基于BIM技術(shù)的大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱子君+張玉龍+崔玲玲+曹海云

摘 要： 建筑景觀項(xiàng)目具有多樣性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)解析法在設(shè)計(jì)建筑景觀三維圖像過程中各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性較低、建模效率低、圖像質(zhì)量差。提出一種基于建筑景觀信息模型（BIM）技術(shù)的大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)，采用BIM中的Navisworks對(duì)建筑景觀項(xiàng)目進(jìn)行整合、閱覽，給出了建筑景觀Navisworks信息的組織形式?；贑OM開發(fā)Navisworks三維仿真平臺(tái)，依靠Navisworks軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)建筑景觀模型與仿真數(shù)據(jù)的三維展現(xiàn)。采用CAD實(shí)體建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的建模，并在Navisworks可視化軟件中對(duì)建筑三維仿真模型進(jìn)行渲染，得出建筑景觀三維仿真圖像。給出建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案，并依據(jù)動(dòng)態(tài)演示功能，掌握建筑景觀三維仿真的施工進(jìn)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建的大型建筑景觀三維仿真圖像清晰度高、系統(tǒng)耗時(shí)短、性能優(yōu)。

關(guān)鍵詞： BIM； 建筑景觀； 三維仿真圖像； 仿真系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN911?34； TU990.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）04?0111?04

Design and implementation of large?scale building landscape 3D simulation system

based on BIM technology

ZHU Zijun， ZHANG Yulong， CUI Lingling， CAO Haiyun

（Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract： The building landscape project has the characteristics of diversity and complexity， which lead to the low correlation among each indicator， low modeling efficiency and poor image quality while using the traditional analytic method in the design process of the building landscape 3D images， so a large?scale building landscape 3D simulation system based on building information model （BIM） technology is proposed. The Navisworks in BIM is used to integrate and read the building landscape project. The Navisworks information organization form of the building landscape is given. The Navisworks 3D simulation platform was developed based on COM. The 3D display of the building landscape model and simulation data was realized by means of Navisworks software platform. The CAD entity modeling technology is adopted to model the large?scale building landscape 3D simulation system， and render the building 3D simulation model in Navisworks visualization software to obtain the building landscape 3D simulation image. The specific implementation scheme of the building landscape 3D simulation system is given. The construction progress of the building landscape 3D simulation is mastered according to the dynamic demonstration function. The experimental results show that the large?scale building landscape 3D simulation image constructed by the system has high resolution， and the system has short time consumption and optimal performance.

Keywords： BIM； building landscape； 3D simulation image； simulation system

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，建筑行業(yè)也呈現(xiàn)出繁榮的發(fā)展態(tài)勢(shì)[1?3]。高質(zhì)量的建筑規(guī)劃方法可大大降低項(xiàng)目成本，還能夠加快設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)階段的進(jìn)度，在此基礎(chǔ)上還保證了建筑品質(zhì)，給投資企業(yè)帶來可觀的利潤(rùn)[4?6]。建筑規(guī)劃方法中的關(guān)鍵部分是建筑景觀的三維仿真塑造方法。因此，尋求有效的建筑景觀三維仿真塑造方法，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但是目前的建筑景觀三維仿真系統(tǒng)都存在一些缺點(diǎn)，如文獻(xiàn)[7]提到的HCAD建筑仿真系統(tǒng)，基于Auto CAD等第三方軟件平臺(tái)對(duì)建筑仿真系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)建筑施工圖進(jìn)行繪制、設(shè)計(jì)。該方法的缺點(diǎn)為在三維仿真方面技術(shù)成熟度較低，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的二維建筑規(guī)劃、繪圖等工作，實(shí)用性不高。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了OpenGL建筑景觀仿真系統(tǒng)，將地理信息數(shù)據(jù)加入建筑景觀仿真系統(tǒng)中，讓二維設(shè)計(jì)與地理信息密切結(jié)合，更好地顯示建筑景觀的仿真效果。但在建筑景觀仿真過程中，該系統(tǒng)的計(jì)算量較大，延長(zhǎng)了建筑設(shè)計(jì)周期，增加了成本消耗。文獻(xiàn)[9]提出了基于遺傳算法的建筑景觀設(shè)計(jì)，此方法將建筑景觀的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而抽象地表達(dá)為數(shù)學(xué)函數(shù)模型，通過計(jì)算得出建筑景觀中變量的關(guān)聯(lián)性，依據(jù)該關(guān)聯(lián)性進(jìn)行建筑模型設(shè)計(jì)。該方法中的數(shù)學(xué)函數(shù)式不能清楚地表達(dá)建筑模型中各變量間的關(guān)系，而且對(duì)于建筑景觀與各變量之間的影響分析不明確，不能滿足目前對(duì)建筑景觀設(shè)計(jì)的需求。

