基于BIM模型的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字化建造技術(shù)

顧春歡

摘 要：BIM模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)和建筑施工行業(yè)中運(yùn)用比較廣泛的技術(shù)，這里分別介紹了BIM模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在這個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)和具體應(yīng)用方法。并主要講述了BIM模型+虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑的設(shè)計(jì)、建筑施工、建筑運(yùn)維的全生命周期中各階段的不同使用方法，可以完善后期建筑運(yùn)維工作，推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)的數(shù)字化建造技術(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化建造；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；建筑設(shè)計(jì)；建筑施工

中圖分類(lèi)號(hào)：TU755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）23-0125-02

BIM建筑信息化模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各自的領(lǐng)域中都有著不同的作用和用途。BIM模型以它模型的精細(xì)程度和所帶有的各種信息屬性而被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)行業(yè)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以效果的真實(shí)性、場(chǎng)景的沉浸感被廣泛應(yīng)用于傳媒娛樂(lè)行業(yè)?，F(xiàn)在我們可以通過(guò)各種軟件的協(xié)同操作可以把BIM模型的高精度、真實(shí)信息數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的寫(xiě)實(shí)效果、高度沉浸感想結(jié)合，來(lái)創(chuàng)作出基于真實(shí)信息和真實(shí)效果的不同體驗(yàn)。本文通過(guò)將這兩項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用帶來(lái)了幾種不同方式的最終效果呈現(xiàn)。

1 相關(guān)介紹

1.1 BIM技術(shù)

BIM（建筑信息化模型）英文全稱(chēng)是Building Information Modeling，從名字來(lái)看包括兩個(gè)部分：Information（信息）和Modeling（模型），他們是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的載體，然而把各種建筑部件信息、施工信息等結(jié)合到模型中之后就形成了建筑信息化模型。BIM模型相較于其他模型多了很多建筑信息在里面，比如建筑的材質(zhì)、高度、體積、構(gòu)件型號(hào)、價(jià)格。所以使用BIM技術(shù)的最終目標(biāo)是通過(guò)數(shù)字化建造技術(shù)，使項(xiàng)目在大量的工程數(shù)據(jù)中進(jìn)行更好的可控化管理，數(shù)字化模擬施工進(jìn)度，減少圖紙和施工誤差，從而縮短施工工期、節(jié)約施工成本，并能更好的進(jìn)行數(shù)字化運(yùn)維工作。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)建模、渲染出一個(gè)虛擬的物體或環(huán)境，然后通過(guò)人體佩戴設(shè)備與計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或環(huán)境進(jìn)行三維信息交互操作的一種視聽(tīng)方式。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括：計(jì)算機(jī)三維環(huán)境模型、人體佩戴設(shè)備（交互傳感器）、虛擬現(xiàn)實(shí)引擎軟件。目前常用的制作軟件是Unity 3D、Unreal Engine 4、CryENGINE等實(shí)時(shí)渲染引擎，常規(guī)佩戴設(shè)備有HTC vive、Oculus Rift、Gear VR、Playstation VR、HoloLens等。人體通過(guò)佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)備后可以身臨其境的沉浸在數(shù)字化模型的環(huán)境中，并通過(guò)交互傳感器和數(shù)字化模型進(jìn)行交互操作。

2 基于BIM模型的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在行業(yè)中的不同應(yīng)用

2.1 在建筑設(shè)計(jì)以及城市規(guī)劃中的綜合應(yīng)用

在常規(guī)的建筑設(shè)計(jì)初期，都會(huì)先進(jìn)行設(shè)計(jì)建筑周邊的測(cè)繪，在進(jìn)行城市規(guī)劃初期也會(huì)進(jìn)行規(guī)劃地的測(cè)繪，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。

現(xiàn)在可以通過(guò)無(wú)人機(jī)的航拍來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)繪，也就是現(xiàn)在應(yīng)用比較多的傾斜攝影技術(shù)，可以快速得到虛擬三維模型。針對(duì)不同大小項(xiàng)目及地形的大小可以變換不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)航拍測(cè)繪，主要有以下三個(gè)方式來(lái)獲取虛擬三維模型必要的數(shù)據(jù)圖像，然后再進(jìn)行后續(xù)處理后使用。

