BIM和VR技術在建筑工程中的創(chuàng)新應用＊

胡小玲，農日東，李 捷，呂龍波

（1.廣西電力職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530007；2.廣西建通工程建設有限公司，廣西 百色 530022）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展與新技術不斷涌現(xiàn)，人們不斷尋求能夠完善設計及施工質量的創(chuàng)新技術。一直以來，建筑效果難預測、施工質量難控制是建筑行業(yè)存在的兩大難題。目前許多建筑效果采用效果圖、模型等靜止畫面呈現(xiàn)，很難讓施工方全面把握設計意圖，業(yè)主方難以預知施工狀況。在施工過程中缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，因項目組之間的溝通問題往往導致施工工期、質量、成本難把控。由此可見，建筑設計需對龐大的數(shù)據(jù)進行有機整合，形成一個完整的可視、可控、多方參與協(xié)同的系統(tǒng)。BIM結合VR技術讓受眾不僅可提前觀看建筑效果，更能讓龐大的數(shù)據(jù)系統(tǒng)更完善，從而優(yōu)化設計，降低成本，提高施工質量及效率。

1 BIM和VR技術

1）BIM，即建筑信息模型（building information modeling）技術，是在計算機輔助設計（CAD）等技術基礎上發(fā)展起來的一項全生命周期多維建筑模型信息集成管理技術。受益于國家政策支持、工業(yè)4.0需求及互聯(lián)網技術進步的推動，BIM迅速在建筑行業(yè)得到廣泛應用。CAD制圖、3Dmax渲染等技術的聯(lián)合運用，讓建筑設計方案涉及的枯燥數(shù)據(jù)能以非常直觀的三維可視化形式呈現(xiàn)，既方便設計師直觀地調整數(shù)據(jù)和設計，又能讓非專業(yè)人士更容易看懂建筑，有助于設計師與客戶溝通。因此，近年來BIM技術以高效率、高精度的優(yōu)勢出現(xiàn)在建筑設計中，給建筑設計帶來創(chuàng)新思路。

2）虛擬現(xiàn)實（以下簡稱VR）技術，是綜合利用計算機圖形圖像系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維環(huán)境中提供沉浸體驗的技術。VR技術實現(xiàn)的載體是虛擬現(xiàn)實仿真平臺，這是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)技術，其利用計算機生成模擬環(huán)境，利用多源信息融合的交互式三維動態(tài)視覺效果和實體定位的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸其中。近年來，VR技術在我國發(fā)展迅速，與VR相關的產品如展示設備、設計軟件等相繼而生，集中應用在VR樣板間、云渲染家裝中。

2 BIM技術在建筑工程中的應用

1）創(chuàng)造三維可視化模型 利用BIM技術建立的三維設計模型，其可視化表達能讓不同專業(yè)的人員更直觀了解設計方案，并能夠在材質、構造、整體外觀上展示整個方案設計；BIM模型有各自的屬性，能顯示物體的數(shù)量、面積、位置等重要信息。因此，BIM在建筑設計階段主要是進行三維建筑設計或結構設計，從方案到施工圖以至于后期的運營維護管理進行全程服務。

2）提供專業(yè)協(xié)同的數(shù)據(jù)平臺 BIM技術能夠讓各個專業(yè)進行協(xié)同工作，使各專業(yè)之間快速并及時掌握設計信息，有效提高設計速度與質量。具體來說，BIM技術通過參數(shù)模型整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期中進行共享及傳遞，使工程技術人員對建筑信息做出正確的理解與高效的應對，為設計團隊及建筑運營單位就各建設主體提供協(xié)同工作的技術，在提高生產效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。從建筑設計的專業(yè)性來說，BIM技術已能很好地解決復雜工程的大數(shù)據(jù)創(chuàng)建、管理和共享應用等問題，尤其在項目管理方面，在數(shù)據(jù)、技術和協(xié)同方面形成三大價值支撐，為建筑設計業(yè)快速發(fā)展提供技術支持。

3）設計優(yōu)化及圖紙輸出 BIM技術在設計階段可建立各構件的基本數(shù)據(jù)，經過數(shù)據(jù)分析匯總后可得出工程預算及經濟指標，并根據(jù)建筑技術及經濟指數(shù)的參考，選擇最合理的方案。在施工階段，BIM技術能夠進行施工總平面圖優(yōu)化布置；對于大型構件，可利用BIM技術實現(xiàn)虛擬拼裝，在方案不斷優(yōu)化過程中，節(jié)約人力及資金；對于已落實的設計方案，利用BIM技術可直接打印各個平面圖、立面圖、施工節(jié)點圖、大樣圖等，比傳統(tǒng)的CAD繪圖更快捷、精確、高效。

