基于BIM+VR技術的裝配式建筑遠程協(xié)同平臺設計

何志紅，孫會龍，劉 貞,2，徐德會，包秀莉，葉 楊

(1.重慶房地產(chǎn)職業(yè)學院， 重慶 400000；2.重慶理工大學 低碳能源研究中心， 重慶 400054)

隨著科技的發(fā)展和我國經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型升級，人口紅利所帶來的優(yōu)勢在我國正逐漸消失。 建筑行業(yè)受社會經(jīng)濟發(fā)展的影響，從業(yè)人員在逐漸減少，導致人力成本上升。在此宏觀背景下,裝配式建筑以精細化分、人力需求較低和高效率的特性，在我國得到了快速的發(fā)展。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，裝配式建筑市場規(guī)模在不斷擴大，從2011年最初的43.2億元增長至2017年的462.3億元，達到了970.14%的同比增幅和35%左右的復合增長率。根據(jù)國務院辦公廳及住建部的文件預測，未來我國裝配式建筑市場產(chǎn)值將超過2萬億[1]。

我國裝配式建筑的快速發(fā)展是其與現(xiàn)代化信息技術對接的成果。其中，建筑信息模型(building information modeling,BIM)技術、虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)仿真預演技術的應用是關鍵。BIM技術由Autodesk公司在2002年提出，集成了建筑學、工程學及土木工程學等相關知識，可以幫助實現(xiàn)從建筑設計、施工、運行直至建筑全壽命周期終結的信息集成。該技術的應用使裝配式建筑實現(xiàn)了信息化和數(shù)據(jù)化的管理和運維[2]。VR技術以高仿真、高沉浸、低成本的技術特點得以在裝配式建筑領域應用。該項技術的應用實現(xiàn)了裝配式建筑相關技術施工前的高仿真檢驗和施工中的快速檢查，減少了裝配式建筑的建設誤差且節(jié)約了成本[3],推動了裝配式建筑的廣泛應用。目前，BIM技術和VR技術在裝配式建筑領域還處于獨立應用期，尚未充分挖掘BIM技術在建筑信息數(shù)據(jù)方面和VR技術在虛擬仿真方面的優(yōu)勢[4]。

人力需求高和區(qū)域發(fā)展不平衡是裝配式建筑發(fā)展的痛點，也是制約我國裝配式建筑發(fā)展的瓶頸[5]，而如何實現(xiàn)跨區(qū)域的人力成本節(jié)約和技術應用是我國裝配式建筑發(fā)展的關鍵[5]。本研究構建BIM技術與VR技術相融合的應用創(chuàng)新模式，對裝配式建筑所特有的信息模型環(huán)境進行深入分析，在此基礎上將BIM信息與VR數(shù)據(jù)庫對接；借助VR技術的仿真性，搭建以VR技術為核心的遠程裝配式建筑協(xié)作平臺，以達到降低裝配式建筑跨區(qū)域協(xié)調(diào)所需時間成本和協(xié)調(diào)成本的目標，最終實現(xiàn)裝配式建筑跨區(qū)域技術共享和跨區(qū)域人才共用，推動我國裝配式建筑的跨區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 裝配式建筑遠程協(xié)同平臺信息數(shù)據(jù)庫構建

BIM技術本身蘊含豐富的數(shù)據(jù)信息和集成管理體系，但受其兼容性與共享性不足、信息儲存方案缺乏和分類提取不便的因素的影響，裝配式建筑設施信息缺乏共享性和可用性，阻礙了BIM技術與VR技術的結合。因此，本文提出構建裝配式建筑的全生命周期建筑設施信息化管理系統(tǒng)，采用BIM+COBie+VR技術，解決BIM技術與VR技術對接難題，構建裝配式建筑遠程協(xié)同平臺的信息數(shù)據(jù)庫。