第一種主要針對(duì)單體項(xiàng)目，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)多層次環(huán)繞需要建立虛擬三維模型的物體，進(jìn)行不間斷的連續(xù)拍照來(lái)得到物體的環(huán)繞圖像。

第二種主要針對(duì)建筑物周邊地形，相對(duì)于第一種單體而言建筑物周邊地形面積大，環(huán)境更加復(fù)雜，如果只是環(huán)繞拍攝會(huì)有很多視覺(jué)死角無(wú)法拍攝到給后續(xù)建立虛擬三維模型帶來(lái)錯(cuò)面、漏面的問(wèn)題。所以可以采取單鏡頭5航線的方法來(lái)進(jìn)行拍攝，首先可以對(duì)無(wú)人機(jī)指定需要虛擬三維建模的地形區(qū)域，然后由此來(lái)規(guī)劃出5條拍攝航線，分別是1條垂直視角航線拍攝，和4條傾斜視角航線，分別由東南西北4個(gè)方向向西北東南方向飛行拍攝。由此得到5個(gè)方向不間斷的連續(xù)拍攝圖像。

第三種主要是針對(duì)規(guī)劃類(lèi)項(xiàng)目，相對(duì)于第一、第二種來(lái)說(shuō)需要生成的虛擬三維模型面積更大、需要拍攝的圖像更多。如果采用單鏡頭5航線的方法，會(huì)花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間成本。所以可以采用5鏡頭單航線的方法來(lái)縮短無(wú)人機(jī)航拍時(shí)間。這里需要使用特殊的相機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)單航線拍攝的需求，需要1個(gè)垂直相機(jī)、4個(gè)傾斜相機(jī)組成的相機(jī)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行同步拍攝。只需要無(wú)人機(jī)按一條航線逐行飛行規(guī)劃區(qū)域，就能得到同一位置點(diǎn)上同步拍攝的5張照片，一條航線上所有的位置點(diǎn)拍攝的5組照片就能得到5組不間斷的連續(xù)拍攝圖像。

通過(guò)上面三種方法得到不間斷連續(xù)拍攝圖像序列后，導(dǎo)入照片建模軟件，通過(guò)軟件對(duì)所有圖像序列的計(jì)算分析，可以得到一個(gè)三維模型數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)軟件對(duì)圖像序列的處理生成一個(gè)適合于前面得到的三維模型數(shù)據(jù)的模型貼圖，就能組成最終的虛擬三維地形模型。

經(jīng)過(guò)計(jì)算獲取的最終虛擬三維模型可以導(dǎo)入BIM軟件中進(jìn)行運(yùn)用?？梢栽谔摂M三維模型中加入設(shè)計(jì)的BIM建筑模型查看整體風(fēng)格、可以在虛擬三維模型中進(jìn)行風(fēng)力流動(dòng)等運(yùn)算、可以在虛擬三維地形模型中加入規(guī)劃后的bim城市規(guī)劃模型通過(guò)VR眼鏡等方式瀏覽規(guī)劃后城市整體效果。使建筑設(shè)計(jì)人員和城市規(guī)劃人員能更直觀的看到設(shè)計(jì)和規(guī)劃方案完成后的樣子，幫助設(shè)計(jì)人員和城市規(guī)劃人員更好的完善他們的設(shè)計(jì)和規(guī)劃方案。

2.2 在建筑施方案工策劃以及建筑施工過(guò)程中的綜合應(yīng)用

常規(guī)的建筑施工方案策劃和建筑施工都是通過(guò)使用CAD圖紙來(lái)查看建筑的結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)、水電等信息來(lái)進(jìn)行施工方案的策劃以及施工，并不是特別直觀。

