VR与BIM在建筑设计的前景

高慧 孙松山 陈佳艾 郑勇 张玉良

摘 要：增强现实和虚拟现实技术是有关视觉增强的技术，他们相比传统的技术极大地改变了视觉传达的意义。这些技术现在正在迅速发展，在不久的未来将会改变整个行业的发展方向。土木工程是一个极度依靠视觉技术的行业，尽管AR与VR技术已经发展了几十年，但是在建筑应用中还是非常少。近些年由于BIM技术的普及，数字建造这一名词出现在我们的生活中，如果能将VR技术加入数字建造中，将BIM技术与VR技术相结合，使建筑模型的信息化与数字化和沉浸式体验相结合，让无专业知识的人和专业人士去相互沟通，相互协调，从而到达业主想要得到的样子。

关键词：VR;BIM;建筑设计;设计优化;信息化

1 绪论

近代绘图辅助工具大致经历了三大阶段，第一阶段是人工绘图;第二阶段是二维绘图;第三阶段是三维建模。自从1946年2月美国自主定制的目前世界第一台大型电子军用计算机正式问世以来，计算机迅速地被应用于各行各业当中。建筑设计的草图辅助处理软件最早追溯20世纪60年代，它的英文名字可以叫建筑草图绘制面板（sketchpad）。20世纪六七十年代，小型通用计算机制造费用急剧下降，所以美国设计工程中已经开始广泛性地使用它的cad，相比较于传统的人工自动绘图，cad自动绘图更加方便快捷，绘图操作速度也大大得到提升，绘图操作精度也比传统手工自动绘图更加高。1975年乔治亚理工大学的理念从chuckeastman教授开始创建了他的BIM设计理念至今，20世纪八九十年代BIM理念开始逐渐将其运用融入了工程设计与建筑施工工程管理里。设计从此又一次进入了全新的三维时代。

2 现在建筑设计面临的问题

2.1 建筑模型展现效果不理想

至今为止，建筑设计常常采用二维平面图或三维图为主，这些图只能固定路径或视角的展示，很难清晰完整地表达设计者的理念，也容易造成信息遗漏，从而导致了效果和预期不符。

2.2 建筑设计评价体系不完善

建筑设计现在主要由有专业背景的建筑设计师为主，而使用者在建筑设计中的参与度明显不足。对于使用者而言，能够获取的建筑信息十分有限，存在现实与图纸不对称的情况。对于现在如果能将BIM与VR技术相结合，在人机互动上完成虚拟漫游，就能增加设计的灵活性，使技术人员和使用者能更好地协调，大大提高了传统BIM模式的可视化，因此二者的结合对于未来的设计行业意义非凡。

2.3 缺少数据信息协同与交互

传统BIM技术的设计优势是协同设计，其中数据信息的交互是其中最重要的部分，但是就现阶段而言，设计阶段只有设计者参与进来，其他工作人员很难参与设计。一个项目需要不同专业背景的人进行协调，然而由于过程的处理，施工者可能对信息理解偏差，进而导致整个项目与预期不符。

3 BIM技术在建筑设计中的应用

3.1 建筑空间规划中的BIM技术

空间规划设计是在我们确定一个建筑设计产品施工地点之后，我们开始对整个建筑设计进行产品设计的第一步，对一个建筑设计产品的整体占地面积、地形、走勢、斜坡曲率等因素进行设计分析，决定了一个建筑进入产品之后它的外形、走向，尤其对在建筑施工期间场地地形复杂的特殊情况下对整个建筑产品空间的进行规划更为重要。BIM的应用空间规划数据应用有效地大大节省空间规划工作时间，能快速在一个虚拟数据平台上对整个建筑设计所在管理地区的具体地形、坡向等相关数据基础信息情况进行综合分析，为后期开展建筑设计工作提供大量参考有用数据。

3.2 建筑仿真技术中的BIM技术

我们利用BIM虚拟技术能对整个建筑设计数据进行真实虚拟数据还原，并且能够真实地虚拟还原整个建筑的每一个设计数据，其中主要包括：高程、结构设计数据、建筑设计质量等。便于专业建筑设计技术人员对各种建筑设计产品各项质量指标数值进行严格校验，对各种建筑物各部分之间的承受力相互作用、协调性能等进行严格检查，确定各种建筑设计产品的经济实用性和安全性。

4 BIM技术中的微环境模拟

通过AI与BIM图像建模对真实日照遮挡进行图像收集，用图像仿真技术将真实的日照建筑构件遮挡对应关系全面清晰呈现，日照将以多种可视化和非动态方式展示呈现出来，所以无论时间上和地点上的日照遮挡关系都一样可以清晰真实呈现，根据国家标准对日照相关建筑构件尺寸进行建筑尺寸优化设计。BIM空气技术中心可以对整个建筑周围的自然气流以及环境信息进行数据收集，进行建筑通风数据模拟对建筑风速、风向、空气污染扩散情况等收集数据等并进行各种功能上的需求分析设计。对于室内噪声污染从建筑设计阶段就开始应该定期进行人声噪音影响分析，尽量做到降低人声噪音对室内环境的直接影响。

5 VR技术

VR技术是一种由许多源码和信息系统融合的、交互式的三维模拟动态现实视景和模拟实体环境行为的生态系统模拟仿真，它使用户可以沉浸到该模拟环境中。VR首先是它能够给人带来深层次视觉沉浸感，显示传统设备本身带来的立体视觉五感沉浸，辅助显示设备本身带来的立体五感听觉沉浸;其次，VR能够将媒体内容丰富度从三个最大维度再次提升后达到五个最大维度，即传统的平行屏幕式多媒体，从人到平面两个人三维度+平行时间四个维度;再次，提升后达到平行空间三维度+平行时间四个维度+平行虚拟人和平行现实世界五个维度;最后就是因为VR不仅能够完全彻底突破空间限制，实现一种增强交互，能够完全彻底突破人的地理位置限制，使用者甚至能够完全实现在一个虚拟世界里与人零距离亲密接触。

