基于BIM 技術的VR 開發(fā)與應用
——以長春水文化生態(tài)園建筑舊址改造工程為例

王 平，張樹彬，彭相澍，磨旋禮，郭秀娟

（1：吉林建筑大學電氣與計算機學院,吉林 長春 130119；2：吉林省綜合管廊監(jiān)控工程研究中心,吉林 長春 130119；3：吉林省經濟管理干部學院，吉林 長春 130012；4：新疆師范大學計算機科學技術學院，新疆 烏魯木齊 830054）

傳統(tǒng)展覽博物館的內容表現(xiàn)形式主要以文字、圖片、視頻、雕塑等傳統(tǒng)藝術表現(xiàn)手法，盡管藝術表現(xiàn)較為分明，但由于傳統(tǒng)表現(xiàn)形式單一陳舊的特點，無法與游覽者形成互動，沒有足夠的吸引力，缺乏創(chuàng)新和新鮮感，違背了展覽博物館普及宣傳知識的初衷。隨著科技的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實技術（VR）的不斷進步，虛擬現(xiàn)實展覽館逐漸走入人們的視線，其利用計算機圖形學技術構建的數(shù)字化展覽館，是一種沉浸式虛擬三維交互式體驗，把可視化發(fā)揮得“淋漓盡致”，達到“所見即所得”的效果。本文以長春水文化生態(tài)園建筑舊址改造工程為例，將BIM 智慧平臺和Unity 引擎VR 技術結合應用于凈水工藝流程展示體驗[1]，創(chuàng)新凈水工藝流程表現(xiàn)方式，打造沉浸式和交互式體驗。

1 項目開展背景

長春水文化生態(tài)園原為具有80 多年歷史的長春第一凈水廠舊址，為了展示和傳承凈水工藝流程，使人們能更好地認識、接近、珍惜水資源，將水文化因素與公共藝術設計完美融合，2016 年長春市政府聯(lián)合長春城投建設投資（集團）有限公司針對水廠舊址進行修繕改造，委托吉林建大信息技術有限公司和吉林建筑大學開發(fā)長春水文化生態(tài)園水文化博物館凈水工藝流程VR 博物館項目，以便打造以水文化元素為主題的生態(tài)園，致力于使其成為“北國春城”長春的城市文化新地標。

2 基于BIM+VR 技術的凈水工藝流程開發(fā)

2.1 需求分析

基于長春水文化生態(tài)園建筑舊址改造工程項目部擬訂的《長春水文化生態(tài)園博物館區(qū)“水與城市”主題展陳大綱》理念及《“水與城市”長春水文化生態(tài)園博物館區(qū)展示設計方案》，針對虛擬現(xiàn)實流程和互動內容進行商討規(guī)劃，初步制定三個主題方案“我是一名凈水員”“我是博物館導游員”“穿越時空的歷史回顧”（方案一～方案三），在保持進展并滿足客戶要求下，及時分享創(chuàng)意并收集和實施反饋意見，經過改進和綜合考慮評價（見表1），最終選定方案“我是一名凈水員”，使用虛擬現(xiàn)實技術還原第一凈水廠的變化歷程，模擬凈水廠三代凈水工藝流程，創(chuàng)造沉浸式交互體驗。

表1 VR 主題方案評價

2.2 BIM 智慧平臺

BIM 是建筑行業(yè)具有里程碑意義的智慧創(chuàng)新技術，BIM 的核心是通過Revit 建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術，為模型提供完整且與實際情況一致的建筑工程信息庫，為建筑全生命周期提高效率、降低成本、創(chuàng)造價值；并且具有信息完整性、關聯(lián)性、一致性、可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性八大特點。

2.3 Unity 實時3D 開發(fā)平臺

Unity 是實時3D 互動內容創(chuàng)作和運營平臺,可用于打造可視化產品及構建沉浸式交互虛擬體驗，實時渲染可以實現(xiàn)“可見即所得”，讓開發(fā)者可以最大限度地發(fā)揮自己的創(chuàng)意。虛擬現(xiàn)實技術（VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中，VR 的三個基本特征：①沉浸式，沉浸到計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境當中；②交互式，用多種傳感器與多維信息的環(huán)境發(fā)生交互作用；③想象，從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感知和理性的認識而深化概念和萌發(fā)新意。