COBie是傳輸和管理建筑設施信息的國際標準，引入該技術是為了使遠程協(xié)同創(chuàng)新平臺更便捷地獲取有關裝配式建筑的方案信息與數(shù)據(jù)資料，通過標準化的整合處理，實現(xiàn)一定形式的內(nèi)部存儲和外部共享[8]。COBie數(shù)據(jù)信息提供IFC、ifcXML、SpreadsheetML這3種數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)多格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，既滿足BIM技術數(shù)據(jù)編碼要求，也滿足VR技術數(shù)據(jù)讀取要求，因此COBie數(shù)據(jù)信息能夠有效地充當BIM技術與VR技術的橋梁角色[9]。

1.1 裝配式建筑遠程協(xié)同平臺大數(shù)據(jù)系統(tǒng)設計

構建大數(shù)據(jù)系統(tǒng)是遠程協(xié)同創(chuàng)新平臺運轉(zhuǎn)的關鍵，而遠程創(chuàng)新平臺需要海量信息作為支撐。Hadoop是目前大數(shù)據(jù)管理標準之一，運用于當前眾多商業(yè)應用系統(tǒng)中，其最大特色在于集成結構化和非結構化數(shù)據(jù)集。 HDFS(hadoop distributed file system)分布式文件系統(tǒng)和MapReduce計算模型及軟件架構是Hadoop的兩大核心，兩者的結合使得Hadoop可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)可靠、高速、高效、可伸縮的處理。HDFS具有容錯機制，使得副本在丟失或者損壞時自動恢復，加上其具有Java再開發(fā)的屬性，HDFS自身有很高的容錯性和自主性[2]。HDFS的工作原理如圖1所示，MapReduce的工作分3個階段執(zhí)行，即映射階段、shuffle階段和減少階段[10]，HDFS數(shù)據(jù)寫入原理如圖2所示。

圖1 HDFS數(shù)據(jù)寫入原理

圖2 HDFS數(shù)據(jù)讀取原理

HBase技術由Fay Chang 提出，它是一種序列儲存的分布式開源型數(shù)據(jù)庫[11]，該技術的特點在于可以為大數(shù)據(jù)提供隨機的、實時的數(shù)據(jù)讀寫訪問功能。因分布式文件系統(tǒng)具有高效的數(shù)據(jù)儲存能力和高速快捷的計算能力[12]，HBase技術底層采用分布式文件系統(tǒng)作為儲存平臺。

基于上述設計，裝配式建筑遠程系統(tǒng)創(chuàng)新平臺可實現(xiàn)海量信息儲存、調(diào)取、計算與使用，為裝配式建筑遠程協(xié)同創(chuàng)新平臺提供高速、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 裝配式建筑遠程協(xié)同平臺信息分類與流轉(zhuǎn)設計

本文基于BIM+COBie+VR技術的裝配式建筑信息化集成管理，在BIM+COBie的基礎上，融合VR技術進行呈現(xiàn)與遠程交互，旨在實現(xiàn)自動化信息采集與保存、科學化的信息利用、系統(tǒng)化的信息管理、規(guī)范化的信息格式、網(wǎng)絡化的信息交互、虛擬仿真化的信息驗證。建立全生命周期的數(shù)據(jù)化完備信息，實現(xiàn)對裝配式建筑的全方位、高精度、貼現(xiàn)實的仿真模擬，進而實現(xiàn)更加便捷的遠程協(xié)同創(chuàng)新。

因建筑信息的復雜性、交叉性和信息分類標準的不同，裝配式建筑信息分類貫穿于信息定義和賦值的全過程。根據(jù)BIM模型所包含的信息特點，裝配式建筑信息可以分為建筑物實體類信息、階段建造類信息、隨時間變化的動態(tài)類數(shù)據(jù)和抽象觀類信息四大類。BIM需要邊建模邊賦性，因此本文引入COBie技術，按照空間布局將裝配式建筑的相關分類，并進行補充和完善，以保證模型數(shù)據(jù)能在VR中直接調(diào)用。基于上述構想理念，本文設計了基于BIM+COBie+VR技術的裝配式建筑信息化管理系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 裝配式建筑信息BIM+COBie+VR技術管理系統(tǒng)

