基于BIM模型的可視化仿真應用——以廣西百色干部學院項目為例

鄧朗妮，馬晉超，郭亮，黃曉霞，羅日生

（廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州545006）

基于BIM模型的可視化仿真應用——以廣西百色干部學院項目為例

鄧朗妮，馬晉超，郭亮，黃曉霞，羅日生

（廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州545006）

本文以BIM軟件平臺可支持多種文件格式的互導為基礎，通過分析和對比各類圖形軟件在實際運用中的優(yōu)缺點，選擇優(yōu)缺點互補、文件格式兼容性良好的圖形軟件，并對這些圖形軟件進行整合和協(xié)調(diào)工作，提出多種BIM圖形軟件可以協(xié)同工作的可能性，探索基于BIM模型的可視化仿真技術(shù)的實現(xiàn)依據(jù)，并詳細介紹其實現(xiàn)過程，使多種BIM軟件協(xié)同工作，突破傳統(tǒng)BIM平臺軟件的局限性，成功將三維可視化仿真技術(shù)運用到BIM模型中．

BIM；可視化；仿真技術(shù)；集成應用

0　引言

近年來BIM技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展的如火如荼，國家對BIM技術(shù)給予了大力的政策支持．2015年6月16日，在住建部發(fā)布的《關(guān)于推進建筑信息模型應用的指導意見》的文件中指出到2020年末，建筑行業(yè)甲級勘察、設計單位以及特級、一級房屋建筑工程施工企業(yè)應掌握并實現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術(shù)一體化進程應用，并且在國有資金投資為主的大中型建筑以及申報綠色建筑的公共建筑和綠色生態(tài)示范小區(qū)新立項項目勘察設計、施工、運營維護中，集成應用BIM的項目比率達到90％［1］．因為傳統(tǒng)BIM平臺軟件的局限性，需要相關(guān)圖形軟件配合使用才能滿足項目的要求，因此，如何基于BIM平臺軟件集成應用相關(guān)圖形軟件，以高效的實現(xiàn)項目的可視化要求，將具有非常重要的意義．本文基于Revit軟件，通過整合Lumion，Infraworks，Sketchup和Civil3D等軟件，探索了多種圖形軟件集成工作的實現(xiàn)路線和方法，為建筑工程可視化應用提供參考．

基于BIM技術(shù)的可視化應用早在20世紀70年代美國人查爾斯·伊斯曼就已提出．Golparvar·Fard等［2］將BIM技術(shù)與攝像技術(shù)相結(jié)合，把資料輸入計算機中實現(xiàn)建筑施工過程的3D模擬，將模擬所得信息作為下一步施工做出合理規(guī)劃的依據(jù)．Cote等［3］提出了構(gòu)建數(shù)字城市的思想．他們指出將BIM技術(shù)與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字城市．Evans等［4］對BIM技術(shù)進行了初步應用和探索，他們在團隊中使用BIM技術(shù)進行建筑信息模型的集成、共享和轉(zhuǎn)換．

在國內(nèi)，雖然基于BIM技術(shù)的可視化仿真應用開展的較晚但也有了一定的發(fā)展．

BIM技術(shù)從2002年正式被引進到我國，正大量運用于我國工程項目中.趙靈敏等［5］在實際項目中實現(xiàn)了全專業(yè)模型搭建、管線碰撞檢查、四維施工模擬和工程量分階段統(tǒng)計等應用；畢振波等［6］指出將BIM技術(shù)與云計算模式相結(jié)合，從而使企業(yè)在運用BIM技術(shù)時可以起到規(guī)避風險、提高工作效率等優(yōu)勢．張建平等［7］指出，將BIM技術(shù)與4D－CAD技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了基于BIM的宏觀、中觀和精細化管理相結(jié)合的多層次4D施工管理以及可視化模擬．

2002年，張建平等［8］開發(fā)了4D施工管理擴展模型，它將建筑物及其施工現(xiàn)場3D模型與施工進度關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了施工進度與施工資源及場地布置信息的集成．馬智亮等［9］對基于BIM技術(shù)的模型成本預算模型系統(tǒng)進行了深入研究，總結(jié)出預算信息模型所需求的相關(guān)信息，建立了基于BIM技術(shù)的建筑成本預算信息模型．李恒等［10］成立了建筑虛擬模擬實驗室，將3D視頻效果引入虛擬施工過程中，增強了虛擬施工的效果和真實感，彭玉元等［11］提出使用Google Sketchup和3DSMAX進行三維建模，并結(jié)合Vritools技術(shù)實現(xiàn)了一個有實用價值的交互式三維虛擬校園漫游系統(tǒng)．

