面向建筑行業(yè)的VR協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

孫傳翔1 林 欣1 劉 翀

(1．華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件工程系，上海 200333;(2．華建數(shù)創(chuàng)科技有限公司，上海 200070)

1 引言

隨著科技水平的逐步提高，用戶在建筑行業(yè)有了進(jìn)一步的需求。BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術(shù)貫穿于整個(gè)生命周期，有設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、銷售等方面，將各種建筑信息都集成在一個(gè)三維模型信息庫(kù)中。通過(guò)依托BIM數(shù)字化技術(shù)，可以提供建筑全生命周期應(yīng)用的數(shù)字化解決方案[2]，助力建筑精細(xì)化實(shí)施和管理，打造建筑大數(shù)據(jù)高地。

VR(Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以建立并體驗(yàn)虛擬世界[3-4]，讓用戶身臨其境，給予真實(shí)的感受。依托VR智慧技術(shù)，融合虛擬和現(xiàn)實(shí)，連接建筑和用戶，共享數(shù)據(jù)資源，引領(lǐng)行業(yè)新一代智慧建筑和智慧城市發(fā)展。

VR協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)是指通過(guò)將BIM與VR相結(jié)合，對(duì)于每一個(gè)具體工程，在整個(gè)建筑生命周期內(nèi)，為設(shè)計(jì)師、開發(fā)商、建設(shè)者和消費(fèi)者提供方便快捷高效的一個(gè)系統(tǒng)。

2 研究思路

BIM技術(shù)通過(guò)對(duì)建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，為各方人員提供數(shù)據(jù)，有效提高了工作效率，減少了成本。VR技術(shù)的使用可以給設(shè)計(jì)人員、客戶等以直觀的感受，切身感受到建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與不足。通過(guò)將BIM與VR技術(shù)相結(jié)合，在建筑行業(yè)進(jìn)行VR協(xié)同設(shè)計(jì)，讓建筑行業(yè)也踏入智能時(shí)代。

VR協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括BIM協(xié)作支撐子系統(tǒng)、構(gòu)件格式轉(zhuǎn)換工具和VR協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)三部分。首先，BIM協(xié)作支撐子系統(tǒng)主要為設(shè)計(jì)者、開發(fā)商和建設(shè)者所設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能有對(duì)3D模型虛擬場(chǎng)景的建立、設(shè)計(jì)管理、進(jìn)度計(jì)劃、成本管理、物資采購(gòu)、施工現(xiàn)場(chǎng)、文檔管理、崗位群組、合約管理和審批流程等。目前VR模型庫(kù)的構(gòu)建大部分都是從零開始，我們通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)件格式轉(zhuǎn)換工具，對(duì)已存在的BIM模型庫(kù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，批量導(dǎo)出各個(gè)專業(yè)模型的幾何信息和材質(zhì)信息，數(shù)量達(dá)到萬(wàn)級(jí)以上，將其放入云端，從而構(gòu)建出VR模型庫(kù)。VR協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)則是面向設(shè)計(jì)人員或者消費(fèi)者們，從VR眼鏡中調(diào)取存放在云端的模型庫(kù)，形成虛擬的環(huán)境。通過(guò)攜帶VR眼鏡，可以對(duì)虛擬場(chǎng)景中不同的物品進(jìn)行拖動(dòng)或替換，設(shè)計(jì)出自己喜歡的場(chǎng)景，也可在場(chǎng)景中進(jìn)行仿真漫游，提前體驗(yàn)不同環(huán)境下的建筑特色。VR眼鏡中看到的也會(huì)呈現(xiàn)在移動(dòng)端，便于協(xié)同展示。項(xiàng)目架構(gòu)如圖1所示。

以下第3部分介紹構(gòu)件庫(kù)的建設(shè)，BIM協(xié)作支撐子系統(tǒng)和VR協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)分別在第4-5部分進(jìn)行介紹，最后是結(jié)語(yǔ)與展望。

圖1 項(xiàng)目架構(gòu)

3 構(gòu)件庫(kù)

為了生成規(guī)?；腣R設(shè)計(jì)模型庫(kù)，并在VR場(chǎng)景內(nèi)，能放置各類模型并支持構(gòu)件快速替換，我們?cè)诂F(xiàn)有的規(guī)?；腂IM構(gòu)件基礎(chǔ)上，通過(guò)研究虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)件快速生成技術(shù)，研制3D構(gòu)件與VR構(gòu)件的快速轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)BIM三維構(gòu)件與VR或MR轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可將BIM構(gòu)件快速轉(zhuǎn)換為虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的構(gòu)件。

圖2 構(gòu)件庫(kù)類別

3.1 模型庫(kù)建設(shè)