BIM+COBie+VR的信息提取過程是將BIM建筑信息數(shù)據(jù)從專業(yè)建模軟件中提取，存放至裝配式建筑信息大數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中作為裝配式建筑的基礎數(shù)據(jù)源。本文利用Revit DB Link和COBie Extension插件，在裝配式建筑施工特性及其信息特殊性的基礎上，將BIM模型中所攜帶的有效信息導入ODBC數(shù)據(jù)庫，通過調(diào)用接口將VR系統(tǒng)ODBC數(shù)據(jù)庫接通，其主要信息流轉(zhuǎn)流程如圖4所示。

圖4 基于BIM+COBie+VR技術的裝配式建筑信息流轉(zhuǎn)流程

2 裝配式建筑遠程協(xié)同平臺結構設計及驗證

BIM+VR+裝配式建筑遠程協(xié)同設計主要包括兩方面的內(nèi)容：①遠程協(xié)同設計與快速場景生成模塊設計。該模塊主要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實場景快速生成的功能，將設計思想物化為具有一定結構功能的虛擬現(xiàn)實場景,在遠程協(xié)同設計過程中對設計結果進行快速評價、測試、改進方案推薦,從而完成設計過程。②協(xié)同交互虛擬現(xiàn)實模塊設計。協(xié)同交互虛擬現(xiàn)實模塊設計可以協(xié)調(diào)處于不同地理位置的人員，通過虛擬現(xiàn)實平臺在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)類似面對面的操作，共同對虛擬產(chǎn)品進行協(xié)同設計，實現(xiàn)VR遠程多人互動和異地多人協(xié)同體驗。通過BIM遠程協(xié)同設計與快速場景生成模塊和協(xié)同交互虛擬現(xiàn)實模塊的融合使用，使操作者在虛擬環(huán)境中可以按照意愿進行設計操作，實現(xiàn)個性化定制服務。

2.1 虛擬現(xiàn)實場景快速生成系統(tǒng)模塊構成

本文的虛擬現(xiàn)實場景快速生成系統(tǒng)分為7個部分，包括場景構建模塊、映射網(wǎng)關、虛擬對象庫、動作腳本庫、視景生成模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、多人交互模塊。場景構建模塊指構建場景所需相關地理參數(shù)的數(shù)據(jù)包，包括場景經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和場景所需地形地貌數(shù)據(jù)。廣義映射網(wǎng)關是指為了便于開發(fā)與后續(xù)應用，將映射網(wǎng)關與虛擬對象庫和動作腳本庫融合為一個模塊，成為廣義的映射網(wǎng)關，主要起到協(xié)議定義、解析和管理數(shù)據(jù)庫的功能[12]。

映射網(wǎng)關包含數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊和 Socket 數(shù)據(jù)接收模塊，能夠解壓不同的場景構建系統(tǒng)，將特定場景構建系統(tǒng)連接到映射網(wǎng)關。映射網(wǎng)關對其數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，發(fā)送索引指令到虛擬對象庫和動作腳本庫，驅(qū)動相應的對象和動作，然后觸發(fā)視景生成模塊中對應的場景構建[12]。

虛擬對象庫根據(jù)應用的范圍存儲相關模型對象，如房屋建造設計包括門、窗、地面、墻體等。對象庫中的對象可以被映射網(wǎng)關驅(qū)動，在視景生成模塊中與操作者進行交互。動作腳本庫包含所有虛擬對象的相關動作，腳本和對象成對應關系，比如車輛及對應的行駛動作，風力發(fā)電機及對應的扇葉轉(zhuǎn)動動作等。視景生成模塊包含場景構建模塊和交互界面兩個大的方面。數(shù)據(jù)分析模塊主要完成測試功能、評價功能、方案改進推薦功能。

多人交互模塊中，交互設備實時收錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過云端實時同步至其他參與者的終端設備，再交由視景系統(tǒng)實時計算并同步渲染。主要實時同步的數(shù)據(jù)有位置、語音、圖像、動作。交互設備支持模塊中，鑒于目前虛擬現(xiàn)實發(fā)展的實際情況，遠程交互過程仍需要操作者借助頭盔、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤設備等相關設備實現(xiàn)。

