基于BIM-VR 的沉浸式建筑設(shè)計(jì)評(píng)審研究

李博宇 關(guān)濤 陳維亞

（1. 華中科技大學(xué) 國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心，武漢 430074；2. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074；3. 華中科技大學(xué) 軟件學(xué)院，武漢 430074）

引言

設(shè)計(jì)評(píng)審是設(shè)計(jì)管理工作的重要組成部分，而BIM 使設(shè)計(jì)評(píng)審的載體有了更多的選擇，管理流程也發(fā)生了根本的改變[1]。BIM 能夠?qū)⒔ㄖ奈锢砟Ｐ团c功能特性數(shù)字化地表達(dá)，連接了項(xiàng)目全生命周期各階段、各專業(yè)、各領(lǐng)域的信息、過程、行為和資源[2]。因此在建筑領(lǐng)域，BIM 已經(jīng)成為了數(shù)字化設(shè)計(jì)變革的基石。借助其強(qiáng)大的多維信息集成能力[3]，設(shè)計(jì)問題的發(fā)現(xiàn)、討論、記錄和追蹤都可與BIM 構(gòu)件綁定，用戶可以觀察三維建筑模型，并查看相關(guān)屬性及批注評(píng)論。然而，基于系統(tǒng)人機(jī)交互界面的局限性、空間感知受限等問題，限制了其進(jìn)一步的推廣以及產(chǎn)生更多價(jià)值。

虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展使得建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中能應(yīng)用這一新興技術(shù)，以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對(duì)建筑環(huán)境設(shè)施等的需求。

1 沉浸式建筑設(shè)計(jì)評(píng)審

1.1 從界面到空間

目前，三維設(shè)計(jì)的一個(gè)缺陷是傳統(tǒng)人機(jī)界面限制了評(píng)審人員與三維模型的高效互動(dòng)，可視化的BIM 三維模型無法輔助用戶挖掘出隱性設(shè)計(jì)缺陷[4]。作為三維人機(jī)界面的最新形態(tài)，虛擬現(xiàn)實(shí)能夠通過沉浸式的渲染和自然交互，使基于BIM 的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)“從界面到空間”的轉(zhuǎn)換[2]。

在沉浸式虛擬環(huán)境中表達(dá)的BIM[5]，極大地拓展了數(shù)字化設(shè)計(jì)評(píng)審的邊界，“BIM+VR”的評(píng)審方式成為了解決上述問題的有力途徑。它不僅可以在虛擬環(huán)境中以真實(shí)空間比例展示設(shè)計(jì)模型，還可以讓用戶“走進(jìn)”建筑，在設(shè)計(jì)原型中模擬實(shí)際使用情景、驗(yàn)證預(yù)期功能，實(shí)現(xiàn)“參與式”評(píng)審。

評(píng)審者佩戴VR 頭戴顯示器（Head-Mounted Display,HMD），以虛擬三維空間為評(píng)審環(huán)境進(jìn)行漫游，通過運(yùn)動(dòng)控制器（即手柄）完成與設(shè)計(jì)模型的交互和批注評(píng)論，如圖1 所示。

圖1 “BIM+VR”的設(shè)計(jì)評(píng)審方式

1.2 沉浸式評(píng)審研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)已有部分研究通過VR 提升設(shè)計(jì)評(píng)審的維度。例如陳婉蓉[6]提出虛擬設(shè)計(jì)評(píng)審的交互設(shè)計(jì)原則，利用Unity3D 和HTC VIVE 搭建了一個(gè)用于展示和評(píng)價(jià)三維產(chǎn)品模型的虛擬評(píng)審平臺(tái)。在建筑領(lǐng)域，劉基榮[7]較早地提出了在虛擬環(huán)境中進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)方案的觀察與評(píng)價(jià)，系統(tǒng)能夠提供計(jì)算機(jī)桌面端的漫游和佩戴立體眼鏡漫游兩種形式。

國外已有一些將BIM 與VR 結(jié)合的嘗試，實(shí)現(xiàn)在沉浸式環(huán)境下完成評(píng)審過程。例如Du 等[8]建立了一個(gè)名為BVRS 的BIM-VR 實(shí)時(shí)同步系統(tǒng)，通過云服務(wù)器解釋和交換BIM 元數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)同步在源BIM 模型。Nandavar 等[9]以O(shè)penBIM 為導(dǎo)向，提供了將BIM 模型快速自動(dòng)轉(zhuǎn)換成IFC 格式并導(dǎo)入VR 中的方式，評(píng)審數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移、更改不再受限于特定商業(yè)設(shè)計(jì)工具軟件或系統(tǒng)（例如Revit）。在改進(jìn)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了在虛擬環(huán)境中生成BCF 標(biāo)記，使審查信息更加結(jié)構(gòu)化和標(biāo)準(zhǔn)化，以便在多用戶的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行共享和同步。