BIM構(gòu)件庫(kù)的構(gòu)建對(duì)VR構(gòu)件庫(kù)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。在BIM中，模型涉及的專業(yè)達(dá)到五個(gè)或以上，包括建筑、結(jié)構(gòu)、室內(nèi)、暖通、給排水、電氣等，模型類型達(dá)到20種以上，構(gòu)件總數(shù)量規(guī)模達(dá)到萬(wàn)級(jí)或以上。構(gòu)件分類如圖2。

模型庫(kù)以國(guó)標(biāo)編碼標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行分類，以設(shè)計(jì)表達(dá)需要為主要依據(jù)，建立萬(wàn)級(jí)構(gòu)件庫(kù)的分類框架體系，并對(duì)各專業(yè)、各構(gòu)件類別進(jìn)行梳理，使VR構(gòu)件庫(kù)能充分滿足各專業(yè)需求。

在對(duì)模型庫(kù)建設(shè)過(guò)程中，對(duì)構(gòu)件的幾何形體深度和材質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，保證構(gòu)件在VR展示應(yīng)用時(shí)的效果能達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求。形成不同層次的構(gòu)件組合邏輯，防止多次建?；驈?fù)雜建模，方便設(shè)計(jì)快速調(diào)用。

3.2 構(gòu)件格式轉(zhuǎn)換

對(duì)于建筑領(lǐng)域的VR模型，目前的研究大多數(shù)是從零開始構(gòu)建，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此，研究如何快速將已有的建筑3D模型轉(zhuǎn)換VR模型是至關(guān)重要的。而OBJ文件是數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N格式，模型由一些幾何特性構(gòu)成。由于它的文件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，所以適合在應(yīng)用程序中讀取或進(jìn)行3D文件格式轉(zhuǎn)換[5-11]。雖然OBJ文件不包含模型顏色、紋理貼圖等信息，但可以引用材質(zhì)庫(kù)，生成MTL文件[12]。其中包括多種材質(zhì)的定義，每種定義都包含各自的色彩(color)、貼圖(texture)等。

本研究通過(guò)使用Revit和.NET編程技術(shù)自主開發(fā)出一個(gè)Revit插件[13]。如圖3所示，插件可以批量讀取出所選模型的幾何信息與材質(zhì)信息，也可以根據(jù)不同的條件導(dǎo)出不同的參數(shù)信息。

圖3 構(gòu)件格式轉(zhuǎn)換插件

3.2.1 用戶功能

通過(guò)Revit構(gòu)件格式轉(zhuǎn)換插件，用戶可以通過(guò)選擇要導(dǎo)出的模型和導(dǎo)出位置進(jìn)行操作。另外，也可以選擇要導(dǎo)出的模型尺寸，詳細(xì)程度以及篩選導(dǎo)出內(nèi)容。

3.2.2 模型導(dǎo)出

模型主要包括幾何與材質(zhì)信息。其中幾何信息由三種坐標(biāo)及由這些坐標(biāo)構(gòu)成的面的索引組成。坐標(biāo)分別為頂點(diǎn)坐標(biāo)、紋理坐標(biāo)和法向坐標(biāo)； 材質(zhì)信息由不同材質(zhì)的顏色、發(fā)光指數(shù)、透明度、紋理貼圖組成。

幾何信息導(dǎo)出到OBJ文件中，OBJ文件是一種數(shù)據(jù)輸出格式，定義了對(duì)象的幾何屬性和一些特性，由于它的文件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，所以適合在應(yīng)用程序中讀取或進(jìn)行3D文件格式轉(zhuǎn)換[5，10-11,14-15]。在OBJ文件中，首行用mtllib來(lái)表示模型的文件名。關(guān)鍵字v開頭描述每個(gè)頂點(diǎn)幾何坐標(biāo)，vt描述每個(gè)頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)，vn描述頂點(diǎn)法向量，關(guān)鍵字f開頭描述面，另外用關(guān)鍵字usemtl表示相應(yīng)材質(zhì)名稱[15]。

材質(zhì)信息用MTL文件進(jìn)行存儲(chǔ)，關(guān)鍵字usemtl來(lái)對(duì)應(yīng)OBJ文件中的材質(zhì)，每種材質(zhì)都有一些關(guān)鍵的屬性，其中，Ka表示材質(zhì)的陰影色，Kd表示固有色，Ns表示反射高光度，d表示漸隱指數(shù)，而漫反射的紋理貼圖由map_Kd所表示。

3.2.3 批量操作

現(xiàn)有的一些Revit格式轉(zhuǎn)換插件都是通過(guò)在Revit中打開每種構(gòu)件，再進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換，這對(duì)于大量構(gòu)件的導(dǎo)出無(wú)疑是困難的。為此，在該插件中加入了批量功能，對(duì)于用戶選擇的所有要導(dǎo)出的模型，將其物理路徑存入集合中，循環(huán)遍歷此集合來(lái)完成批量操作，但在此過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：由于只有被激活的文件才能進(jìn)行導(dǎo)出，所以首先需要打開并激活每個(gè)文件； 其次，轉(zhuǎn)換對(duì)象為3D模型，所以需要判斷是否是平面視圖并進(jìn)行轉(zhuǎn)換； 最后，批量操作過(guò)程中每個(gè)模型導(dǎo)出成功后要進(jìn)行關(guān)閉，降低內(nèi)存損耗。