3 VR技術在建筑工程中的應用

1）沉浸性作用 建筑方案注重功能性及裝飾性，在創(chuàng)作過程中，VR技術所構建的場景模型來源于真實世界的數(shù)字模型，反映的是真實世界的一事一物，可讓用戶身臨其境體驗設計方案的最終效果，使方案呈現(xiàn)效果更具體、直觀，也更具人性化。利用VR技術可漫游、可沉浸的特性，當用戶進入虛擬場景中，便可預知設計方案的外觀造型是否美觀、比例是否協(xié)調、虛實結合是否合理；VR技術的720°環(huán)繞空間特性，讓用戶可近距離感受室內設計整體效果，以及無死角觀察設計的各個細節(jié)，更可進行多種方案直觀可視的效果對比，這些特征打破了設計不可見、不可預料的局限，使裝飾設計優(yōu)于傳統(tǒng)展示設計。

2）交互性作用 交互性是指用戶對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。交互性能讓用戶在虛擬環(huán)境中對物體進行觸碰，并得到物體的反饋，可對場景中的物體進行實時移動、旋轉、替換，甚至可添加視頻播放，體驗場景聲效。VR技術應用于建筑設計行業(yè)最實際的意義在于其獨特的交互性，可讓設計方案在施工過程少走彎路。從設計師角度來說，VR技術在調整設計元素時，可更清晰地分辨不同設計元素對整個設計方案的影響。利用VR技術沉浸式體驗設計作品在真實環(huán)境中的效果，觀察設計中的每個細節(jié)；利用VR的交互性嘗試在相同的空間中改造建筑結構或更換材質，在虛擬的三維世界中對設計進行自由編輯，從而進一步優(yōu)化設計方案，提高設計效率，完善設計表達。

3）自主性作用 VR技術的自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度，這種自主性極大地強化了用戶在虛擬世界中的沉浸感和交互性，可讓用戶在虛擬世界中主動探索設計方案中的每個細節(jié)，推敲設計方案中的各個元素存在是否合理。而且這種自主性對人的感官是一個爆發(fā)式的擴張延伸，也完全符合人對信息獲取直觀化、感官化的潛在需求。對于建筑設計師來說，全方位無死角地將建筑設計方案的每個細節(jié)暴露在用戶面前，也能驅動設計師更加精益求精地制作高品質、值得推敲的設計方案。如此良性循環(huán)對建筑設計行業(yè)發(fā)展將是大浪淘沙、一路向前的健康趨勢。

4 BIM和VR技術結合的創(chuàng)新應用

4.1 在設計中的結合

在建筑設計過程中，設計者要對材料有充分的認識，不同的材料搭配可更好地詮釋并表達建筑物的價值，因此，如何組合建筑材料與最終的室外方案展示有直接聯(lián)系。在BIM系統(tǒng)中嵌入VR技術，可構建數(shù)千種材質形成高精材質庫，所有材質均可進行紋理尺寸、紋理方向、色彩、UV等參數(shù)的高度編輯，并可實時顯示與實時渲染出圖。設計師沉浸于VR構建的設計方案虛擬空間中，可近距離觀察各種材料對整體方案的影響，滿足所見即所得所感的效果，為建筑設計提供無數(shù)可能。

在建筑設計上，光與色相輔相成，VR能將BIM構建出的高精度建筑模型進行光影效果測試，VR系統(tǒng)下可自由調節(jié)燈光強度、明暗、色溫、衰減，還能進行光照的動態(tài)模擬，包括晴天、多云、黃昏、黎明、滿月、繁星等的光照效果。自然燈光與人工燈光結合，將建筑材質的色澤肌理特點直觀生動地展現(xiàn)于用戶眼前。光、色、形的有機結合能凸顯建筑的特色與風格，賦予建筑生命力。VR通過動態(tài)交互的方式讓光環(huán)境與建筑外觀融合，通過身臨其境的全方位的審視及強烈、逼真的視覺沖擊，使用戶更容易理解和感受設計師在設計方案時的絕妙之處。

在BIM設計中，最常見的問題是不同專業(yè)間的錯漏碰缺，設計者可通過VR技術進入場景對各不合理的部位進行檢查，預先發(fā)現(xiàn)并處理問題，甚至可以對復雜節(jié)點、難點進行方案模擬，分析和比選實施方案。在設計階段盡早發(fā)現(xiàn)問題并及時處理，以免在后期施工中由于設計問題產生返修或重新設計而增加成本或延長工期。

