陳銘銘

摘 要：本研究針對在應(yīng)用建筑信息模型進(jìn)行設(shè)計實踐時，不同專業(yè)設(shè)計人員對于同一問題的理解會存在差異，因而容易引起信息傳達(dá)的誤解，降低建筑設(shè)計及施工的效率問題，提出了將VR與BIM相結(jié)合并實現(xiàn)移動端的應(yīng)用，從而提高建筑交互的效率，在建筑設(shè)計及施工領(lǐng)域應(yīng)用有著廣泛的前景。本小組研究將BIM中的建筑信息轉(zhuǎn)移到移動端的VR設(shè)備中去，進(jìn)行一個Revit軟件的二次開發(fā)，并且以開發(fā)出的軟件進(jìn)行建筑信息多人交互效率影響的檢測從而驗證此次軟件二次開發(fā)的作用與影響。實驗結(jié)果表明移動端VR在一定程度上能夠提升建筑信息多人交互的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：BIM模型;移動端;VR

1.課題背景：BIM和VR結(jié)合成為主流趨勢

隨著信息化時代的到來，建筑模型信息化也是一種不可扭轉(zhuǎn)的趨勢。因此BIM軟件興起，相對于傳統(tǒng)的圖紙，BIM能很好的呈現(xiàn)建筑設(shè)計和施工中的碰撞點，加強(qiáng)加快了不同的專業(yè)人士之間的交互。但是與真實感還是存在一定的差異，且建模文件一般只能在計算機(jī)上打開，而不能在移動端打開，這無疑阻礙了建筑信息的交互。在另一方面而隨著科技的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實已經(jīng)不僅僅只是一個演示媒體 ，并且開始運用到社會的各個領(lǐng)域，包括醫(yī)學(xué)、娛樂、航天航空等，然而在建筑領(lǐng)域還是有待研究。比如裝修房屋之前你首先要做的事是對房屋的結(jié)構(gòu)、外形做細(xì)致的構(gòu)思，為了使之定量化，你還需設(shè)計許多圖紙，當(dāng)然這些圖紙只能內(nèi)行人讀懂，虛擬現(xiàn)實可以把這種構(gòu)思變成看得見的虛擬物體和環(huán)境，可以通過身體方位的變動自動切換視角實現(xiàn)沉浸式的體驗。因此，將兩個熱門的技術(shù)結(jié)合成為了建筑信息交互中新的發(fā)展趨勢。

同濟(jì)大學(xué)孫澄宇博士面向三維模型的評論分享需求而開發(fā)的移動端交流工具“宇信”，它接受常見的OBJ格式，SMP格式模型，除了以不同的方式在三維空間中移動觀察外，還支持語音控制的手機(jī)雙目立體漫游，可以很好地理解三維模型的形態(tài)特點 。同時，它的用戶可以通過在線交流的方式或離線傳輸?shù)姆绞綄δＰ偷木植炕蛘w進(jìn)行各種評價，而所有的評價連同他們的觀察位置與視角都可以以二維碼或文本鏈接的形式分享，實現(xiàn)面向三維模型的有效交流。該工具可以用于建筑設(shè)計、城市設(shè)計、景觀設(shè)計、工業(yè)設(shè)計等行業(yè)。然而一般的BIM模型無法導(dǎo)入宇信中，如現(xiàn)在比較熱門的BIM軟件revit。本項目目的是想將BIM模型導(dǎo)出并自動、轉(zhuǎn)化成為移動端VR可讀的格式，提升模型渲染效果，帶給體驗者更具象化的信息體驗;搭建在線虛擬協(xié)同平臺，利用平臺在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)不同專業(yè)人員遠(yuǎn)程多人協(xié)同設(shè)計，提高不同專業(yè)人士對于模型的溝通調(diào)整效率。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀分析

在國內(nèi)方面，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也逐漸開始在建筑、規(guī)劃、景觀等方面落地應(yīng)用。有學(xué)者研究了虛擬現(xiàn)實在建筑設(shè)計及古建筑保護(hù)中的應(yīng)用方法（朱寧克，鄒越，2008; 肖海平，2013; 何成戰(zhàn)，2013; 齊會娟，李德雄，劉佳，2016）;有學(xué)者研究了虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的景觀分析和景觀創(chuàng)作方法及應(yīng)用（李國松，楊柳青，2008; 季景濤，2014; 王圣霖，朱世范，胡海輝，2015; 黃文柳，裘斌，卓泳，2015）;也有學(xué)者將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用到了樣板房效果展示中（袁霄，袁瑩，2008; 李瑩，2009; 常洋，呂媛媛，韓應(yīng)江，2014; 劉桐，2015）。