沉浸式建筑設(shè)計(jì)評(píng)審具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）能夠幫助評(píng)審者發(fā)現(xiàn)隱性設(shè)計(jì)缺陷。用戶在和現(xiàn)實(shí)空間等比例等尺度[10]的虛擬三維空間中，對(duì)構(gòu)件尺寸的估計(jì)更加準(zhǔn)確；

（2）提升了多用戶的交流效率[11]。在虛擬環(huán)境下，各相關(guān)人員間的溝通互動(dòng)更加直觀和有形，當(dāng)VR 與其他可視化媒體技術(shù)如圖紙、數(shù)字模型和效果圖等結(jié)合，設(shè)計(jì)評(píng)審變得更高效；

（3）普適性高。與桌面界面相比，VR 設(shè)計(jì)評(píng)審中大眾和專家的評(píng)審表現(xiàn)結(jié)果并無太大差異，尤其是評(píng)審對(duì)象為復(fù)雜建筑模型時(shí)[12]。

2 沉浸式設(shè)計(jì)評(píng)審系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)相關(guān)研究中評(píng)審系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析與總結(jié)，本研究得出如下結(jié)論：首先，用戶需要在虛擬空間內(nèi)高效漫游，快速到達(dá)指定的地點(diǎn)；其次，用戶能夠以BIM 模型的視覺外觀和屬性數(shù)據(jù)作為評(píng)審的參考依據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)完成并保存評(píng)審信息；最后，需要開發(fā)若干輔助功能提高評(píng)審效率及其便捷性。沉浸式評(píng)審系統(tǒng)的用例圖如圖2 所示。

圖2 沉浸式評(píng)審用例圖

虛幻引擎（Unreal Engine, UE）作為一種功能強(qiáng)大且廣泛應(yīng)用的實(shí)時(shí)渲染和開發(fā)平臺(tái)，具備出色的圖形處理性能、物理模擬和交互能力。鑒于其在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的卓越表現(xiàn)及其對(duì)VR 開發(fā)的高度支持，本研究選擇UE 4.26 作為評(píng)審系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

2.1 評(píng)審場(chǎng)景搭建

沉浸式評(píng)審系統(tǒng)首先需要滿足用戶隨時(shí)點(diǎn)選構(gòu)件并查看它們的BIM 屬性并對(duì)其進(jìn)行判斷從而形成評(píng)審意見。然而，BIM 模型并不能直接導(dǎo)入開發(fā)引擎，而需要進(jìn)行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)換成FBX 或OBJ 格式[8]。但這些類型的文件并沒有保留BIM 模型原有的屬性信息元數(shù)據(jù)[4]，其根本原因在于Unity、UE 等引擎與Revit等BIM 設(shè)計(jì)軟件在幾何和語義等信息的表示方式上的不同。在基于UE 的開發(fā)流程中，使用Datasmith 插件將Revit 中的BIM 模型轉(zhuǎn)換成兼容格式，作為靜態(tài)網(wǎng)格體導(dǎo)入到引擎中，而BIM 信息將儲(chǔ)存在靜態(tài)網(wǎng)格體的資產(chǎn)用戶數(shù)據(jù)中，在虛擬評(píng)審環(huán)境下查看構(gòu)件屬性如圖3 所示。

圖3 通過手持控制器點(diǎn)選構(gòu)件并展示BIM 屬性

由于VR 環(huán)境中瞬移的漫游方式不易引起暈動(dòng)癥且行動(dòng)速度較快，故將其作為本系統(tǒng)用戶移動(dòng)的形式。在場(chǎng)景中，用戶可以通過長按表盤并移動(dòng)手柄的位置，自由選擇要進(jìn)行傳送的目標(biāo)位置及方向。此外，環(huán)境中設(shè)置了燈光與日照，且繪制了地形、草木等，提升評(píng)審者的臨場(chǎng)感。