6 BIM技术与VR技术在实际项目中的结合

通过必要的技术手段，将BIM模型的相关信息与VR设备相结合。BIM模型与VR设备的无缝连接，基于BIMVR的工作方式，在VR眼镜里不仅可以体验BIM模型的空间与外在展示效果，更可直接选择与读取源BIM模型中构件的属性，如尺寸、材质、功能、wbs划分等原始BIM信息，另外可在VR眼镜中仿现实的进行BIM模型的构件显示切换、间距数据测量、分析甚至构件调整等操作，达到传统桌面端BIM模型浏览方式前所未有的体验感，所以我们提出了利用VR虚拟现实技术与BIM技术相结合，进而提高BIM与VR结合在建筑领域应用的优势。

6.1 设计阶段

利用VR设备沉浸式读取BIM模型中风管的各项尺寸信息，利用VR设备读取BIM模型中构件的净高数据进行直观分析。在设计阶段，设计师通过有限的时间和局限的想象力，设计建造出一个外型复杂多样的大型建筑，无疑是极大的一个挑战。基于实际工程项目，VR与BIM的具体结合手段与操作有着共通点，区别主要在于结合平台的功能差别。无论对于哪种形式，对BIM源模型的处理操作都是基础与重点，直接影响后续工作以及VR体验产品的质量。

6.2 施工阶段

建筑施工过程技术模拟，是一项复杂的技术实践管理工程，每一项工程还要划分为十至数十道过程工序，每一道过程工序需要选择的建筑施工材料方法不同就可能会直接出现不同的工程预算和施工结果，所以在进行实际操作前我们可以充分利用VR与BIM的计算手段进行模拟施工，建筑施工技术模拟，最大的建筑施工难点就是进行模拟提前施工模拟仿真施工，模拟操作过程中我们可以对建筑图纸制作中的一些疑问进行有效的分析反馈，从而可以大大提高效率和大大降低工业施工成本，随着VR技术的出现，购房人必须亲自到卖房中心，观察样品室的情况，通过VR技术客户就可以通过虚拟实际体验装置来实际感受到各地的房源，在有限空间里就可实现预先感受到实际中的情况。同时，对于开发者来说，VR技术打破了传统。

6.3 基于两种技术的模型传递

很多时候基于不同的平台以及具体工作形式，BIM与VR的结合应用常需要利用第三方格式模型的传递与读取，常见的第三方中间格式有IFC、FBX、DAE、OBJ等。整体来说，基于实际中的工程BIM项目经验，笔者认为FBX格式是其中最为完善的。以revit模型为例，优先建议考虑将模型导出为fbx格式传递至后续处理软件。

中间格式模型的生成方式有多种，一种是用BIM源模型建模软件自带的格式导出器，如revit可以直接导出fbx、IFC等，不过效果不完善，不建议此种方式。另外一种是用第三方外部插件进行导出，其中会有众多导出选项，导出的格式效果较好。将建筑、结构和现场布置模型，安全建筑设施的模型，绿化。结构模式等导出到fbx文件中。

以BIM源模型导出的FBX等作为中间格式文件，载入平台进行效果编辑、渲染烘焙，继而生成可供效果展示与场景互动的VR体验系统，属BIM+VR的形式;内置于Revit、Sketchup、ARCHICAD等建模平台的第三方专业插件，无须中间格式传递，可直接将BIM源模型如revit模型一键加载至其中，进行材质场景效果编辑调节，然后可一键启动VR体验系统，利用HTC VIVE及Oculus等主流VR设备进行体验，但不可在虚拟现实环境中进行BIM源数据的读取与操作，属BIM+VR的形式。

置于Revit、Navisworks等建模与漫游分析平台的第三方专业插件，同时也是一个丰富完整的BIM设计施工协同软件平台，对施工项目针对性较高，基于设计与施工的功能众多，兼容性与模型识别读取度较高，一键进行无缝加载BIM模型，而且可以进行模型同步反向调整，可一键启动VR体验系统或者打包生成VREXE体验系统，利用HTC VIVE及Oculus等主流VR设备进行体验，支持在眼镜设备中沉浸式读取与分析BIM数据，以及进行多项调整操作，模型显示实时效果较好，沉浸式效果优，但材质效果精度不如Twinmotion，属于目前少有的能够无缝链接BIM模型及数据的专业BIMVR平台。

通过上面的研究，VR技术和BIM技术是我国建筑工业发展方向的一个转折，两者之间不能局限于形式的结合，更重要的应该是，通过其他的工具来实现真正意义上的两种技术结合，本文对VR技术和BIM技术在建筑工程中相结合的设计、施工、样板、绿化等进行了分析總结。基于以上几种形式的结合，通过对比分析，提出与VR技术结合起来的最好方法，研究结果可为建筑工程提供一些参考依据。

参考文献：

[1]郭文强.基于“BIM+VR”的建筑可视化设计方法及应用研究[D].北京：北京交通大学，2017.

[2]董婉婉.BIM+VR在施工管理中的应用研究[J].施工技术，2020（1）：171.

[3]张学辉，王丽洋，杨菲.BIM与VR技术在酒店装饰工程中的应用研究[J].土木建筑工程信息技术，2020，12（2）：8186.