現(xiàn)階段，BIM模型已經很好地表達建筑產品在視覺上的形狀樣式，但與真實場景依然存在一定差距。而VR技術能讓BIM技術在視覺上更真實。VR技術具有逼真的渲染效果，在視覺、交互體驗上更真實，但VR技術在數(shù)據(jù)及信息的表達上不如BIM精確，因此將BIM與VR結合，可使建筑場景完成數(shù)據(jù)信息整合，也給用戶帶來感官上的體驗，有助于解決實際工程中遇到的問題。

4.2 在施工中的結合

BIM技術可解決如碰撞檢查、剖面圖砌體排布等技術問題；也可通過參數(shù)化模型的建立，檢查建筑設計方案的功能及結構設計是否合理，能為建筑施工節(jié)約資金和人力成本。然而施工人員施工水平高低以及對設計方案各個要素的領悟程度，也是影響設計方案在施工過程能否順利進行的因素之一。VR技術與BIM相結合，通過BIM高精度的數(shù)據(jù)構建真實的設計方案，通過VR使施工人員真切體驗施工過程，并在逼真的場景中觀測施工節(jié)點及工法要求。

在裝配式施工中，BIM技術可制定完善的裝配式施工流程?；贐IM提供的三維建筑數(shù)據(jù)與施工流程及進度計劃相連，利用VR技術的可視性進行安裝演示及施工交底，有效加強施工現(xiàn)場人員對施工流程的理解。如大型建筑中的幕墻與鋼結構施工，該結構構件繁多，節(jié)點復雜，施工難度大。首先利用BIM技術創(chuàng)建精細的三維幕墻、鋼結構信息模型，再通過BIM信息模型快速導出幕墻，鋼結構構件的預加工信息。利用BIM對幕墻參數(shù)化建模，可精細到每個幕墻單元，確保參數(shù)精度。幕墻的加工與安裝可在VR模式下完成，按照BIM模型的指導進行預拼裝，模擬現(xiàn)場實際安裝的情況，可觀察施工進度最真實的動態(tài)模擬，更容易理解施工工藝，對施工技術方案進行優(yōu)化，實現(xiàn)風險控制，保證施工質量。利用BIM模型與VR技術進行技術交底，在BIM模型基礎上觀察每個節(jié)點的細部結構，使施工人員對工程的重難點、關鍵節(jié)點、施工質量控制點、關鍵部位施工方法與措施等有了全面了解，為實際施工與施工交底進行科學部署與組織，使施工更加準確、經濟、安全。

VR技術通過結合BIM高精度的數(shù)據(jù)庫，引入先進的虛幻引擎4，建立高度逼真且可實時互動的虛擬施工現(xiàn)場。通過將設計方案融入VR技術的三維立體場景后，項目管理方可安排施工人員進行模擬施工和安全培訓。在模擬施工方面，針對設計方案中容易出錯的部位進行模擬施工，這樣就能及時發(fā)現(xiàn)問題并及時修正，避免施工過程出現(xiàn)無法修正的錯誤，從而更進一步實現(xiàn)成本控制。在安全培訓方面，當體驗者戴上VR眼鏡后，會置身于整個工程當中，可以在虛擬場景中隨意“進出”“攀爬”，感受日夜交替下的工程場景，切實感受工程施工中的危險。相較傳統(tǒng)的安全培訓，這種通過VR技術組織的模擬施工和安全培訓，可激發(fā)工人參加安全教育的積極性，增強工人對安全事故的感性認識。而虛擬的場景不受場地、時間限制，可進行安全的反復操作；體驗人員對于細節(jié)節(jié)點、重難點的攻破，還可結合自身經驗讓方案更優(yōu)化，從而提高施工質量，避免材料及人工浪費，做到綠色施工。

5 結語

基于BIM高精準的專業(yè)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建的虛擬空間，可無限接近真實施工場景，從而避開施工過程可能遇到的諸多問題，大大提升施工效率。利用3D引擎，渲染出具有真實物理屬性的建筑實體，給用戶不一樣的視覺沖擊；利用VR沉浸式進行各種碰撞試驗，使設計更形象、更人性化，而融入虛擬空間演習施工過程，使施工人員的安全得到更有效保障。BIM技術與VR技術的有機結合，綜合利用BIM強大的數(shù)據(jù)與3D可視技術，優(yōu)化設計方案，有利于減少項目變更及材料浪費，縮短工期，最終得到最大化效益。