基于BIM 技術(shù)的VR 開發(fā)與應(yīng)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(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)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(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，吉林 長春 130012；4：新疆師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

傳統(tǒng)展覽博物館的內(nèi)容表現(xiàn)形式主要以文字、圖片、視頻、雕塑等傳統(tǒng)藝術(shù)表現(xiàn)手法，盡管藝術(shù)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(diǎn)，無法與游覽者形成互動(dòng)，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(shí)的初衷。隨著科技的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)展覽館逐漸走入人們的視線，其利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字化展覽館，是一種沉浸式虛擬三維交互式體驗(yàn)，把可視化發(fā)揮得“淋漓盡致”，達(dá)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(tái)和Unity 引擎VR 技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于凈水工藝流程展示體驗(yàn)[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(yàn)。

1 項(xiàng)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(rèn)識(shí)、接近、珍惜水資源，將水文化因素與公共藝術(shù)設(shè)計(jì)完美融合，2016 年長春市政府聯(lián)合長春城投建設(shè)投資（集團(tuán)）有限公司針對水廠舊址進(jìn)行修繕改造，委托吉林建大信息技術(shù)有限公司和吉林建筑大學(xué)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(xiàng)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(biāo)。

2 基于BIM+VR 技術(shù)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(xiàng)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(shè)計(jì)方案》，針對虛擬現(xiàn)實(shí)流程和互動(dòng)內(nèi)容進(jìn)行商討規(guī)劃，初步制定三個(gè)主題方案“我是一名凈水員”“我是博物館導(dǎo)游員”“穿越時(shí)空的歷史回顧”（方案一～方案三），在保持進(jìn)展并滿足客戶要求下，及時(shí)分享創(chuàng)意并收集和實(shí)施反饋意見，經(jīng)過改進(jìn)和綜合考慮評價(jià)（見表1），最終選定方案“我是一名凈水員”，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(yàn)。

表1 VR 主題方案評價(jià)

2.2 BIM 智慧平臺(tái)

BIM 是建筑行業(yè)具有里程碑意義的智慧創(chuàng)新技術(shù)，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(shù)，為模型提供完整且與實(shí)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(jià)值；并且具有信息完整性、關(guān)聯(lián)性、一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性八大特點(diǎn)。

2.3 Unity 實(shí)時(shí)3D 開發(fā)平臺(tái)

Unity 是實(shí)時(shí)3D 互動(dòng)內(nèi)容創(chuàng)作和運(yùn)營平臺(tái),可用于打造可視化產(chǎn)品及構(gòu)建沉浸式交互虛擬體驗(yàn)，實(shí)時(shí)渲染可以實(shí)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(shí)技術(shù)（VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中，VR 的三個(gè)基本特征：①沉浸式，沉浸到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境當(dāng)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(rèn)識(shí)而深化概念和萌發(fā)新意。

應(yīng)用VR 技術(shù)對工藝流程進(jìn)行模擬，使體驗(yàn)者無需接觸實(shí)物便能體驗(yàn)真實(shí)的環(huán)境，可不受物理邊界限制進(jìn)行體驗(yàn)。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(shí)時(shí)同步到Reflect Viewer，實(shí)現(xiàn)可視化的實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)評審和驗(yàn)證過程所需時(shí)間方面有著巨大潛力，讓各方能夠高效方便地進(jìn)行溝通，加快迭代速度并推動(dòng)精準(zhǔn)決策，對AEC 領(lǐng)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(dòng)畫進(jìn)行展示，而數(shù)字信息時(shí)代建筑展示已進(jìn)入三維可視化階段，BIM 智慧平臺(tái)具有建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中廣泛的專業(yè)范圍，涉及建筑專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、機(jī)電專業(yè)，其建模思維是從構(gòu)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(xiàng)目需求與綜合考慮，本文選用BIM 平臺(tái)下Revit 建模軟件進(jìn)行建模工作。在實(shí)地考察和測量的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CAD 軟件進(jìn)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(dá)軟件建立BIM 5D 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，快速準(zhǔn)確地計(jì)算第一凈水廠的模型體量，便于數(shù)據(jù)分析管理；后期應(yīng)用3DS Max 三維建模軟件進(jìn)行局部細(xì)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(gè)階段的第一凈水廠展館模型，圖1 為20 世紀(jì)30 年代第一凈水廠車間實(shí)景，圖2 為其對應(yīng)3D模型；圖3 為第一凈水廠實(shí)景，圖4 為其3D 模型。