目前，BIM應用并不能充分實現(xiàn)全生命期的信息交換，BIM的潛在價值未能得到充分發(fā)揮，其主要原因是BIM應用主要以文件形式進行數(shù)據(jù)交換和管理，無法支持面向建筑全生命周期的各種工程分析和管理，并且存在信息丟失等問題［12－13］，例如將Revit的體量模型導入到Lumion或Sketchup中會出現(xiàn)材質(zhì)信息的丟失，丟失的材質(zhì)信息需要重新進行賦予．

Lumion是荷蘭ACT－3D公司開發(fā)的新一代3D可視化軟件，馮友鵬等［14］提出，Lumion的定位是一個實時渲染軟件，主要是針對景觀設計成功展示，對設計過程中模型編輯提供的幫助很?。甃umion是一個信息集成的平臺，是不能進行模型搭建的，需要多種相關(guān)軟件協(xié)同工作以達到項目的可視化要求．目前，已有插件可將Revit中的體量模型轉(zhuǎn)化格式導入到Lumion中進行可視化仿真應用.周坤等［15］指出，導入Revit模型之前最好將材質(zhì)外觀進行微調(diào)，以避免導入Lumion進行材質(zhì)賦予時無法將材質(zhì)區(qū)分修改．在Revit中進行材質(zhì)區(qū)分是一種十分低效的方法，在Revit中進行三維可視化模型的搭建是對大量信息量搭載的一個過程，在這個過程中再加上對構(gòu)件材質(zhì)的區(qū)分工作無疑會極大程度地增加建模的工作量，降低勞動生產(chǎn)率．Sketchup是一款應用于建筑領域的三維設計軟件，可以快速、方便地進行三維模型的創(chuàng)建，其建模速度快，避免了同類設計軟件建模的復雜性［16］；楊遠豐等［17］指出，Sketchup雖然能把建筑模型建出來，但沒有構(gòu)件信息．國內(nèi)運用Sketchup主要是用于項目前期方案的展示，BIM技術(shù)是將“建筑信息”與“建筑模型”相結(jié)合的技術(shù)，Revit成為三維模型搭建的主流軟件是因為其可以進行模型信息的搭載，這是區(qū)別于Sketchup最重要的一方面．Civil3D是一款專門針對基礎設施建設領域的軟件，具有強大的三維地形創(chuàng)建功能，李俊超等［18］指出，Civil3D雖然提供了材質(zhì)設置功能，但是它的首要任務是建立道路的網(wǎng)格模型．Civil3D被運用于場地的網(wǎng)格模型的建立，但網(wǎng)格模型與三維可視化模型仍有很大區(qū)別，國內(nèi)有將Civil3D形成的網(wǎng)格模型導入到3dsMax Design中進行完善，但操作比較繁瑣．Infraworks是一款路橋設計軟件，可以用于道路與橋梁的生成，李震等［19］指出，Civil3D在視覺樣式、效果表現(xiàn)方面過于單調(diào)；Infraworks在精細設計、動態(tài)分析方面存在不足．國內(nèi)有工程師將Civil3D與Infraworks這兩款軟件協(xié)同工作，在Civil3D中進行場地模型的建立然后導入Infraworks中進行效果展示，Infraworks是一款偏于效果展示的軟件但與Lumion的效果展示差距很大．因此，多種軟件之間的集成應用成功與否關(guān)系著BIM可視化能否應用，若不進行軟件的集成應用，傳統(tǒng)的方法是對軟件進行二次開發(fā)，許淑慧［20］對AutoCAD進行二次開發(fā)實現(xiàn)了焊縫符號的自動標注，擴充了AutoCAD的功能，但二次開發(fā)過程相對復雜，使用局限性也相對較大．本文以廣西某干部學院為例，將多種圖形軟件集成運用以充分發(fā)揮BIM技術(shù)的可視化仿真應用．

1　軟件集成交互依據(jù)

