基于BIM+VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)的工程可視化協(xié)同設計

吳 貝，楊若吾，陳沿秀，尤 洋，高展望

(天津大學 仁愛學院，天津 301636)

1 技術(shù)概述

1.1 BIM技術(shù)的概述

建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱 BIM)是指在建筑設計和施工過程中創(chuàng)建和使用的可計算數(shù)字信息。這些數(shù)字信息可以由程序系統(tǒng)自動管理，從而使由這些數(shù)字信息計算出來的各種文件具有相互匹配、互為因果的特點。

1.2 VR技術(shù)的概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，簡稱 VR)是通過計算機創(chuàng)造并體驗虛擬環(huán)境的一種計算機仿真技術(shù)。對于VR技術(shù)來說，用戶通過聽覺、觸覺、視覺、嗅覺等感知來體驗虛擬環(huán)境，如通過對家具的擺放、移動，對門窗的開關(guān)等來體驗這個環(huán)境，使其給人一種身臨其境的感覺。

1.3 BIM+VR技術(shù)

BIM技術(shù)雖然能將二維的圖紙轉(zhuǎn)化三維模型，使其最直觀地被表現(xiàn)出來，但BIM技術(shù)可視化表達不足，用戶、建設單位以及非專業(yè)相關(guān)人員存在著讀圖、模型的困難。BIM只能被動地由設計師進行設計，部門與部門之間、部門與設計師之間不能及時交流，不能及時和用戶、建設單位以及施工單位進行交流和討論，也就無法采納用戶、建設單位以及施工單位的建議。而VR技術(shù)則是創(chuàng)造一個虛擬的環(huán)境，用戶通過聽覺、視覺、觸覺、嗅覺等感官能力去感受建筑的內(nèi)部并操作，也就是沉浸式仿真技術(shù)，用戶能從虛擬環(huán)境中獲得與現(xiàn)實環(huán)境相似或相同的體驗，但虛擬現(xiàn)實技術(shù)只能停留在表現(xiàn)效果上，不能很好地展現(xiàn)建筑物的數(shù)據(jù)和信息。BIM技術(shù)和VR技術(shù)的結(jié)合可以彌補彼此之間的不足。如BIM則可以向VR平臺提供信息、數(shù)據(jù)以及模型，VR技術(shù)則創(chuàng)造一個與其相關(guān)的虛擬環(huán)境，將用戶在虛擬環(huán)境的感受以及建議反饋給設計師，然后對設計圖紙進行修改，提高用戶的舒適度。同時也可以把VR技術(shù)應用于施工階段，從而避免設計圖紙中出現(xiàn)不合理性和不科學性，這樣就可以保證施工過程效率。

2 BIM技術(shù)存在的問題

2.1 BIM可視化表達不足

BIM的可視化是指經(jīng)過BIM模型在計算機上進行動態(tài)且直觀的仿真展示出情景，可以幫助業(yè)主更加客觀、準確地進行決策。通過可視化演示，項目中的每個團隊可以直接瀏覽每一個空間，從而進行交流、討論和分析。但在設計完成后，三維的展示方式只能通過固定的角度和固定的路線去展示，不能從多角度、多路線去展示，會造成建筑設計信息的遺漏，從而造成建筑設計與實際建成后的建筑存在偏差。

2.2 缺乏協(xié)同設計

在設計的過程中往往只有設計師參與，用戶、建設單位、施工單位等都無法將自己的想法和建議融入到設計階段。不同的部門、不同的單位不能及時進行交流，從而大大降低工作效率。

3 BIM+VR技術(shù)在工程項目中的創(chuàng)新應用

運用BIM技術(shù)進行建模(數(shù)字建模)，其主要運用的軟件revit，是將二維的圖紙變?yōu)槿S的模型，其總的思路是基于虛擬現(xiàn)實引擎來承載BIM模型中所有的信息，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來展示模型的效果。

在VR模式下，用戶可以體驗項目仿真模擬環(huán)境，還能沉浸進入項目實景進行漫游，可以從多角度和不同的路徑觀察各個區(qū)域中構(gòu)件、建筑的信息。在漫游中，可以感受到場地的空間，各建筑的位置、各構(gòu)件的位置、顏色、材質(zhì)等特點。同時在漫游的過程中，系統(tǒng)可以對你的行為及時做出回應。