2.2 結(jié)構(gòu)化評(píng)審信息儲(chǔ)存

已有的沉浸式評(píng)審系統(tǒng)多側(cè)重展示，因此需要研究面向BIM-VR 的交互及評(píng)審數(shù)據(jù)輸入管理框架，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)基于自然交互的批注添加、修改等操作，實(shí)現(xiàn)“邊看邊評(píng)”的沉浸式評(píng)審工作模式。評(píng)審信息儲(chǔ)存的類設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。

圖4 評(píng)審信息儲(chǔ)存的類設(shè)計(jì)圖

XML 和JSON 等文件儲(chǔ)存格式的傳輸、寫入和讀取速度較快，且結(jié)構(gòu)直觀清晰、易讀性強(qiáng)，是常用的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)儲(chǔ)存格式。但其結(jié)構(gòu)形式并不能體現(xiàn)出建筑設(shè)計(jì)評(píng)審的特征[13]，且不具備表征項(xiàng)目相關(guān)方之間溝通交流的語義[9]。而BCF 格式則涵蓋了對(duì)設(shè)計(jì)問題的記錄框架，且較容易進(jìn)行擴(kuò)展，添加其他模態(tài)的批注，如圖形標(biāo)記等。

與IFC 同處于OpenBIM 框架下的BCF 是一種滿足跨平臺(tái)、跨應(yīng)用的開源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（文件格式和數(shù)據(jù)通信協(xié)議），其提供了協(xié)作、精確定位、可視化和歷史記錄等功能，能夠改善BIM 相關(guān)活動(dòng)的信息共享和協(xié)同決策過程。在VR 評(píng)審環(huán)境下用戶可將評(píng)審信息一鍵壓縮并生成bcfzip 文件，如圖5（a）～（b）所示。

圖5 評(píng)審信息的儲(chǔ)存與表現(xiàn)

2.3 其他功能

為提升評(píng)審者在VR 環(huán)境下的體驗(yàn)，系統(tǒng)開發(fā)了小地圖功能，評(píng)審者可以輕松地觀察整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)和布局，如圖6 所示。

圖6 小地圖

此外，通過三維批注功能，使用手持控制器添加注釋和標(biāo)記，評(píng)審者能夠更準(zhǔn)確地傳達(dá)自己的觀點(diǎn)，如圖7 所示。

圖7 三維批注

3 用戶實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可用性和先進(jìn)性，以桌面界面基于Revit 的方式分別作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組，因變量為用戶通過系統(tǒng)進(jìn)行房間方案設(shè)計(jì)評(píng)審表現(xiàn)出的主客觀量化指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)假設(shè)為沉浸式評(píng)審系統(tǒng)（以下簡稱VR 系統(tǒng)）能夠在某些方面優(yōu)于基于Revit 的BIM 評(píng)審系統(tǒng)（以下簡稱Revit 系統(tǒng)）。

實(shí)驗(yàn)以某實(shí)驗(yàn)室的BIM 模型為評(píng)審載體，受試者在兩種環(huán)境下對(duì)方案的布局、設(shè)施、裝飾等建筑要素進(jìn)行評(píng)價(jià)。而在Revit 中則采用BCFier 插件進(jìn)行評(píng)審。為了排除系統(tǒng)使用的順序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果造成的干擾，受試者被劃分為I、II 兩組，I 組先進(jìn)行VR 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)再進(jìn)行Revit 實(shí)驗(yàn)、II 組則相反。

3.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)以任務(wù)耗時(shí)作為客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，并通過問卷調(diào)查受試者對(duì)系統(tǒng)的主觀評(píng)價(jià)。問卷除個(gè)人基本信息外，還包括兩個(gè)部分：NASA 任務(wù)負(fù)荷指數(shù)（NASATLX）、情景意識(shí)評(píng)估技術(shù)（SART）[14]。

實(shí)驗(yàn)完成耗時(shí)可用于比較兩個(gè)系統(tǒng)的效率和工作速度。如果一個(gè)系統(tǒng)在完成相同任務(wù)時(shí)耗時(shí)更少，則可認(rèn)為其具有較高的效率和快速完成任務(wù)的能力，即擁有更好的任務(wù)績效（Task Performance, TP）表現(xiàn)。

NASA-TLX 通過多個(gè)維度（如心理需求、身體需求、時(shí)間需求等）來評(píng)估任務(wù)的主觀負(fù)荷水平。該指數(shù)可用于衡量任務(wù)執(zhí)行過程中的認(rèn)知和心理壓力，并幫助評(píng)估任務(wù)的難度和負(fù)荷程度。

