基于BIM技術(shù)的沉浸式VR虛擬仿真園區(qū)的建設(shè)與研究

劉陽 靳翼飛 王君言 趙佳月 崔秀英

摘? ? 要：為提高建筑類專業(yè)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)效率，本文通過BIM模型的創(chuàng)建以及具有互動(dòng)性的沉浸式VR技術(shù)，建立了一個(gè)建筑虛擬仿真園區(qū)，將所有原本只能通過實(shí)體建筑表達(dá)的建筑結(jié)構(gòu)形式、建造形式以及節(jié)點(diǎn)配筋、構(gòu)造和施工過程通過現(xiàn)代化信息技術(shù)表達(dá)出來，實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)約和有效利用。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);沉浸式VR;建筑工程;虛擬仿真園區(qū)

1? 研究背景

隨著當(dāng)前建筑行業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)對(duì)當(dāng)代建筑類人才的專業(yè)素養(yǎng)有了更進(jìn)一步的要求。與此同時(shí)，為了順應(yīng)二十一世紀(jì)信息化技術(shù)的高速發(fā)展和落實(shí)高校人才培養(yǎng)方案、滿足建筑類人才的專業(yè)性需求，國(guó)家大力提倡全方面提高大學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，提倡建筑類專業(yè)的理論教學(xué)、技能實(shí)際訓(xùn)練的專業(yè)綜合素養(yǎng)培養(yǎng)相結(jié)合，并建議提高大學(xué)生實(shí)訓(xùn)所占的比重，但由于多數(shù)高校現(xiàn)有教學(xué)方案具有陳舊性，建筑實(shí)地訓(xùn)練場(chǎng)地具有極高的危險(xiǎn)性，導(dǎo)致出現(xiàn)了建筑類學(xué)生實(shí)訓(xùn)的學(xué)習(xí)方式單一、成本高、限制條件多等問題?；贐IM虛擬建模與沉浸式VR技術(shù)的結(jié)合，有望改善這種現(xiàn)有的狀況。

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)下，虛擬仿真技術(shù)在建筑類院校課堂教學(xué)中使用的頻率越來越高，而且相關(guān)學(xué)者針對(duì)BIM技術(shù)、沉浸式VR技術(shù)與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的研究推動(dòng)了基于BIM技術(shù)的建筑類院校實(shí)訓(xùn)方式的發(fā)展[1]。本文通過研究與分析建立了基于BIM技術(shù)和具有互動(dòng)性的沉浸式VR技術(shù)的相關(guān)專業(yè)大學(xué)生技能訓(xùn)練的平臺(tái)，有助于學(xué)生對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形式、建造形式以及節(jié)點(diǎn)配筋、構(gòu)造和施工過程等的深入理解和熟練掌握，同時(shí)也節(jié)省了大量的空間、成本和實(shí)體實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地后期的運(yùn)維費(fèi)用。

2? 實(shí)例建設(shè)與分析

2.1? 虛擬仿真園區(qū)建設(shè)的設(shè)計(jì)理念

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在結(jié)構(gòu)方面，同時(shí)支持砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)四種重要的結(jié)構(gòu)形式，融入了現(xiàn)澆與裝配式兩種不同的建造形式;在機(jī)電方面，對(duì)MEP系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)建設(shè);在園區(qū)規(guī)劃以及交通組織方面，園區(qū)功能分區(qū)明確，整體呈圍合式布局，并對(duì)園區(qū)內(nèi)部交通路線進(jìn)行合理布置，避免實(shí)訓(xùn)學(xué)生、內(nèi)部工作人員、管理人員等不同性質(zhì)人流之間相互干擾。

2.2? 虛擬仿真園區(qū)模型實(shí)例

虛擬仿真園區(qū)著重對(duì)結(jié)構(gòu)與暖通部分進(jìn)行了重點(diǎn)建設(shè)，下文將對(duì)兩種不同建造形式的結(jié)構(gòu)模型與MEP系統(tǒng)模型的建設(shè)實(shí)例分別來進(jìn)行進(jìn)一步的探討與展示。