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，已經(jīng)不是俠義的模型或建模技術(shù)，而是一種新的理念及其相關(guān)的方法、技術(shù)、平臺和軟件等．BIM是一種產(chǎn)品，其以三維數(shù)字技術(shù)為基礎，集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對工程項目設施實體和功能特性的數(shù)字化表達；BIM是一種過程，是建筑信息模型的創(chuàng)建、應用和管理的過程．

基于全生命期要求BIM軟件必須具有信息的流通性，所以BIM平臺的軟件例如Revit可支持多種文件格式的互導，為多種軟件的協(xié)同工作提供了一種可能，本文所用軟件格式如圖1所示．

Revit，Lumion，Infraworks，Sketchup和Civil3D幾種軟件的常用文件格式如表1所示.

3DMAX，Lumion，Sketchup三種后期渲染軟件對比結(jié)果如表2所示.

信息技術(shù)的飛速發(fā)展讓世界進入了信息時代，在信息時代，各項信息技術(shù)、多種信息設備進入學校，促進了現(xiàn)代教育理論與現(xiàn)代信息技術(shù)的有機結(jié)合，人們將這種結(jié)合稱為現(xiàn)代教育技術(shù)[1]。在現(xiàn)代教育技術(shù)環(huán)境下，學生學習的平臺將更廣闊，獲取知識的渠道也會更加多樣化，教學模式將從傳統(tǒng)的課堂授課方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)媒體教學，學生自主探索的時間將多于教師言傳身教的時間，因此培養(yǎng)學生的學習能力，讓學生在知識的海洋中自主揚帆遠航至關(guān)重要。

綜上，此項目的后期渲染功能主要集中于渲染能力與動態(tài)模型上，故選取Lumion作為渲染軟件．

表1　各軟件可導出、導入文件格式Tab．1 The file format which software can export，im port

表2　Lum ion，3DMAX和Sketchup綜合比較Tab．2 Comparison between 3DM AX，Lum ion，and sketchup

在地形設計方面，主要有Civil3D與Cass兩款軟件．在Cass中等高線是由很多條單獨的曲線組成，無法直接在圖上自動剖繪，只有靠人工在圖上量取斷面數(shù)據(jù)來繪制，而利用Civil3D軟件可將地形的等高線全部提取出來另存為圖形文件，并使用Civil3D中的“創(chuàng)建曲面”功能直接將等高線轉(zhuǎn)換成地形曲面；再者，Civil3D的各對象之間是動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系，如修改一點，與之相關(guān)聯(lián)的對象如等高線和斷面圖等都會隨之自動更改，而Cass做不到這點，相對較繁瑣．綜上，Civil3D軟件比Cass軟件更加先進，操作更便捷，界面更友好，故在本次項目中選用Civil3D軟件進行地形的設計．

在道路的信息表達上，主要有Infraworks，Sketchup與3DSMax Design三種軟件．比較結(jié)果如表3所示.

綜上，選擇建模更快、更便捷的Infraworks軟件作為道路創(chuàng)建的軟件．

根據(jù)上述軟件的文件格式，可以建立Revit，Lumion，Infraworks，Sketchup和Civil3D軟件的文件信息交互路線圖，如圖1所示.

2　三維可視化仿真應用的實現(xiàn)

表3　Infraworks，Sketchup與3DSM ax Design對比Tab．3 Comparison between Infraworks，Sketchup and 3DSM ax Design