SART 可以反映出受試者對(duì)環(huán)境中關(guān)鍵信息的感知、理解和預(yù)測(cè)能力，即情景意識(shí)（Situation Awareness,SA）。系統(tǒng)中用戶SA 得分越高表明用戶能夠更加快速、全面地對(duì)當(dāng)前情景中的信息進(jìn)行分析、判斷和決策，系統(tǒng)的可靠性、安全性越好。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

本次實(shí)驗(yàn)共招募了20 位受試者，包括13 名男生、7 名女生，年齡在21~27 歲之間，涉及專業(yè)背景包括土木工程、工程管理、自動(dòng)化、軟件工程等。評(píng)審載體為實(shí)驗(yàn)室房間改造方案的BIM 模型，受試者在各系統(tǒng)下都能夠查閱每個(gè)構(gòu)件的BIM 屬性并以BCF 格式進(jìn)行評(píng)審。

開始實(shí)驗(yàn)前，操作人員向受試者介紹各系統(tǒng)的基本功能及注意事項(xiàng)，請(qǐng)其簽署測(cè)試知情同意書，之后受試者需要在10 分鐘之內(nèi)熟悉使用兩個(gè)系統(tǒng)。

受試者被要求通過VR、Revit 兩個(gè)系統(tǒng)分別進(jìn)行評(píng)審，在規(guī)定的三個(gè)區(qū)域內(nèi)各完成一項(xiàng)對(duì)附近建筑環(huán)境缺陷的評(píng)審，給出評(píng)審的標(biāo)題、相應(yīng)的描述以及能夠反映問題所在位置的快照，如圖8 所示。

圖8 Revit 與VR 系統(tǒng)評(píng)審實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)人員負(fù)責(zé)記錄受試者所耗時(shí)間并向其發(fā)放對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)查問卷。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將問卷結(jié)果及時(shí)間記錄整理歸納并形成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，對(duì)其進(jìn)行分析如下。

3.4.1 任務(wù)績效TP

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，使用VR 系統(tǒng)完成全部任務(wù)耗時(shí)的均值為4.01min，使用Revit 系統(tǒng)完成全部任務(wù)耗時(shí)的均值為5.07min，如圖9 所示。

圖9 各系統(tǒng)評(píng)審任務(wù)耗時(shí)

為了進(jìn)一步確定二者差異性是否顯著，使用統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)：

H0: 兩組數(shù)據(jù)之間沒有差異或差異不顯著（p≥0.05）；

H1: 兩組數(shù)據(jù)之間存在顯著差異（p ＜0.05）。

當(dāng)顯著性檢驗(yàn)參數(shù)p ＜0.05 時(shí)有理由拒絕零假設(shè)H0 而接受備擇假設(shè)H1，即二者之間具有明顯的差異。

首先需要對(duì)兩組配對(duì)樣本進(jìn)行Shapiro-Wilk 正態(tài)性檢驗(yàn)，當(dāng)正態(tài)性檢驗(yàn)值p≥0.05 時(shí)樣本數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。若二者均符合正態(tài)分布則使用配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)，否則使用Wilcoxon 符號(hào)秩檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，二者均具備正態(tài)性，且經(jīng)過t 檢驗(yàn)可確定通過VR 系統(tǒng)完成相同場(chǎng)景下的評(píng)審任務(wù)所消耗時(shí)間更短，如表1 所示。

表1 任務(wù)耗時(shí)的正態(tài)性檢驗(yàn)與t 檢驗(yàn)

3.4.2 認(rèn)知負(fù)荷CL

認(rèn)知負(fù)荷能夠反映出用戶通過系統(tǒng)完成任務(wù)時(shí)的信息處理、記憶力等認(rèn)知資源的使用情況，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況如圖10 所示。

圖10 認(rèn)知負(fù)荷均值及標(biāo)準(zhǔn)差

經(jīng)過正態(tài)性檢驗(yàn)后，除總平均CL 外，其余分項(xiàng)樣本均不符合正態(tài)分布，則對(duì)其分別使用t 檢驗(yàn)與Wilcoxon 符號(hào)秩檢驗(yàn)，均不存在顯著差異，如表2 所示。故可判斷VR 系統(tǒng)與Revit 系統(tǒng)使用時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷相近。而兩者認(rèn)知負(fù)荷的微弱差異可能源自以下原因：