2.2 協(xié)同交互虛擬現(xiàn)實模塊設計

1) 系統(tǒng)流程主要是基礎平臺的搭建，包含場景構建和數(shù)據(jù)引入。場景構建系統(tǒng)主要功能是快速生成場景和數(shù)據(jù)傳送。該平臺的工作原理為映射網(wǎng)關數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊接收數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成引擎所能識別的數(shù)據(jù)；視景系統(tǒng)模塊依托數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊所傳遞的數(shù)據(jù)進行場景的渲染和表現(xiàn)。

2) 人機交互流程設計。基于多人協(xié)同操作的設計，通過智能穿戴設備或PC 機和系統(tǒng)服務器連接實現(xiàn)多人在線通訊，通過普通 PC 和智能穿戴設備輸入、輸出實現(xiàn)人與機器的對話，如圖5所示。

圖5 裝配式建筑遠程交互流程

為適應不同網(wǎng)速下的多人遠程交互，在系統(tǒng)中設計不同帶寬自適應決策模塊的運行技術。不同帶寬自適應需要考慮可擴展性、訓練時間、響應時間、數(shù)據(jù)大小、復雜度、準確性、收斂時間以及收斂可靠性等性能。本文根據(jù)平臺模型傳輸要求，設計了相應的自適應決策模塊。自適應檢測模塊利用Markov鏈來描述網(wǎng)絡帶寬隨機變化的統(tǒng)計規(guī)律，在考慮網(wǎng)絡帶寬變化的統(tǒng)計規(guī)律基礎上做出自適應決策，相關設計結果如圖6、7所示。

圖6 網(wǎng)絡自適應框架

圖7 網(wǎng)絡自適應流程

2.3 裝配式建筑遠程交互平臺驗證

基于上述部分的研究設計，本文搭建了裝配式建筑遠程協(xié)作平臺，其界面分為交互內(nèi)容排版區(qū)、交互內(nèi)容編輯區(qū)、素材屬性編輯區(qū)和素材上傳分類區(qū)4個模塊。其中，素材屬性編輯區(qū)和素材上傳分類區(qū)的內(nèi)容來源于通過BIM技術所建立的裝配式建筑數(shù)據(jù)庫。交互內(nèi)容排版區(qū)和交互內(nèi)容編輯區(qū)是基于VR技術所實現(xiàn)的多人異地實時交互。

通過對平臺的實際操作運行，實現(xiàn)了異地人才對接、異地資源共享、異地技術同步，降低了裝配式建筑跨區(qū)域協(xié)調(diào)的時間成本和協(xié)調(diào)成本，達到了裝配式建筑跨區(qū)域技術共享和跨區(qū)域人才共用的目的。運行界面如圖8所示。

圖8 裝配式建筑遠程協(xié)同創(chuàng)新平臺界面

本文建立了裝配式建筑模型庫，以保證交互過程中快速建模目標的實現(xiàn)。裝配式建筑模型數(shù)據(jù)庫具體運行界面如圖9所示。

圖9 裝配式建筑模型數(shù)據(jù)庫具體運行界面

為實現(xiàn)便捷高效的遠程交流，本文設計的裝配式建筑遠程協(xié)同平臺實現(xiàn)了內(nèi)置會議系統(tǒng)，可實現(xiàn)語音和視頻交流，最大容量為可同時實現(xiàn)30人同時在線交流，內(nèi)置會議系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 遠程協(xié)同平臺內(nèi)置會議系統(tǒng)界面

3 結束語

本文以VR技術與BIM技術為核心，構建BIM技術與VR技術相融合的應用及創(chuàng)新模式，搭建裝配式建筑跨域遠程系統(tǒng)創(chuàng)新平臺，有助于跨區(qū)域技術的應用和跨區(qū)域人力資源利用。融合BIM和VR技術有助于完善裝配式建筑技術體系、健全產(chǎn)業(yè)管理體制、降低成本，解決阻礙裝配式建筑發(fā)展的壁壘，促進建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，也有助于促進裝配式建筑技術人才的鍛煉與培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實技術的引入有助于重慶等西南地區(qū)復雜地形的裝配式建筑技術驗證，促進重慶市、西部地區(qū)以及國內(nèi)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。