圖1 30 年代第一凈水廠車間實(shí)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(shí)景

圖4 第一凈水廠3D 模型

2.5 基于Unity 的交互式內(nèi)容開發(fā)

應(yīng)發(fā)揮BIM+VR 獨(dú)特的優(yōu)勢，尤其是在設(shè)計(jì)前期通過“BIM+VR”的平臺(tái)進(jìn)行多方協(xié)同設(shè)計(jì)、可視化建筑設(shè)計(jì)過程，更好地輔助建筑師進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及與多方相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行更加有效和深刻的“對話”，從而提高設(shè)計(jì)效率。本文將原始BIM 模型和數(shù)據(jù)通過Unity Reflect 導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 引擎實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互聯(lián)，進(jìn)行協(xié)同開發(fā)；采用功能強(qiáng)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(shè)計(jì)（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(shè)綠植模型，四面曲屏同步播放開場視頻，構(gòu)建360°環(huán)影效果，通過Cube 觸發(fā)構(gòu)件可進(jìn)入交互場景。內(nèi)部凈水車間交互式場景搭建：向建筑模型中添加構(gòu)件，如光源、欄桿、水泵、水粒子、桌子、開關(guān)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(dòng)畫，游戲環(huán)節(jié)提示音、背景音樂，相應(yīng)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(shí)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(diào)用，此項(xiàng)渲染技術(shù)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(jìn)行了優(yōu)化。

為了減少體驗(yàn)者VR 頭盔頭暈現(xiàn)象，創(chuàng)造良好的用戶體驗(yàn)，降低延遲，提高幀率，構(gòu)建面向Windows 平臺(tái)的VR SDK，性能良好的SDK 可實(shí)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(zhì)量和性能；為提高雙眼顯示的刷新率和分辨率，在HDRP資源設(shè)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(jìn)行觸發(fā)器、游戲手柄按鈕等信息輸入；為實(shí)現(xiàn)出色的視覺效果，使用粒子系統(tǒng)可實(shí)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(shí)現(xiàn)更逼真的效果和動(dòng)畫，創(chuàng)作高級(jí)別的圖形保真度和逼真的沉浸式VR 項(xiàng)目[3]。

3 項(xiàng)目應(yīng)用情況

3.1 項(xiàng)目體驗(yàn)流程

第一場景：360°旋轉(zhuǎn)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(yàn)者一種時(shí)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(shè)計(jì)理念和元素。經(jīng)過一段30 s 深情且澎湃的開場視頻后，進(jìn)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(yàn)者操作加入絮凝劑，使污水中的雜質(zhì)絮凝；然后進(jìn)入平流式沉淀池，沉淀部分雜質(zhì)后進(jìn)入過濾池，將過濾后的水放入消毒池，加入消毒劑對其進(jìn)行消毒；最后，進(jìn)入清水池，此時(shí)的水就是日常飲用的自來水，至此凈水流程完成。

整個(gè)過程體驗(yàn)者佩戴HTC VIVE 專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)智能頭顯，開啟Steam VR 連接設(shè)備，通過兩個(gè)定位器采集體驗(yàn)者的行為動(dòng)作，微軟X-BOX 游戲手柄進(jìn)行交互操作。整個(gè)過程，體驗(yàn)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(yīng)的聲音和提示；本項(xiàng)目以體驗(yàn)者為中心，以主人翁角色完成凈水操作和互動(dòng)，做到沉浸式交互體驗(yàn)，使凈水流程深入人心，提高體驗(yàn)者節(jié)約用水、保護(hù)水資源的意識(shí)，達(dá)到宣傳普及知識(shí)的初衷（見圖6）[4]。

圖6 Steam VR 設(shè)備體驗(yàn)虛擬凈水流程

4 結(jié)語

本文基于BIM 技術(shù)下的長春水文化生態(tài)園建筑舊址改造工程，應(yīng)用VR 虛擬技術(shù)實(shí)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(shù)流程無法再現(xiàn)，參觀者僅憑舊照片無法體驗(yàn)到當(dāng)年凈水舊建筑的工藝流程，但借助BIM 技術(shù)還原舊址凈水建筑并采用VR 虛擬化數(shù)字展示技術(shù)實(shí)現(xiàn)了還原舊工藝的目的，可以讓使用者身臨其境地體驗(yàn)當(dāng)初凈水工藝流程，還原舊建筑中凈水車間在凈水廠的關(guān)鍵作用，也可以更加深刻地感受當(dāng)年凈水廠舊址的老建筑承載著與長春人民息息相關(guān)的關(guān)于用水的歷史記憶。