現(xiàn)在我們可以通過(guò)CAD圖紙?jiān)贐IM軟件中快速地建立好BIM模型，在建立BIM模型的同時(shí)就能進(jìn)行圖紙復(fù)核、碰撞檢查、各專(zhuān)業(yè)方案協(xié)調(diào)等一系列工作。既達(dá)到了BIM虛擬三維模型的可視化效果，使CAD圖紙具象化方便檢查和溝通，又對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了查錯(cuò)處理，使以前只有在施工時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn)的圖紙問(wèn)題得到了提前的解決，保證了施工方案策劃的準(zhǔn)確性和后續(xù)施工的順利進(jìn)行。

在BIM模型建立完成、施工方案策劃完成后，可以在BIM軟件中或者導(dǎo)入3ds max中根據(jù)施工方案的進(jìn)度計(jì)劃來(lái)調(diào)整模型的施工動(dòng)畫(huà)，并在制作工程中根據(jù)實(shí)際物體屬性給予不同的物體材質(zhì)屬性，完成后再對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行光照模擬，以達(dá)到更真實(shí)的效果。

在以上動(dòng)畫(huà)、材質(zhì)、燈光都建立完成后，可以進(jìn)行施工動(dòng)畫(huà)瀏覽路徑和視角的設(shè)立。瀏覽路徑的設(shè)立主要是為了更好地看清虛擬施工中的主體流程施工步驟，以及重要節(jié)點(diǎn)施工和專(zhuān)項(xiàng)施工過(guò)程。路徑設(shè)立完成后，可以對(duì)路徑進(jìn)行360度圖像的渲染輸出，以得到全景圖像。再通過(guò)剪輯軟件的編輯，就可以生成全景影像，并能輸出到各種不同的VR設(shè)備，進(jìn)行BIM模型虛擬施工的路徑瀏覽。

還有另一種方法也能進(jìn)行BIM模型虛擬施工的瀏覽，并且不設(shè)置路徑像在游戲中一樣暢行，可以通過(guò)VR設(shè)備進(jìn)入到BIM模型的任意地方進(jìn)行查看施工進(jìn)度等一系列操作。我們可以把做好動(dòng)畫(huà)、材質(zhì)、燈光的BIM模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中，比如Unity 3D、Unreal Engine 4、CryENGINE等實(shí)時(shí)渲染引擎等都可以，然后對(duì)材質(zhì)燈光等進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整以適應(yīng)不同的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎的計(jì)算，通過(guò)引擎的校對(duì)、模擬、編程等達(dá)到可視化效果，并根據(jù)不同VR設(shè)備對(duì)BIM模型輸出生成不同格式的VR文件。然后在VR設(shè)備中進(jìn)行任意地點(diǎn)的BIM模型瀏覽體驗(yàn)。使BIM模型能更切實(shí)的被應(yīng)用到VR體驗(yàn)中，幫助施工方案的策劃人員和施工人員進(jìn)行更好的溝通和討論施工方案。

2.3 在建筑運(yùn)維中的綜合應(yīng)用

常規(guī)的建筑運(yùn)維管理中如果某個(gè)設(shè)備損壞需要維修，那必須通過(guò)相關(guān)工作人員去查找該設(shè)備的身材產(chǎn)商、型號(hào)等資料，然后再聯(lián)系生產(chǎn)廠商或者供貨商來(lái)進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)維修工作，操作的過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，效率較差。

現(xiàn)在可以運(yùn)用基于BIM模型的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）來(lái)實(shí)現(xiàn)快捷的建筑運(yùn)維管理。不管在建筑設(shè)計(jì)階段是否建立了BIM模型，都可以在后期重新建立BIM模型來(lái)實(shí)現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑運(yùn)維管理。