表2 認(rèn)知負(fù)荷分項(xiàng)的差異顯著性

（1）VR 系統(tǒng)的心理需求負(fù)荷略低于Revit，表明用戶在VR 環(huán)境下心理負(fù)擔(dān)較低，意識(shí)中認(rèn)為任務(wù)較為簡單與輕松；

（2）身體需求上VR 略高于Revit，意味著用戶需要進(jìn)行更多的身體運(yùn)動(dòng)和體力勞動(dòng)。其可能的原因之一在于用戶需要佩戴VR 頭戴顯示器并手持控制器，從而增加了體力負(fù)荷；

（3）在VR 中需要比Revit 付出更多精力完成任務(wù)，可能的原因在于VR 環(huán)境下用戶獲得的建筑信息與環(huán)境語義更加豐富，且多數(shù)用戶對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的了解或使用較少，需要花費(fèi)更多精力去適應(yīng)環(huán)境。

3.4.3 情景意識(shí)SA

情景意識(shí)能夠反映出系統(tǒng)是否能夠提供完整全面的環(huán)境感知數(shù)據(jù)，用戶能否把握?qǐng)鼍爸匾畔?，做出?zhǔn)確決策。通過SART 問卷獲得的數(shù)據(jù)如表3 所示。經(jīng)過正態(tài)性檢驗(yàn)所有項(xiàng)均不符合正態(tài)分布，故對(duì)其進(jìn)行Wilcoxon 符號(hào)秩檢驗(yàn)。

表3 情景意識(shí)分項(xiàng)的正態(tài)性檢驗(yàn)及差異顯著性

根據(jù)表3 可知，在精神喚醒、注意力集中與分配、信息數(shù)量與質(zhì)量方面，VR 系統(tǒng)的表現(xiàn)效果更加出色。精神喚醒能夠反映出用戶對(duì)環(huán)境的察覺及敏感度，注意力集中與分配則體現(xiàn)了用戶個(gè)體專注于特定任務(wù)與同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)的能力。由此可以推斷，VR 提供的沉浸式環(huán)境能夠幫助用戶更好地探查評(píng)審方案信息并及時(shí)進(jìn)行處理和行動(dòng)。而信息數(shù)量與質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)印證了VR相比傳統(tǒng)BIM能夠提供更豐富、完整的視覺信息，高自由度和真實(shí)感的評(píng)審環(huán)境有助于發(fā)現(xiàn)和解決潛在的設(shè)計(jì)問題，提升評(píng)審效果。

SART 中1~3 項(xiàng)、4~7 項(xiàng)、8~10 項(xiàng)的代數(shù)和分別代表注意力需求（D）、注意力供應(yīng)（S）及情景理解（U），而情景意識(shí)的值SA=U-[D-S]，據(jù)此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理得到圖11?？煽闯鯲R 系統(tǒng)在各項(xiàng)SA 中均保持優(yōu)勢(shì)。尤其是注意力供應(yīng)，代表了系統(tǒng)在為用戶提供適當(dāng)?shù)淖⒁饬χС趾唾Y源分配方面的能力較為優(yōu)秀。

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)國內(nèi)外關(guān)于沉浸式BIM 設(shè)計(jì)評(píng)審研究進(jìn)行了梳理，研發(fā)基于BCF 標(biāo)準(zhǔn)的VR 設(shè)計(jì)評(píng)審系統(tǒng)并做出介紹。通過對(duì)比基于Revit 和基于VR 的BCF 評(píng)審方式的實(shí)驗(yàn)證明了VR 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：在環(huán)境信息豐富度和評(píng)審操作效率上具有明顯更好的表現(xiàn)。

根據(jù)問卷收集到的意見，未來將著力于簡化UI 和用戶操作邏輯，提高使用舒適性，并在系統(tǒng)中設(shè)置更明顯的引導(dǎo)和提示，進(jìn)而提升整個(gè)系統(tǒng)的可用性。同時(shí)，后續(xù)將對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行優(yōu)化，從而提升優(yōu)勢(shì)、補(bǔ)足劣勢(shì)。

此外，在設(shè)計(jì)評(píng)審過程中，用戶與VR 環(huán)境、建筑模型交互中會(huì)產(chǎn)生大量信息。如果能對(duì)這些碎片化知識(shí)進(jìn)行整合、儲(chǔ)存、重用和表達(dá)，從而形成案例并通過算法和知識(shí)推理實(shí)現(xiàn)案例匹配，就可以為后續(xù)評(píng)審提供參考和借鑒。