為了解決以上的問題，提出一種基于BIM技術(shù)的大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建的大型建筑景觀三維仿真圖像清晰度高、系統(tǒng)耗時(shí)短、性能優(yōu)。

1 大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

建筑信息模型即為BIM（Building Information Modeling）技術(shù)，它是將建筑景觀的全部信息通過數(shù)字仿真的形式表現(xiàn)出來，其中包括三維幾何形狀數(shù)據(jù)與非幾何數(shù)據(jù)信息，比如建筑項(xiàng)目所需的材料、價(jià)格、項(xiàng)目進(jìn)度等數(shù)據(jù)。

1.1 分析建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的構(gòu)建平臺(tái)

Navisworks軟件平臺(tái)在建筑信息模型（BIM）工作流中處于關(guān)鍵地位。采用Navisworks塑造建筑景觀三維仿真系統(tǒng)時(shí)，項(xiàng)目規(guī)劃人員在Navisworks軟件平臺(tái)上，對(duì)建筑景觀項(xiàng)目進(jìn)行整合、閱覽，獲取建筑景觀三維仿真模型，協(xié)助用戶得到建筑景觀的信息模型（BIM），給建筑景觀項(xiàng)目相關(guān)方的工作增加核心競(jìng)爭(zhēng)力，加快工程進(jìn)度。Navisworks軟件平臺(tái)將Auto CAD 和Revit軟件塑造的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，與其他設(shè)計(jì)工具獲取的信息融合，塑造成建筑景觀三維模型，將建筑景觀設(shè)計(jì)方案以三維仿真形式進(jìn)行預(yù)覽?；贐IM技術(shù)的大型建筑景觀三維仿真不但包括施工現(xiàn)場(chǎng)的填挖情況、施工進(jìn)度等動(dòng)態(tài)邏輯關(guān)系，還有關(guān)于建筑施工場(chǎng)地、環(huán)境、建筑物位置等空間信息。建筑景觀三維仿真工程進(jìn)度時(shí)間數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能和外部數(shù)據(jù)庫(kù)連接功能，能夠及時(shí)獲取建筑景觀三維仿真處理時(shí)間和建筑工程的數(shù)據(jù)信息。其中，建筑景觀的Navisworks信息組織形式如圖1所示。Navisworks平臺(tái)中的三維數(shù)字模型和三維數(shù)據(jù)信息依靠標(biāo)示符關(guān)聯(lián)在一起，按照特定規(guī)則將建筑景觀三維模型和具體時(shí)間參數(shù)連接，讓各個(gè)圖形單元快速組成三維數(shù)字模型，并與時(shí)間參數(shù)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，以達(dá)到直觀表達(dá)建筑景觀三維仿真的目標(biāo)。其中，建筑景觀三維模型與進(jìn)度規(guī)則如圖2所示。

1.2 基于BIM的大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的開發(fā)

1.2.1 采用API應(yīng)用程序接口拓展系統(tǒng)

BIM中的Navisworks軟件平臺(tái)，能夠根據(jù)用戶操作的熟練程度，提供滿足不同用戶需求的建筑景觀三維模型。Navisworks支持軟件平臺(tái)二次開發(fā)，并且提供了API應(yīng)用程序接口，對(duì)建筑景觀三維仿真系統(tǒng)進(jìn)行拓展，滿足用戶的不同需求。API應(yīng)用程序接口的主要功能如下：

（1） 為了加強(qiáng)他人對(duì)于建筑景觀設(shè)計(jì)理念的理解，將設(shè)計(jì)的建筑景觀三維仿真模型交互式版本放在互聯(lián)網(wǎng)上，以供瀏覽；

（2） 將Navisworks中設(shè)計(jì)的建筑景觀對(duì)象信息與外部數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)。用戶可進(jìn)行模型審閱、建筑地點(diǎn)訪問、查看運(yùn)營(yíng)信息等活動(dòng)；

（3） 設(shè)計(jì)圖集能夠自動(dòng)寫入Navisworks軟件平臺(tái)中，生成實(shí)時(shí)報(bào)告；

（4） 在用戶的應(yīng)用系統(tǒng)中插入交互式三維窗口，將設(shè)計(jì)圖像輸出至圖片文件儲(chǔ)存器中，在Navisworks存入快照，并將Navisworks用作GUI組件查看建筑景觀的三維界面；

