輸、寫入和讀取速度較快，且結構直觀清晰、易讀性強，是常用的結構化數據儲存格式。但其結構形式并不能體現出建筑設計評審的特征[13]，且不具備表征項目相關方之間溝通交流的語義[9]。而BCF 格式則涵蓋了對設計問題的記錄框架，且較容易進行擴展，添加其他模態的批注，如圖形標記等。

與IFC 同處于OpenBIM 框架下的BCF 是一種滿足跨平臺、跨應用的開源數據標準（文件格式和數據通信協議），其提供了協作、精確定位、可視化和歷史記錄等功能，能夠改善BIM 相關活動的信息共享和協同決策過程。在VR 評審環境下用戶可將評審信息一鍵壓縮并生成bcfzip 文件，如圖5（a）～（b）所示。

圖5 評審信息的儲存與表現

2.3 其他功能

為提升評審者在VR 環境下的體驗，系統開發了小地圖功能，評審者可以輕松地觀察整個建筑的結構和布局，如圖6 所示。

圖6 小地圖

此外，通過三維批注功能，使用手持控制器添加注釋和標記，評審者能夠更準確地傳達自己的觀點，如圖7 所示。

圖7 三維批注

3 用戶實驗

3.1 實驗設計

為了驗證本系統的可用性和先進性，以桌面界面基于Revit 的方式分別作為對比實驗的對照組，因變量為用戶通過系統進行房間方案設計評審表現出的主客觀量化指標。實驗假設為沉浸式評審系統（以下簡稱VR 系統）能夠在某些方面優于基于Revit 的BIM 評審系統（以下簡稱Revit 系統）。

實驗以某實驗室的BIM 模型為評審載體，受試者在兩種環境下對方案的布局、設施、裝飾等建筑要素進行評價。而在Revit 中則采用BCFier 插件進行評審。為了排除系統使用的順序對實驗結果造成的干擾，受試者被劃分為I、II 兩組，I 組先進行VR 系統實驗再進行Revit 實驗、II 組則相反。

3.2 實驗指標

本實驗以任務耗時作為客觀評價指標，并通過問卷調查受試者對系統的主觀評價。問卷除個人基本信息外，還包括兩個部分：NASA 任務負荷指數（NASATLX）、情景意識評估技術（SART）[14]。

實驗完成耗時可用于比較兩個系統的效率和工作速度。如果一個系統在完成相同任務時耗時更少，則可認為其具有較高的效率和快速完成任務的能力，即擁有更好的任務績效（Task Performance, TP）表現。

NASA-TLX 通過多個維度（如心理需求、身體需求、時間需求等）來評估任務的主觀負荷水平。該指數可用于衡量任務執行過程中的認知和心理壓力，并幫助評估任務的難度和負荷程度。

SART 可以反映出受試者對環境中關鍵信息的感知、理解和預測能力，即情景意識（Situation Awareness,SA）。系統中用戶SA 得分越高表明用戶能夠更加快速、全面地對當前情景中的信息進行分析、判斷和決策，系統的可靠性、安全性越好。

3.3 實驗過程

本次實驗共招募了20 位受試者，包括13 名男生、7 名女生，年齡在21~27 歲之間，涉及專業背景包括土木工程、工程管理、自動化、軟件工程等。評審載體為實驗室房間改造方案的BIM 模型，受試者在各系統下都能夠查閱每個構件的BIM 屬性并以BCF 格式進行評審。

開始實驗前，操作人員向受試者介紹各系統的基本功能及注意事項，請其簽署測試知情同意書，之后受試者需要在10 分鐘之內熟悉使用兩個系統。

受試者被要求通過VR、Revit 兩個系統分別進行評審，在規定的三個區域內各完成一項對附近建筑環境缺陷的評審，給出評審的標題、相應的描述以及能夠反映問題所在位置的快照，如圖8 所示。