3.1 工程概況

某項目位于天津市，總投資約10 529萬元，占地面積2 823 m2，總建筑面積15 377 m2，最大高度約30 m，最大跨度約8 m(單跨)，其項目的結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，屬于工業(yè)建筑。

3.2 利用BIM技術(shù)建模

首先利用Revit軟件進行土建，其包括結(jié)構(gòu)建模和建筑建模。結(jié)構(gòu)建模是對梁、板、柱部分進行建模，而建筑建模是對墻體、門窗等部分進行建模。然后用Magcadi軟件進行機電建模，也就是對水、暖、電進行建模。

3.3 BIM+VR技術(shù)在施工交底上的應用

傳統(tǒng)的施工交底通過口述、文字等方法進行，由于每一個施工人員的理解能力存在著差異，施工交底的質(zhì)量就不同。如果對施工交底的內(nèi)容不理解透徹，在施工中將會出錯誤，會造成施工質(zhì)量差的情況。VR技術(shù)可以讓施工人員親身體驗其交底的內(nèi)容，且對施工人員的理解能力要求不高，使施工交底的質(zhì)量更好。在本項目上VR的可視化交底主要使用于鋼筋的綁扎、設備的進場以及安裝、混凝土的灌注等方面，通過VR設備進入虛擬的施工現(xiàn)場，使其親身體驗操作過程，明確施工的操作步驟。

3.3.1 施工可視化交底的設計

首先利用Revit土建，用Magcadi軟件繪制機電管線；然后將模型導入Maya中制作動畫；在制作成動畫后，對其進行渲染；導入VR引擎，與VR引擎對接，連接設備。

3.3.2 在本項目中施工可視化交底的使用過程

以設備的進場以及安裝為實例。讓體驗者戴上VR頭盔，登入界面，使其進入VR場景，利用手柄選擇設備進場以及安裝體驗的場景。利用瞬移功能，進入體驗的場地，按壓手柄上的按鍵觸發(fā)場景。設備從吊裝孔緩緩的下降，利用手柄對設備進行上下左右調(diào)整和控制，使其朝向指定的位置移動，到達指定的位置后，使用手柄控制設備下降，使其設備就位，然后語音提示“設備吊裝完成”。

再以預制墻的安裝為實例。同樣讓體驗者戴上VR頭盔，進入預制墻的安裝場景。給預制墻安裝上吊點，塔吊吊起預制墻，使用手柄對預制墻進行調(diào)整和控制，使它緩慢勻速地朝指定的位置移動。到達指定位置后，用手柄使它緩慢下降。在下降到一定的高度時，扶住預制墻緩慢下降到安裝位置，再安上斜支撐，取掉吊點，然后語音提示“預制墻安裝完成”。

3.3.3 BIM+VR技術(shù)施工交底的優(yōu)勢

1)能將設計師的意圖更加直觀展示給施工人員，使其理解更加透徹，提高施工質(zhì)量。

2)其系統(tǒng)是完全交互的，可以重復體驗。

3)可以整合資源，提高施工管理質(zhì)量，提高工作效率。

3.4 BIM+VR技術(shù)在施工安全教育上的應用

本項目通過BIM+VR技術(shù)將實際的施工場地轉(zhuǎn)化為一個虛擬環(huán)境，讓施工人員沉浸于VR的虛擬世界，體驗其高空墜落、塌方、施工觸電、火災等這些“真實的”事故的場景，可以讓施工人員認識到在某階段因自己的不規(guī)范施工操作導致安全事故的發(fā)生，從而認識到規(guī)范施工的重要性，并提高施工人員的安全意識。

3.4.1 BIM+VR技術(shù)在安全教育中的設計

1)VR的硬件設備。其設備包括計算機、頭盔設備、三維視覺顯示設備、手柄、聲音設備、定位器等，并且還要在體驗區(qū)的下方設置振動臺，增強用戶的實際的體驗感。硬件的連接如圖1所示。