（5） 將建筑景觀三維仿真模型中的沖突報(bào)告、特殊圖像全部輸出為HTML格式報(bào)告。

1.2.2 基于COM開發(fā)Navisworks三維仿真平臺(tái)

Navisworks使用基于COM 的開發(fā)方式。COM 接口較為簡(jiǎn)單，可通過多種編程語言編寫代碼。將建筑景觀組件作為發(fā)布單元的對(duì)象模型即為COM（Component Object Model）。其中的建筑景觀組件根據(jù)COM規(guī)則編寫，用WIN32動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式發(fā)布可被執(zhí)行的C語言二進(jìn)制代碼。COM規(guī)則中的核心部分為建筑景觀對(duì)象與接口。接口是一組函數(shù)模型的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)用組件對(duì)象。被封裝的組件對(duì)象一般通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的形式呈現(xiàn)。COM總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

COM 支持大部分和Navisworks 等價(jià)的功能，如操作文檔、運(yùn)行動(dòng)畫、設(shè)置視點(diǎn)等功能。并且可將建筑景觀三維仿真模型與外部 Excel 電子表格連接，在軟件窗口的對(duì)象特性區(qū)域顯示建筑景觀信息；將建筑景觀三維仿真模型進(jìn)度同 Microsoft Project 鏈接，設(shè)置建筑景觀三維仿真項(xiàng)目的時(shí)間進(jìn)度。

1.2.3 大型建筑景觀三維仿真建模

（1） 建筑景觀三維仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程。構(gòu)建建筑景觀三維仿真模型，可實(shí)現(xiàn)建筑項(xiàng)目可視化審閱和分析。三維仿真模型能夠清晰地表現(xiàn)出施工現(xiàn)場(chǎng)及工程內(nèi)建筑物的動(dòng)態(tài)信息，包括施工位置、渣料場(chǎng)的使用狀況、地形挖填狀況等，都能被清楚地展示出來。采用第1.2.2節(jié)塑造的Navisworks三維仿真平臺(tái)，可快速生成建筑景觀場(chǎng)景的三維仿真圖像。Navisworks三維仿真平臺(tái)依靠數(shù)據(jù)采集、地形數(shù)字化與建筑物建模等步驟，把建筑參數(shù)信息導(dǎo)入Navisworks中進(jìn)行渲染，得出建筑景觀三維仿真圖像。建筑景觀三維仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)的具體處理過程如圖4所示。

（2） 建筑景觀三維建模。Navisworks軟件平臺(tái)通過CAD實(shí)體建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大型建筑景觀三維仿真建模。將建筑物按照二維設(shè)計(jì)的方式劃分為獨(dú)立的部分，分析各部分間的關(guān)系，確定建筑物的具體空間形體信息。由于建筑物多數(shù)都是不規(guī)則形狀，所以需對(duì)不規(guī)則形狀的部分進(jìn)行精密劃分，規(guī)范成具體形狀，如矩形、棱柱、圓柱等，再依靠CAD軟件平臺(tái)繪制出建筑景觀各個(gè)部分的三維仿真模型。其中無法精密劃分的不規(guī)則建筑景觀形狀會(huì)自動(dòng)組成單元，通過多次修改編輯，得到基本圖元。將基本圖元參照空間結(jié)構(gòu)關(guān)系層次依次組合，構(gòu)成整體建筑景觀三維仿真模型，如圖5所示。在Navisworks可視化軟件中添加建筑三維仿真模型，進(jìn)行渲染，得出建筑景觀三維仿真圖像，如圖6所示。

2 基于BIM的大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 建筑景觀三維仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

基于BIM技術(shù)中Navisworks軟件平臺(tái)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的二次開發(fā)功能，完成大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的搭建?；贐IM技術(shù)的大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)帶有人機(jī)接口，具有操作簡(jiǎn)單，便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)用性高。建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程為：根據(jù)建筑景觀項(xiàng)目中建筑景觀的特點(diǎn)與周邊樞紐情況，制定設(shè)計(jì)建筑景觀三維仿真工程中所需的三維仿真模型；再將該三維仿真模型添加到Navisworks軟件平臺(tái)中進(jìn)行渲染，使得三維仿真模型中的動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為能夠被Navisworks軟件平臺(tái)讀取的文件格式。Navisworks軟件平臺(tái)規(guī)劃出時(shí)間參數(shù)信息及屬性信息后，依靠Navisworks軟件平臺(tái)中的二次開發(fā)功能，完成對(duì)于大型建筑景觀的三維仿真仿真處理，具體過程如圖7所示。圖7中描述的大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的主要功能有：動(dòng)態(tài)演示建筑景觀三維仿真建模的施工過程，動(dòng)態(tài)演示分項(xiàng)建模工程施工狀況，建筑景觀建模中仿真數(shù)據(jù)的可視化處理。