圖8 Revit 與VR 系統評審實驗過程

實驗人員負責記錄受試者所耗時間并向其發放對應系統的調查問卷。

3.4 實驗數據分析

實驗結束后將問卷結果及時間記錄整理歸納并形成實驗數據記錄表，對其進行分析如下。

3.4.1 任務績效TP

經統計，使用VR 系統完成全部任務耗時的均值為4.01min，使用Revit 系統完成全部任務耗時的均值為5.07min，如圖9 所示。

圖9 各系統評審任務耗時

為了進一步確定二者差異性是否顯著，使用統計假設檢驗：

H0: 兩組數據之間沒有差異或差異不顯著（p≥0.05）；

H1: 兩組數據之間存在顯著差異（p ＜0.05）。

當顯著性檢驗參數p ＜0.05 時有理由拒絕零假設H0 而接受備擇假設H1，即二者之間具有明顯的差異。

首先需要對兩組配對樣本進行Shapiro-Wilk 正態性檢驗，當正態性檢驗值p≥0.05 時樣本數據符合正態分布。若二者均符合正態分布則使用配對樣本t 檢驗，否則使用Wilcoxon 符號秩檢驗。經檢驗，二者均具備正態性，且經過t 檢驗可確定通過VR 系統完成相同場景下的評審任務所消耗時間更短，如表1 所示。

表1 任務耗時的正態性檢驗與t 檢驗

3.4.2 認知負荷CL

認知負荷能夠反映出用戶通過系統完成任務時的信息處理、記憶力等認知資源的使用情況，數據統計情況如圖10 所示。

圖10 認知負荷均值及標準差

經過正態性檢驗后，除總平均CL 外，其余分項樣本均不符合正態分布，則對其分別使用t 檢驗與Wilcoxon 符號秩檢驗，均不存在顯著差異，如表2 所示。故可判斷VR 系統與Revit 系統使用時的認知負荷相近。而兩者認知負荷的微弱差異可能源自以下原因：

表2 認知負荷分項的差異顯著性

（1）VR 系統的心理需求負荷略低于Revit，表明用戶在VR 環境下心理負擔較低，意識中認為任務較為簡單與輕松；

（2）身體需求上VR 略高于Revit，意味著用戶需要進行更多的身體運動和體力勞動。其可能的原因之一在于用戶需要佩戴VR 頭戴顯示器并手持控制器，從而增加了體力負荷；

（3）在VR 中需要比Revit 付出更多精力完成任務，可能的原因在于VR 環境下用戶獲得的建筑信息與環境語義更加豐富，且多數用戶對虛擬現實技術的了解或使用較少，需要花費更多精力去適應環境。

3.4.3 情景意識SA

情景意識能夠反映出系統是否能夠提供完整全面的環境感知數據，用戶能否把握場景重要信息，做出準確決策。通過SART 問卷獲得的數據如表3 所示。經過正態性檢驗所有項均不符合正態分布，故對其進行Wilcoxon 符號秩檢驗。

表3 情景意識分項的正態性檢驗及差異顯著性

根據表3 可知，在精神喚醒、注意力集中與分配、信息數量與質量方面，VR 系統的表現效果更加出色。精神喚醒能夠反映出用戶對環境的察覺及敏感度，注意力集中與分配則體現了用戶個體專注于特定任務與同時進行多項任務的能力。由此可以推斷，VR 提供的沉浸式環境能夠幫助用戶更好地探查評審方案信息并及時進行處理和行動。而信息數量與質量的優勢印證了VR相比傳統BIM能夠提供更豐富、完整的視覺信息，高自由度和真實感的評審環境有助于發現和解決潛在的設計問題，提升評審效果。

SART 中1~3 項、4~7 項、8~10 項的代數和分別代表注意力需求（D）、注意力供應（S）及情景理解（U），而情景意識的值SA=U-[D-S]，據此對數據進行進一步處理得到圖11。可看出VR 系統在各項SA 中均保持優勢。尤其是注意力供應，代表了系統在為用戶提供適當的注意力支持和資源分配方面的能力較為優秀。

4 總結與展望

本文對國內外關于沉浸式BIM 設計評審研究進行了梳理，研發基于BCF 標準的VR 設計評審系統并做出介紹。通過對比基于Revit 和基于VR 的BCF 評審方式的實驗證明了VR 系統的優勢：在環境信息豐富度和評審操作效率上具有明顯更好的表現。

根據問卷收集到的意見，未來將著力于簡化UI 和用戶操作邏輯，提高使用舒適性，并在系統中設置更明顯的引導和提示，進而提升整個系統的可用性。同時，后續將對系統軟硬件進行優化，從而提升優勢、補足劣勢。

此外，在設計評審過程中，用戶與VR 環境、建筑模型交互中會產生大量信息。如果能對這些碎片化知識進行整合、儲存、重用和表達，從而形成案例并通過算法和知識推理實現案例匹配，就可以為后續評審提供參考和借鑒。