三維可視化仿真應用已經(jīng)成為BIM技術(shù)一項很重要的應用．建筑行業(yè)專業(yè)劃分細致，而BIM軟件的開發(fā)是基于某一個專業(yè)而展開，相關(guān)軟件在某個專業(yè)的表現(xiàn)效果很好而在其他專業(yè)的表現(xiàn)會相對薄弱．例如，Lumion在進行三維渲染時的優(yōu)勢與劣勢十分明顯，Lumion對電腦要求不高，操作簡單方便，而且可以設定場景，且場景豐富；Lumion的劣勢是它作為一款實時渲染軟件，對設計過程中模型編輯提供的幫助很?。甋ketchup可以用于建模和可視化仿真應用，但其不能表現(xiàn)出體量的建筑與結(jié)構(gòu)信息，并且其后期渲染效果與一些主流軟件存在很大的差距，但Sketchup可以導入Revit的體量模型進行材質(zhì)的區(qū)分，這樣后期將體量模型導入Lumion中就不會出現(xiàn)賦予材質(zhì)時難以區(qū)分的現(xiàn)象，這一優(yōu)勢彌補了材質(zhì)信息的缺失．Civil3D主要是識別CAD圖紙里的等高線，從而生成場地的三維網(wǎng)格模型，但缺點是場地模型的表現(xiàn)力較低，不能滿足精細化的需要．Infraworks作為一款路橋設計的輔助型軟件自身不能進行場地模型的創(chuàng)建也預示著其必須與其它軟件一起協(xié)同工作，但它的優(yōu)勢在于道路的創(chuàng)建與地形表面能完美契合．建筑行業(yè)的大量信息由于形式和格式不統(tǒng)一，無法與其他專業(yè)進行建筑信息的交換和分享，BIM軟件的研究和開發(fā)都是基于幾何數(shù)據(jù)模型，主要通過IGES，DXF和DWG等圖形信息交換標準進行數(shù)據(jù)交流，材質(zhì)信息無法直接交流．例如，Revit軟件作為基本的建模軟件，主要搭載著體量模型的建筑信息，到Lumion中經(jīng)常會出現(xiàn)在賦予材質(zhì)時難以區(qū)分．因此，使用一種軟件是無法實現(xiàn)包含體量、場地和道路等BIM模型的可視化仿真應用，必須將上述軟件進行協(xié)同運用，各種信息在Lumion中的集成途徑以及各軟件在Lumion中的集成使用方式如圖2、圖3所示．

圖2　各種信息在Lum ion里集成的途徑Fig．2 All kinds of information integration in Lumion

圖3　多種軟件在Lum ion中的交互Fig．3 All kinds of software interaction in Lumion

2．1在Sketchup里進行模型信息處理

2．1．1在Sketchup里進行Revit體量模型信息的處理

通過插件“Revit to Lumion Bridge”將Revit里“rvt”格式的模型轉(zhuǎn)化為“dae”格式并導入到Lumion中．體量模型導入Lumion中進行材質(zhì)的賦予，經(jīng)常會出現(xiàn)Lumion無法區(qū)分同一類型屬性構(gòu)件的材質(zhì)信息，例如Lumion會將體量模型中所有的梁構(gòu)件材質(zhì)信息識別為同一種材質(zhì)，導致所有的梁只能使用一種材質(zhì)．上述問題可通過Sketchup軟件進行材質(zhì)的區(qū)分，將Revit里“rvt”格式的文件通過導出為“dwg”格式的文件然后導入到Sketchup中，并在Sketchup中使用“顏料桶”工具進行構(gòu)件的材質(zhì)區(qū)分，將完成好的模型以“skp”文件的形式導出，進而導入到Lumion中，這樣體量模型在Lumion中賦予材質(zhì)就可以區(qū)分了．

對于場地中溪流的繪制，首先在Civil3d中拾取這些溪流的高程線，生成溪流的網(wǎng)格模型，然后將生成的“dwg”網(wǎng)格模型文件導入到Revit中進行平整形成實體的三維模型，最后運用“映射”工具進行溪流的繪制．

2．2 Civil3D場地信息的表達

Civil3D可以通過多種方式創(chuàng)建曲面，并且可以將CAD中“dwg”格式的場地高程信息轉(zhuǎn)換為三維信息，進而導入到Revit中形成三維場地模型．

首先，將有場地信息的CAD底圖導入到Civil3D中，然后在Civil3D中新建一個曲面，如圖4所示，運用“拾取”工具拾取場地上的等高線高程，并輸入相應的高程值，最后得到完整的網(wǎng)格場地模型．

圖4　拾取所有高程信息Fig．4 Pick up all the elevation information

2．3在Infraworks里進行場地模型信息的處理

首先，將場地模型以“imx”的格式文件導入到Infraworks中，如圖5所示，導入“imx”格式地形文件時，在“配置”選項卡中選擇“北京54坐標系然后是中央子午線是75度帶”坐標系，導入的最終場地模型如圖6所示．