現(xiàn)階段我國(guó)建筑施工行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)因其施工簡(jiǎn)單，整體性強(qiáng)以及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)備受建筑行業(yè)的青睞[2]。因此，了解與掌握現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)形式以及節(jié)點(diǎn)配筋、構(gòu)造和施工過程便成了建筑類學(xué)生必須掌握的技能。然而，在高校組織的實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生很難接觸到施工過程中的隱蔽工程，比如鋼筋工程，大部分情況都是已經(jīng)澆筑完成的完整建筑構(gòu)件。如果將BIM技術(shù)與VR技術(shù)結(jié)合，建立對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的建筑構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行更加全方位、具體化展示的立體模型，將會(huì)有助于學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的深入了解和熟練掌握。如圖1所示，在建筑模型內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)柱與梁縱橫交錯(cuò)，鋼筋在其中穿插而過，在利用Revit進(jìn)行模型繪制過程中將節(jié)點(diǎn)處的部分混凝土設(shè)定為隱藏模式。這樣便對(duì)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)重要節(jié)點(diǎn)處的配筋情況進(jìn)行了重點(diǎn)展示，使其更加細(xì)節(jié)化。

伴隨著建筑施工技術(shù)以及建筑信息化的高速發(fā)展，同時(shí)也符合綠色建筑要求的裝配式建筑正在蓬勃發(fā)展，而建筑類學(xué)生的專業(yè)實(shí)訓(xùn)應(yīng)與我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀相結(jié)合才能夠培養(yǎng)出順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的高素質(zhì)人才。因此關(guān)于裝配式建筑的教學(xué)也應(yīng)當(dāng)成為學(xué)生實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。如圖2所示，這是一棟二層未封頂?shù)难b配式剪力墻建筑。因預(yù)制剪力墻進(jìn)行吊裝后，墻體需要利用支撐桿件進(jìn)行固定，故利用Revit建族的方式實(shí)現(xiàn)了支撐桿件的繪制。在繪制預(yù)制墻與墻之間的鋼筋連接時(shí)，采用先將暗柱箍筋按照間距要求擱置在預(yù)制墻板挑出的鋼筋上，再?gòu)捻敹瞬迦胴Q向鋼筋，將箍筋與豎向鋼筋綁扎固定的順序完成了對(duì)節(jié)點(diǎn)的繪制。此外，針對(duì)裝配式框架結(jié)構(gòu)模型，在繪制過程中，采用建模大師等插件大大提高了繪制裝配式構(gòu)件的效率，此模型還可以通過掃描裝配式柱上的二維碼，了解到柱子的建筑材料以及配筋情況等基本信息。

針對(duì)單體結(jié)構(gòu)模型中的MEP系統(tǒng)，主要圍繞著系統(tǒng)的劃分和各個(gè)定制族的配置兩個(gè)方面進(jìn)行建立，由于需要精細(xì)化的建模，管道附件，給排水設(shè)備，風(fēng)管附件等都需要放置恰當(dāng)，同時(shí)針對(duì)不同的系統(tǒng)和設(shè)備配置的管道也不相同。為減少重復(fù)性的工作和降低主文件的大小，將整體模型拆分成各個(gè)小項(xiàng)目，如空調(diào)冷凍水系統(tǒng)部分，風(fēng)系統(tǒng)部分，排水部分等，可以通過模型的層層連接，分區(qū)塊插入到建筑模型的中心文件中，通過打開復(fù)制監(jiān)視功能，也方便了分部文件的修改。在現(xiàn)有的Revit工作流程下也可以通過族的組合，創(chuàng)造出相對(duì)固定的閥門附件組合，如軟連接，止回閥，壓力表，截止閥，過濾器等的組合，整體插入模型中，減少了建模的工作量，其缺點(diǎn)是部分管件設(shè)備的連接不夠精確，需要定位修改和調(diào)試，但模型并不需要直接用于指導(dǎo)施工，也并非最后的成品，由于其能夠分開導(dǎo)出單獨(dú)作為.fbx文件，方便后期的渲染和修改，此方法值得嘗試。