用于建筑運(yùn)維管理的BIM模型相較于普通BIM模型，需要更多Information（信息）來(lái)支持后續(xù)的操作需要，比如設(shè)備的廠商信息、設(shè)備型號(hào)、供應(yīng)商聯(lián)系方式等都需要在建立BIM模型時(shí)就將這些信息建立進(jìn)去，所以建立用于建筑運(yùn)維管理的BIM模型的工作量會(huì)比建立普通BIM模型的工作量大很多，而且對(duì)信息的需求更加的多和細(xì)致。模型建立完成后，需要和已經(jīng)建成的建筑進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的定位綁定操作，使BIM模型能和已建成建筑疊加顯示，這樣才能進(jìn)行后續(xù)的交互操作。綁定完成后可以導(dǎo)入MR設(shè)備中，通過(guò)佩戴MR眼鏡可以在現(xiàn)實(shí)建筑中疊加看到虛擬的BIM模型，比如看到現(xiàn)實(shí)建筑中的設(shè)備時(shí)可以通過(guò)顯示菜單來(lái)查看該設(shè)備的生產(chǎn)廠商、型號(hào)、供應(yīng)商聯(lián)系方式等一系列參數(shù)，這樣設(shè)備需要維護(hù)維修時(shí)就可以立即找到供應(yīng)商來(lái)進(jìn)行維護(hù)維修。再比如對(duì)著現(xiàn)實(shí)建筑中的墻體可以疊加看到BIM模型中預(yù)埋在墻體里的管線設(shè)備等，在墻上打洞或安裝其他設(shè)備時(shí)可以避開(kāi)墻中的管線，避免不必要的誤操作引起的管線損壞及維修。

2.4 在建筑展覽、展示中的綜合應(yīng)用

在展覽、展示中經(jīng)常用到沙盤(pán)來(lái)展示建筑及城市規(guī)劃，傳統(tǒng)的沙盤(pán)展示都是通過(guò)等比例縮放來(lái)制作建筑模型及城市規(guī)劃模型。制作周期長(zhǎng)，改動(dòng)不方便。

現(xiàn)在可以通過(guò)BIM模型配合VR設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市的沙盤(pán)展示效果。可以通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影建立虛擬三維地形，然后把BIM建筑或是BIM城市規(guī)劃模型在BIM軟件中嵌入到虛擬三維地形中，并在BIM模型中加入相應(yīng)的信息，制作成一個(gè)數(shù)字沙盤(pán)需要使用的BIM模型。接著通過(guò)導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中，比如Unity 3D、Unreal Engine 4、CryENGINE等實(shí)時(shí)渲染引擎等，然后對(duì)數(shù)字沙盤(pán)BIM模型的材質(zhì)、燈光等進(jìn)行調(diào)整計(jì)算，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎的編程加入可以顯示的菜單、顯示的信息、顯示的圖像視頻等，生成可用于數(shù)字沙盤(pán)顯示屏的數(shù)字沙盤(pán)BIM模型文件，并打包輸出到數(shù)字沙盤(pán)顯示屏中。參觀者佩戴數(shù)字沙盤(pán)配對(duì)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備后就可以觀看到實(shí)時(shí)顯示的數(shù)字沙盤(pán)，并能通過(guò)互動(dòng)設(shè)備來(lái)調(diào)取數(shù)字沙盤(pán)中各建筑的建筑信息、圖像、視頻等信息。如果需要改動(dòng)BIM模型的方案，改動(dòng)完成后能實(shí)時(shí)在數(shù)字沙盤(pán)上刷新改動(dòng)后的BIM模型，方便快捷。

3 結(jié)語(yǔ)

將基于BIM模型的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字化建造技術(shù)用于建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃，建筑施工方案的策劃、施工，建筑運(yùn)維，建筑展覽展示等方面，不僅能夠以虛擬三維模型及圖像、影視等方式實(shí)時(shí)的展示設(shè)計(jì)規(guī)劃方案、施工過(guò)程、運(yùn)維資料等信息，而且可以通過(guò)BIM信息模型的數(shù)字化建造來(lái)給技術(shù)人員、施工人員等進(jìn)行施工技術(shù)培訓(xùn)，提前對(duì)施工方案進(jìn)行熟悉。隨著B(niǎo)IM技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和融合，在今后的建筑領(lǐng)域必定會(huì)帶來(lái)更多的應(yīng)用方向和應(yīng)用前景，使建筑行業(yè)發(fā)展成為更具信息化與數(shù)字化的產(chǎn)業(yè)。

參考文獻(xiàn)

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