4 BIM協(xié)作支撐子系統(tǒng)

與一些BIM協(xié)同設(shè)計(jì)研究類似，我們也開發(fā)了BIM協(xié)作支撐子系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱BDMS，包括準(zhǔn)備工作、協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同采購(gòu)、協(xié)同施工幾部分，主要是針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)者、開發(fā)商和建設(shè)者之間可以相互協(xié)作，在工程建設(shè)的每一階段都能高效完成。以下以某企業(yè)辦公樓為例進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 BIM標(biāo)準(zhǔn)管理

對(duì)于企業(yè)辦公樓項(xiàng)目而言，首先要進(jìn)行項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)的編制，其對(duì)實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)范化具有重要意義[16]。通過(guò)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，統(tǒng)一配置設(shè)計(jì)構(gòu)件分類標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)件命名、屬性模板標(biāo)準(zhǔn)。讓參與項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計(jì)生產(chǎn)。該項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)界面如圖4所示。以設(shè)計(jì)構(gòu)件分類編碼為例，該項(xiàng)目包括場(chǎng)地、結(jié)構(gòu)、建筑等不同的編碼，場(chǎng)地編碼下又包含原始地形、改造地形等編碼。其中原始地形又包括原始土壤、植被、道路等。每一類用編號(hào)表示，還有多個(gè)屬性，包括標(biāo)題、來(lái)源、狀態(tài)、外觀材質(zhì)等。

4.2 BIM協(xié)作建模

三維模型是協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，每個(gè)項(xiàng)目的一切活動(dòng)都是依賴于模型所展開的，設(shè)計(jì)成果也主要體現(xiàn)在模型及基于模型的拓展分析[16]。

圖4 建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)管理界面

在企業(yè)辦公樓設(shè)計(jì)建模階段，通過(guò)Revit中研發(fā)的一個(gè)插件，如圖5所示，可以將當(dāng)前文檔綁定到協(xié)同系統(tǒng)中已經(jīng)建立的企業(yè)辦公樓項(xiàng)目中，在線查詢之前編制的BIM標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)當(dāng)前文檔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)檢查。能夠?qū)?dāng)前Revit文檔內(nèi)的數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)成果的提交。

4.3 BIM溝通協(xié)作

在項(xiàng)目開展過(guò)程中，以在線主題討論的方式開展設(shè)計(jì)討論、沖突協(xié)調(diào)和施工交底，進(jìn)行碰撞檢測(cè)。討論主題中支持BIM虛擬場(chǎng)景視點(diǎn)的保存和恢復(fù)，如圖6所示，虛擬化的場(chǎng)景中設(shè)計(jì)人員可以自定義專業(yè)類型開關(guān)顯示不同類別的構(gòu)件，聯(lián)動(dòng)查看圖紙與模型。也可以通過(guò)多種方式測(cè)量模型數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)支持手機(jī)端APP，方便溝通與協(xié)作。

圖5 基于Revit的協(xié)同設(shè)計(jì)插件

圖6 虛擬場(chǎng)景效果圖

4.4 BIM施工應(yīng)用

對(duì)于施工方或者在施工過(guò)程中，企業(yè)辦公樓每項(xiàng)任務(wù)與構(gòu)件集合都進(jìn)行了綁定，通過(guò)掃描構(gòu)件二維碼的方式核實(shí)完工百分比。確保施工的高質(zhì)量、高安全度[17]； 該工程建設(shè)中所需要的門窗、混凝土等產(chǎn)品可在線訂貨、物料跟蹤管理，從而避免在工程建設(shè)過(guò)程中交流不暢，浪費(fèi)資源。

5 VR協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)

將各類BIM構(gòu)件通過(guò)之前的插件轉(zhuǎn)換生成VR模型庫(kù)后，在VR協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)中，利用VR模型庫(kù)建立虛擬場(chǎng)景和進(jìn)一步的開發(fā)。主要包括VR場(chǎng)景的輔助設(shè)計(jì)、跨端協(xié)同設(shè)計(jì)和仿真漫游展示三部分。