3? 沉浸式VR虛擬仿真園區(qū)平臺(tái)的構(gòu)建

通過利用VR與 AR 技術(shù)對(duì) BIM 的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化表達(dá)，方便了可視化的虛擬實(shí)訓(xùn)，工程項(xiàng)目的VR、AR應(yīng)用可以由多個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)平臺(tái)完成，比如： Unity3D、UE4等，對(duì)于園區(qū)項(xiàng)目模型構(gòu)建流程的關(guān)鍵性實(shí)施步驟如圖3所示，主要分為以下幾點(diǎn)。

（1）首先依據(jù)相關(guān)CAD圖紙與節(jié)點(diǎn)安裝等的設(shè)計(jì)，在Revit中進(jìn)行模型的建立，其中包括預(yù)制剪力墻、疊合板、支撐構(gòu)件、暖通機(jī)電等相關(guān)族部件，建立完成后通過Navisworks進(jìn)行管道部分的碰撞檢測(cè)。主體模型建立完成后其他相關(guān)Navisworks中的4D和5D模擬來控制項(xiàng)目進(jìn)度和成本，碰撞沖突檢測(cè)，施工模擬等。

（2）在其他必要組件如視頻，音頻，圖片等輔助介紹部分可以通過 Enscape， Lumion等渲染軟件實(shí)現(xiàn)快速出圖，并以相關(guān)文件格式插入到最后的開發(fā)場(chǎng)景中。

（3）3DMax是一個(gè)較為普適的渲染軟件，本文將建立完成的模型分別導(dǎo)入3DMax中進(jìn)行渲染，在 3DMax 環(huán)境下重新為 BIM 模型賦予標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)或者多維子材質(zhì)，合理地調(diào)整紋理 UV，使貼圖符合實(shí)際情況。在細(xì)化渲染中3DMax可以針對(duì)模型面數(shù)進(jìn)行批量?jī)?yōu)化處理[3]，以降低對(duì)渲染質(zhì)量的影響。

（4）最后由3DMax導(dǎo)出Unity 3D兼容的.fbx格式到Unity3D 中，將引擎技術(shù)結(jié)合C#腳本語言可以賦予三維模型交互能力[4，5]，實(shí)現(xiàn)基于第一人稱的無失真漫游，當(dāng)場(chǎng)景中包含大量模型時(shí)，會(huì)造成FPS幀速率下降，使用遮擋剔除，可以使那些被阻擋的物體不被渲染，達(dá)到提高渲染效率的目的。在大規(guī)模場(chǎng)景中嘗試采用場(chǎng)景塊拼接，建立部分MapTile，以緩解GPU處理壓力，在非必要場(chǎng)景中通過過渡視頻進(jìn)行承接，通過選項(xiàng)菜單等引導(dǎo)實(shí)訓(xùn)者進(jìn)入建筑物內(nèi)部。既保證設(shè)備流程運(yùn)行，同時(shí)兼顧渲染質(zhì)量。人員在移動(dòng)時(shí)需要在碰撞檢測(cè)技術(shù)中做一些碰撞事件的處理，添加碰撞檢測(cè)函數(shù)，同時(shí)觸發(fā)器是碰撞體的一個(gè)屬性，只需要在檢視面板中的碰撞器組件中勾選IsTrigger屬性選擇框。

（5）在處理用戶的交互界面部分，利用C#腳本語言在適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)位置加入相應(yīng)的圖像和視頻教程，導(dǎo)入VR、AR的 SDK 軟件開發(fā)工具包，使用沉浸式VR第一人稱視角在虛擬場(chǎng)景里漫游，最后與實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行調(diào)試，從而完成整個(gè)園區(qū)與沉浸式VR的最終結(jié)合。

4? 結(jié)束語

在涉及危險(xiǎn)或極端的環(huán)境、高成本實(shí)訓(xùn)中工地節(jié)奏與教學(xué)周期不吻合、新技術(shù)和新工藝相對(duì)滯后以及實(shí)習(xí)時(shí)間倉促難以深入等情況時(shí)，新技術(shù)能提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)和面向未來的虛擬實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目[6]。虛擬仿真園區(qū)將BIM技術(shù)與沉浸式VR技術(shù)結(jié)合，充分利用了現(xiàn)代信息技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的一些不足，將是未來建筑類學(xué)生虛擬仿真訓(xùn)練的重要途徑。

參考文獻(xiàn)：

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項(xiàng)目基金：

華北理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（X2019193）。