圖2 硬件連接

2)軟件設計。其包括場景的建模、貼圖渲染優(yōu)化以及交互的實現(xiàn)等三部分。

3)流程設計。主要為：用Revit軟件建模；將創(chuàng)建好的模型導入Unity優(yōu)化；利用Substance Designer貼圖軟件材質(zhì)進行設計和渲染；在材質(zhì)制作完成后，將其導入到Unity3 D中；連接顯示屏，接入VR設備，實現(xiàn)手柄碰撞物體的觸發(fā)、抓取功能、移動功能。

圖3 設計流程圖

3.4.2 安全教育場景體驗

根據(jù)設計，安全教育場景下的系統(tǒng)功能如圖4。

圖4 系統(tǒng)的功能

本文以火災消防的安全教育為例，介紹其體驗過程。

登錄界面，用手柄選擇火災消防事故場景；使用瞬移功能進入場景，進入宿舍樓，然后觸發(fā)起火點起火；使用拿取功能，在火勢不大時，體驗者拿起滅火器進行滅火，并有語音提示滅火的步驟；當火勢無法控制時，語音將會提示體驗者離開火場，同時響起警鈴，地面出現(xiàn)指向安全出口的綠色箭頭，提示體驗者離開；體驗者選擇逃生后，將其體驗者送至安全出口。

3.5 BIM+VR技術(shù)在工程施工中解決的問題

1)節(jié)約資源和成本。在施工過程中都會存在著信息壁壘，無法保障施工質(zhì)量，無法控制其成本并且容易發(fā)生材料的浪費。BIM+VR技術(shù)能夠很好地解決這些問題。BIM+VR技術(shù)可以鏈接其工程量以及施工進度和建筑信息模型，從而降低損失。

2)優(yōu)化設計圖紙，使其更精確。在傳統(tǒng)的圖紙設計上，常常由于設計師沒有現(xiàn)場施工的經(jīng)驗，也就沒有考慮到施工中的一些問題，最終造成在項目工程中的不合理，并且在施工的過程中要調(diào)整較多數(shù)據(jù)。BIM+VR技術(shù)能夠解決這些問題，它全面的考慮了施工中的因素，保證了項目的合理性和科學性。例如在項目中圖紙中考慮構(gòu)件安裝的合理性，避免出現(xiàn)返工，造成材料的浪費。

3)縮短了工期，提高了工作效率。由于施工中存在信息壁壘以及設計圖紙中存在著一些不合理性，造成施工工期不斷的延長。BIM+VR技術(shù)能夠有效地解決上述問題。BIM+VR技術(shù)有效地鏈接施工進度，進而可以很好地控制施工的工期，并且也提高工作效率。

4)加強了施工作業(yè)人員的安全意識。傳統(tǒng)的施工安全教育是以口述、書面等形式進行表達，但其效果往往不佳，安全事故頻發(fā)。BIM+VR技術(shù)的安全教育不像傳統(tǒng)的安全教育注重于表面，它是一種“體驗式”教育，它讓施工人員親身體驗安全事故，使其感同身受，增強其安全意識。

5)實現(xiàn)了管綜優(yōu)化。在傳統(tǒng)的施工中，由于管道的排布不合理，造成了管道的相交和碰撞，增加了返工量和材料的浪費。利用BIM+VR技術(shù)實現(xiàn)管綜優(yōu)化，避免了管道相交、碰撞，使管道合理排布，減少材料的浪費，縮短了工期。

4 結(jié)束語

本文以某工程項目為例，介紹BIM+VR技術(shù)施工可視化交底以及安全教育在建筑施工階段上的應用，并進行分析。在工程項目中實施BIM+VR技術(shù)可視化交底和安全教育可以很好的保證施工質(zhì)量以及提高管理質(zhì)量，提高施工效率，節(jié)約資源和成本，縮短工期，減少安全事故的發(fā)生，增強施工人員的安全意識。但BIM+VR技術(shù)在國內(nèi)的研究還不多以及相關(guān)的標準體系并不完全，因此，在工程中的應用并不廣泛，BIM+VR技術(shù)仍需要進一步研究以及完善。

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