2.2 建筑景觀三維仿真的施工過程動(dòng)態(tài)演示

Navisworks軟件平臺(tái)中的Time Liner模塊能夠?qū)ㄖ坝^三維仿真的施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示。Time Liner模塊將用戶上傳的建筑三維仿真數(shù)字模型與施工進(jìn)度進(jìn)行整合，采用實(shí)體句柄作為標(biāo)示符，制定起始外觀狀態(tài)與任務(wù)類型，生成建筑景觀三維仿真建模施工過程的三維動(dòng)畫。建筑施工場(chǎng)景中的巡航動(dòng)畫由Animator 模塊制作完成，巡航動(dòng)畫可以與Time Liner動(dòng)畫相連，使用戶能從不同角度審閱建筑景觀三維仿真的動(dòng)態(tài)施工情況，把握建筑景觀三維仿真的具體施工進(jìn)度。圖8為某時(shí)刻建筑景觀三維仿真的施工狀況。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于BIM技術(shù)的大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

3.1 建筑景觀三維仿真圖像質(zhì)量分析

為了驗(yàn)證本文方法構(gòu)建的建筑景觀三維仿真圖像質(zhì)量，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)分別用傳統(tǒng)解析法和本文方法，對(duì)某地區(qū)的大型建筑景觀進(jìn)行三維仿真處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在512 MB內(nèi)存、32 MB顯存的計(jì)算機(jī)客戶端顯示。采用本文方法構(gòu)建的建筑景觀三維仿真圖，如圖9所示，采用解析法構(gòu)建的建筑景觀三維仿真圖，如圖10所示。

由圖9、圖10可見，使用本文方法繪制出的大型建筑景觀三維仿真圖像逼真、清晰，而傳統(tǒng)解析法模糊、不直觀。說明本文方法對(duì)于大型建筑景觀的三維仿真處理能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)解析法，可獲取令人滿意的結(jié)果。

3.2 耗時(shí)分析

實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)解析法和本文方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)建筑景觀進(jìn)行三維仿真處理。實(shí)驗(yàn)過程中，兩種方法的耗時(shí)情況如圖11所示。

分析圖11可得，本文方法在塑造建筑景觀三維仿真圖過程中消耗的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)解析法，具有較高的處理效率。

3.3 設(shè)計(jì)性能分析

為了驗(yàn)證本文提出的方法在性能上具有優(yōu)越性，對(duì)本文方法的設(shè)計(jì)性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)解析法和本文方法，對(duì)建筑景觀進(jìn)行三維仿真處理，對(duì)比其中各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

分析表1可知，傳統(tǒng)解析法在建筑景觀設(shè)計(jì)過程中，工程費(fèi)用率高、耗能多、作業(yè)效率低、性能較差，不能滿足各個(gè)性能指標(biāo)的需求。而本文方法在設(shè)計(jì)過程中，各項(xiàng)性能指標(biāo)都優(yōu)于解析法，設(shè)計(jì)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)解析法，具有較高的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文提出一種基于BIM技術(shù)的大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)，采用建筑景觀信息模型中的Navisworks對(duì)建筑景觀項(xiàng)目進(jìn)行整合、閱覽，給出了建筑景觀Navisworks信息的組織形式?；贑OM開發(fā)Navisworks三維仿真平臺(tái)，依靠Navisworks軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)建筑景觀模型與仿真數(shù)據(jù)的三維展現(xiàn)。采用CAD實(shí)體建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大型建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的建模，并在Navisworks可視化軟件中對(duì)建筑三維仿真模型進(jìn)行渲染，得出建筑景觀三維仿真圖像。給出建筑景觀三維仿真系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案，并依據(jù)動(dòng)態(tài)演示功能，掌握建筑景觀三維仿真的施工進(jìn)度。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建的大型建筑景觀三維仿真圖像清晰度高、系統(tǒng)耗時(shí)短、性能優(yōu)。

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