應用VR 技術對工藝流程進行模擬，使體驗者無需接觸實物便能體驗真實的環(huán)境，可不受物理邊界限制進行體驗。Unity Reflect 是Unity 與Autodesk官方合作創(chuàng)新工具，支持BIM 模型和數(shù)據(jù)一鍵無損傳輸和實時同步到Reflect Viewer，實現(xiàn)可視化的實時設計變更和無縫優(yōu)化的BIM 數(shù)據(jù)整合，并且具有將模型數(shù)據(jù)可靈活傳輸和連接到其他程序的功能，在減少設計評審和驗證過程所需時間方面有著巨大潛力，讓各方能夠高效方便地進行溝通，加快迭代速度并推動精準決策，對AEC 領域有著顛覆性的意義[2]。

2.4 Revit 三維建模

傳統(tǒng)建筑是通過二維平面圖和效果圖，以固定角度和路徑的巡游動畫進行展示，而數(shù)字信息時代建筑展示已進入三維可視化階段，BIM 智慧平臺具有建筑設計領域中廣泛的專業(yè)范圍，涉及建筑專業(yè)、結構專業(yè)、機電專業(yè)，其建模思維是從構件角度出發(fā)，而其他主流3D 建模軟件如SketchUp，Blender，Auto CAD 等是從幾何形狀線、面、體出發(fā)，建模模型粗糙，精度不高；針對項目需求與綜合考慮，本文選用BIM 平臺下Revit 建模軟件進行建模工作。在實地考察和測量的基礎上，應用CAD 軟件進行模型圖紙繪制，按照CAD 底圖描繪建模，提高工作效率和精度；通過廣聯(lián)達軟件建立BIM 5D 關聯(lián)數(shù)據(jù)庫，快速準確地計算第一凈水廠的模型體量，便于數(shù)據(jù)分析管理；后期應用3DS Max 三維建模軟件進行局部細致的修改和完善，分別創(chuàng)建1932年—1949 年、1949 年—1980 年和1980 年—2018年三個階段的第一凈水廠展館模型，圖1 為20 世紀30 年代第一凈水廠車間實景，圖2 為其對應3D模型；圖3 為第一凈水廠實景，圖4 為其3D 模型。

圖1 30 年代第一凈水廠車間實景

圖2 第一凈水廠車間3D 模型（圖片來源：作者自繪）

圖3 第一凈水廠實景

圖4 第一凈水廠3D 模型

2.5 基于Unity 的交互式內容開發(fā)

應發(fā)揮BIM+VR 獨特的優(yōu)勢，尤其是在設計前期通過“BIM+VR”的平臺進行多方協(xié)同設計、可視化建筑設計過程，更好地輔助建筑師進行設計，以及與多方相關領域進行更加有效和深刻的“對話”，從而提高設計效率。本文將原始BIM 模型和數(shù)據(jù)通過Unity Reflect 導入Unity3D 引擎實現(xiàn)實時互聯(lián)，進行協(xié)同開發(fā)；采用功能強大的C＃腳本系統(tǒng)和健全的API 接口函數(shù)來滿足開發(fā)工作的需求。主要包括場景搭建；頭控、分屏顯示（立體效果配置、模擬人眼瞳距）、交互設計（頭控視選、觸碰反饋、微軟XBOX 游戲手柄）和渲染工作。外部場景搭建：第一凈水廠車間建筑模型渲染，對聯(lián)貼圖，搭設綠植模型，四面曲屏同步播放開場視頻，構建360°環(huán)影效果，通過Cube 觸發(fā)構件可進入交互場景。內部凈水車間交互式場景搭建：向建筑模型中添加構件，如光源、欄桿、水泵、水粒子、桌子、開關閥門、展示牌、說明文字、桌子上擺放的各種物件、隔斷門的上升下降動畫，游戲環(huán)節(jié)提示音、背景音樂，相應的各種特效等，如圖5 所示。