在企業(yè)辦公樓工程中，VR技術(shù)幫助設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段將立體化3D模型形象地展現(xiàn)在自己眼前，隨心所欲對(duì)樓層、房間進(jìn)行設(shè)計(jì)。在施工階段，施工者在要施工的工地上進(jìn)行已設(shè)計(jì)出的辦公樓的大型模擬，消除了與設(shè)計(jì)師之間的不協(xié)調(diào)。對(duì)客戶來(lái)說(shuō)，充分感受到房屋的舒適度，以及房間內(nèi)的采光情況，使業(yè)主能夠體會(huì)到與環(huán)境的真實(shí)交互。

5.1 VR場(chǎng)景輔助設(shè)計(jì)

微軟推出的HoloLens是一款虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。為了進(jìn)一步研究，我們購(gòu)買了幾十套VR設(shè)備。在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步開發(fā)，利用Unity技術(shù)生成虛擬場(chǎng)景，而借助通用Windows平臺(tái)(UWP)進(jìn)行HoloLens開發(fā)。

手勢(shì)識(shí)別是VR設(shè)備與使用者交互的重要方式，HoloLens中提供了API，比如獲取手的位置和速度信息、識(shí)別預(yù)設(shè)手勢(shì)等，可以為不同手勢(shì)定制需求。我們通過(guò)創(chuàng)建GestureRecognizer實(shí)例、注冊(cè)手勢(shì)類型、訂閱事件等步驟進(jìn)行開發(fā)。當(dāng)設(shè)計(jì)師攜帶HoloLens后可通過(guò)一些手勢(shì)操作實(shí)現(xiàn)VR場(chǎng)景內(nèi)所見即所得地放置各類模型，支持構(gòu)件的快速替換或者紋理貼圖的替換。幫助設(shè)計(jì)師更直觀地確認(rèn)設(shè)計(jì)方案。如圖7所示。

圖7 VR場(chǎng)景輔助設(shè)計(jì)效果圖

5.2 VR跨端協(xié)同設(shè)計(jì)

三維協(xié)同設(shè)計(jì)既適用于電腦端，也可在客戶端及移動(dòng)端中使用?？梢岳肏oloLens設(shè)備展現(xiàn)各種模型，像園區(qū)電子沙盤等，在PC端實(shí)現(xiàn)共享資源。這里我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)配置或軟件環(huán)境配置條件下，通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接或者無(wú)線連接下實(shí)現(xiàn)。HoloLens設(shè)備與手持終端之間也可進(jìn)行協(xié)同展示，便于分享設(shè)計(jì)方案，從而進(jìn)行多人溝通，提高工作質(zhì)量。

通過(guò)空間錨共享實(shí)現(xiàn)多用戶獲取集合視野，也可以對(duì)空間中某個(gè)位置同一對(duì)象進(jìn)行交互操作。利用HoloToolkit-Unity開發(fā)工具，進(jìn)行exporting導(dǎo)出分享一個(gè)空間錨，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入其它用戶使用。這里也對(duì)第三視角進(jìn)行了開發(fā)，通過(guò)第三視角獲取到演示者和其看到的虛擬畫面，從而展示給所有未佩戴VR設(shè)備的人。如圖8所示。

5.3 VR仿真漫游展示

VR仿真漫游可以讓人們沉浸在虛擬場(chǎng)景里，自由行走體會(huì)。我們利用存在云端的VR模型庫(kù)建立各類建筑虛擬場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師佩戴上HoloLens設(shè)備可漫游在3D模型中，體驗(yàn)設(shè)計(jì)合理度。在銷售階段，用戶戴上HoloLens后，可以融入虛擬場(chǎng)景中，進(jìn)行場(chǎng)景的仿真漫游。甚至可以打開門窗，體驗(yàn)住房舒適度。方便購(gòu)房者輕松地選擇自己滿意的房子。如圖9所示。

圖8 VR跨端系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果圖

圖9 VR仿真漫游效果圖

6 結(jié)語(yǔ)與展望

VR協(xié)同設(shè)計(jì)是一種全新的設(shè)計(jì)方式[16]。在數(shù)字化技術(shù)BIM的基礎(chǔ)上，建立VR模型庫(kù)，結(jié)合VR子系統(tǒng)改變了人們?cè)诮ㄖ械闹庇^感受，使人們身臨其境。實(shí)現(xiàn)了各參與方在線協(xié)同工作，通過(guò)溝通合作解決隨時(shí)面臨的各種問題，讓人們有切身體會(huì)，從而提高了整個(gè)工程項(xiàng)目中每個(gè)人的效率。

不久還會(huì)編制基于項(xiàng)目成果的VR建筑協(xié)同設(shè)計(jì)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容包括VR在建筑設(shè)計(jì)行業(yè)應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域、工作模式、協(xié)作流程、建模標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)格式等，以此指導(dǎo)本項(xiàng)目在機(jī)場(chǎng)、酒店、辦公等大型公共建筑的示范應(yīng)用，并希望能夠推動(dòng)建筑行業(yè)的VR協(xié)同設(shè)計(jì)的發(fā)展。