圖5　坐標系選擇Fig．5 The choose of coordinate system

3　案例分析

圖6　導入的場地模型Fig．6 The imported panning model

廣西某項目占地面積約為300畝，總建筑面積約7．6萬平方米，主要建筑內(nèi)容包括教學區(qū)、宿舍區(qū)、餐飲區(qū)、圖書館、體育活動中心以及配套的基礎設施．

3．1由Civil3D完成三維場地信息的表現(xiàn)

該項目場地占地約300畝，場地內(nèi)地形高差較大，其最大高程約145m，最小高程約116m，場地內(nèi)已實現(xiàn)場地內(nèi)土方平衡．Civil3D各相關(guān)數(shù)據(jù)動態(tài)關(guān)聯(lián)，例如對一處高程數(shù)據(jù)進行修改，整體將會隨之自動更新，極大地減小手動工作量，圖7所示為使用Civil3D形成有三維網(wǎng)格場地模型．

3.2Infraworks中道路的形成

在本項目中場地高程差較大，使用其它軟件繪制道路會出現(xiàn)道路與地面不契合的情況，但在Infraworks中繪制出的道路可以自動與凹凸不平的地面進行契合，完美表達了場地的道路信息，最終的場地道路模型如圖8所示．

3.3在Sketchup里進行材質(zhì)的區(qū)分

將Revit模型導入Sketchup中會出現(xiàn)材質(zhì)信息的大量缺失，運用“顏料桶”工具進行材質(zhì)的區(qū)分，不同的構(gòu)件要分別賦予不同的材質(zhì)或顏色，總共進行了50多種不同材質(zhì)的區(qū)分，區(qū)分好材質(zhì)的體量模型如圖9所示．

3.4各種信息在Lum ion中的集成

在Lumion中對已導入的場地模型進行材質(zhì)的賦予和場地的綠化，其中種植植被是一項巨大的工作．在Lumion中放置植物可以基于一條線進行群體放置，但不能基于一片區(qū)域進行群體放置，當場地坡度較大時，使用群體放置會使有的植物陷到場地以下與實際情況不符，所以最穩(wěn)妥的方式是對植物進行逐個放置，最終的場地模型如圖10所示．

圖7　形成有三維網(wǎng)格場地模型Fig.7 Form the panning model of three-dimension

圖8　生成道路模型Fig.8 Form the road model

圖9　區(qū)分好材質(zhì)的模型Fig.9 The model has been distinguished from the materials

圖10　在Lum ion中場地的最終表現(xiàn)Fig.10 Th model has finally been showed in Lumion

4　結(jié)論

主要分析和研究了多種圖形軟件在場地規(guī)劃設計中的可行性技術(shù)路線，并將BIM技術(shù)運用到其中，以實現(xiàn)BIM模型的可視化仿真應用．

本文主要目的是以BIM技術(shù)的基本理論以及相關(guān)軟件為基礎，探索了基于BIM模型的可視化仿真應用的具體實現(xiàn)過程，在這個過程中需要多種BIM軟件的相互協(xié)作，所以BIM技術(shù)的完美應用僅依靠一兩種軟件是無法實現(xiàn)的，需將多種軟件進行集成運用．

三維可視化仿真技術(shù)作為一種新興技術(shù)，逐漸運用到各個領域，將這項技術(shù)與BIM結(jié)合，將會成為BIM模型表現(xiàn)的重要手段．

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（學科編輯：黎婭）

Application of visualization simulation based on BIM models

DENG Lang-ni，MA Jin-chao，GUO Liang，HUANG Xiao-xia，LUO Ri-sheng
（School of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China）

In this paper,based on the feature that BIM can support the conversion of different formats of files,we compare the merits and demerits of different kinds of graphic software in the practical work and choose those with relatively better functions to do the research.This paper proposes different kinds of BIM software can cooperate with each other and analyzes the methods that may achieve the process.We confirm the possibility of collaborative function in BIM software and apply the3D visualization into it.

BIM;visualization;simulation technology;integrated application

TU17

A

2095-7335（2016）04-0074-07

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.04.014

2016－06－29

國家自然科學基金項目（51568008）；廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（KY2015YB164，KY2016YB248）資助．

鄧朗妮，博士，教授，研究方向：新型混凝土結(jié)構(gòu)及修復加固技術(shù)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，BIM技術(shù)應用與研究，E－mail：langni666＠126．com．