圖5 凈水場景（圖片來源：作者自繪）

Unity 包括通用渲染管線（URP）、高清渲染管線（HDRP）、Shader Graph 等工具，可滿足系統(tǒng)圖形渲染需求。原生VR 渲染時左、右眼分別處理2 次圖像，渲染2 遍陰影，發(fā)起2 倍的繪制調用，此項渲染技術稱為多通道渲染，這種方法占用2 倍CPU 能耗，對系統(tǒng)的硬件資源消耗較大。為此，采用可編程高清渲染管線HDRP，支持單通道前向渲染循環(huán)，采用面向HTC VIVE 頭戴式顯示屏（HMD）的工具，并對其進行了優(yōu)化。

為了減少體驗者VR 頭盔頭暈現(xiàn)象，創(chuàng)造良好的用戶體驗，降低延遲，提高幀率，構建面向Windows 平臺的VR SDK，性能良好的SDK 可實現(xiàn)低延遲高幀率；為減少圖像的鋸齒，采取多重采樣抗鋸齒，支持前向渲染，更改采樣數(shù)（8x），平衡質量和性能；為提高雙眼顯示的刷新率和分辨率，在HDRP資源設置中禁用不需要的功能，降低VR 渲染能耗。從VR 控制器中獲取輸入數(shù)據(jù)，并參考VR Input 文檔的輸入信息表，進行觸發(fā)器、游戲手柄按鈕等信息輸入；為實現(xiàn)出色的視覺效果，使用粒子系統(tǒng)可實現(xiàn)更出色的紋理組合和批處理功能，包括亮線和軌跡，加之高擬真度的物理碰撞模塊，實現(xiàn)更逼真的效果和動畫，創(chuàng)作高級別的圖形保真度和逼真的沉浸式VR 項目[3]。

3 項目應用情況

3.1 項目體驗流程

第一場景：360°旋轉模塊加4 塊曲屏播放開場視頻，視頻包括第一凈水廠車間的歷史寫照，與重新修繕后的水文化生態(tài)園形成鮮明的對比，給予體驗者一種時過境遷、滄海桑田的情懷；保留原始凈水廠氣息并添加現(xiàn)代化公園設計理念和元素。經過一段30 s 深情且澎湃的開場視頻后，進入模擬凈水車間，來到第二場景。

第二場景：來到絮凝池旁，打開閥門看到滿池污水，此環(huán)節(jié)需要體驗者操作加入絮凝劑，使污水中的雜質絮凝；然后進入平流式沉淀池，沉淀部分雜質后進入過濾池，將過濾后的水放入消毒池，加入消毒劑對其進行消毒；最后，進入清水池，此時的水就是日常飲用的自來水，至此凈水流程完成。

整個過程體驗者佩戴HTC VIVE 專業(yè)虛擬現(xiàn)實智能頭顯，開啟Steam VR 連接設備，通過兩個定位器采集體驗者的行為動作，微軟X-BOX 游戲手柄進行交互操作。整個過程，體驗者能360°觀看第一凈水廠車間和凈水流程，并隨著操作反饋相應的聲音和提示；本項目以體驗者為中心，以主人翁角色完成凈水操作和互動，做到沉浸式交互體驗，使凈水流程深入人心，提高體驗者節(jié)約用水、保護水資源的意識，達到宣傳普及知識的初衷（見圖6）[4]。

圖6 Steam VR 設備體驗虛擬凈水流程

4 結語

本文基于BIM 技術下的長春水文化生態(tài)園建筑舊址改造工程，應用VR 虛擬技術實現(xiàn)了對傳統(tǒng)凈水流程的數(shù)字化展示。由于舊建筑改造過程中，傳統(tǒng)凈水工藝技術流程無法再現(xiàn)，參觀者僅憑舊照片無法體驗到當年凈水舊建筑的工藝流程，但借助BIM 技術還原舊址凈水建筑并采用VR 虛擬化數(shù)字展示技術實現(xiàn)了還原舊工藝的目的，可以讓使用者身臨其境地體驗當初凈水工藝流程，還原舊建筑中凈水車間在凈水廠的關鍵作用，也可以更加深刻地感受當年凈水廠舊址的老建筑承載著與長春人民息息相關的關于用水的歷史記憶。