近年來隨著支撐虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的軟硬件設(shè)施逐漸成熟，國外已經(jīng)有學(xué)者開始嘗試將BIM與VR及AR技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用與建筑行業(yè)實踐，以進(jìn)一步發(fā)揮BIM的協(xié)同作用。Yan等人研究了計算機(jī)游戲與建筑可視化及建筑教育結(jié)合的可能性，并創(chuàng)建了整合BIM和游戲的框架，并展示了基于該框架下實時的、可互動的虛擬用戶漫游模型（Yan W， Culp C and Graf R，2011）。Wang等人認(rèn)為通過增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)可以將實現(xiàn)將BIM用于與現(xiàn)場人員的互動和實時溝通，并開發(fā)了一個概念框架來調(diào)查通過增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)讓BIM擴(kuò)展到現(xiàn)場應(yīng)用（WANG X， LOVE P E and DAVIS P R，2012）。基于用戶設(shè)計導(dǎo)向的設(shè)計，Heidari等人提出智能BIM技術(shù)模型——產(chǎn)生一種虛擬建筑空間，能夠讓用戶體驗在空間中的日常，能夠與虛擬智能設(shè)備互動，而設(shè)計師可以根據(jù)用戶反饋來調(diào)整智能建筑的設(shè)計（Heidari M， Allameh E and de Vries B， et al.，2014）。Edward等研究將基于協(xié)同和交互設(shè)計的BIM技術(shù)與計算機(jī)游戲引擎結(jié)合，創(chuàng)造了一個基于設(shè)計師使用需求，符合開發(fā)穩(wěn)定性和功能性的BIM系統(tǒng)，對系統(tǒng)的測試表明其可以支持更多的協(xié)同和互動設(shè)計進(jìn)程（Edwards G， Li H and Wang B，2015）。

BIM與VR的結(jié)合成為建筑信息交互中新的發(fā)展趨勢，但是現(xiàn)有技術(shù)下建筑信息的VR體驗只在PC端較為普及，扮演而沒有實現(xiàn)移動端（手機(jī)）的沉浸式體驗。

3.技術(shù)路線：如何實現(xiàn)BIM與VR的結(jié)合

項目流程如圖1所示，利用revit2017生成BIM模型后，導(dǎo)出可被宇信平臺接受的.obj文件格式，在宇信平臺上可以實現(xiàn)移動端的VR體驗，也可以在此平臺進(jìn)行評論，標(biāo)注信息，最后導(dǎo)出含有交互信息的.smp文件，將BIM模型在移動端可視化，從而提高了多人交互的效率。

然而宇信只能接受.obj格式，而revit不能直接導(dǎo)出obj格式文件，因此要進(jìn)行二次開發(fā)，本小組通過在Revit2017菜單欄里面添加一個導(dǎo)出obj格式文件的附加模塊。Revit2017提供API，所有數(shù)據(jù)都可以通過API讀到，API提供了C#開發(fā)接口。在開發(fā)完成后，將設(shè)計一個對比試驗來研究此成果對在建筑信息交互中的作用。

4.Revit2017二次開發(fā)計劃和結(jié)果

4.1.Revit與.obj格式對比

4.1.1.Revit與.obj格式介紹

由于要使Revit導(dǎo)出.obj格式文件，首先得了解兩個文件的格式特點。Revit是美國Autodesk公司開發(fā)的的軟件，為建筑信息模型（BIM）構(gòu)建的，可幫助建筑設(shè)計師設(shè)計、建造和維護(hù)質(zhì)量更好、能效更高的建筑。

目前國內(nèi)民用建筑BIM主要建模平臺就是Revit，建完模型后，后續(xù)有很多的擴(kuò)展運用，如運維，VR，AR等，Revit目前提供的接口如下：

Revit 原生格式：RVT、RFA、RTE、RFT

CAD 格式：DGN、DWF、DWG、DXF、IFC、SAT 、 SKP、FBX

圖像格式：BMP、PNG、JPG、JPEG 和 TIF

其他格式：ODBC、HTML、TXT 和 gbXML

Revit提供API，所有數(shù)據(jù)都可以通過API讀到，API提供了C#，VB.net，C++等開發(fā)接口，現(xiàn)詳細(xì)分析C#的API，Revit API，所有的數(shù)據(jù)都存儲到Revit.DB這個類中，如圖2所示。

obj文件格式支持直線（Line）、多邊形（Polygon）、表面（Surface）和自由形態(tài)曲線（Free-form Curve）。直線和多邊形通過它們的點來描述，曲線和表面則根據(jù)它們的控制點和依附于曲線類型的額外信息來定義，這些信息支持規(guī)則和不規(guī)則的曲線，包括那些基于貝塞爾曲線（Bezier）、B樣條（B-spline）、基數(shù)（Cardinal/Catmull-Rom）和泰勒方程（Taylor equations）的曲線。其他特點如下：

（1）OBJ文件是一種3D模型文件。不包含動畫、材質(zhì)特性、貼圖路徑、動力學(xué)、粒子等信息。

（2）OBJ文件主要支持多邊形（Polygons）模型。雖然也支持曲線（Curves）、表面（Surfaces）、組材質(zhì)（Point Group Materials）。

（3）OBJ文件支持法線和貼圖坐標(biāo)。在其它軟件中調(diào)整好貼圖后，貼圖坐標(biāo)信息可以存入OBJ文件中。

4.1.2.Revit與.obj格式差異

Revit中常用的模型元素通過層層繼承關(guān)系，均為Element的子類;

元素的數(shù)據(jù)均封裝在其各自的類中，而OBJ文件由一行行文本組成，有字的行都由一兩個標(biāo)記字母也就是關(guān)鍵字（Keyword）開頭，關(guān)鍵字可以說明這一行是什么樣的數(shù)據(jù)。

在Revit模型的編輯視圖中，Revit使用項目基準(zhǔn)點（Project base point、測繪點（Survey point）、真北方向（True North）、項目北方向（Project North）、位置（Location）、地點（Site）來形象刻畫元素位置;在制作族的時候，族文件內(nèi)的幾何體具有自己的坐標(biāo)系;當(dāng)族文件被加載到Revit模型中時，族實例的幾何體具有自己的坐標(biāo)系;對于基于點的族實例，比如柱子，門窗，家具等。我們可以通過基于點的族實例的Location屬性來返回一個LocationPoint對象，該對象刻畫了插入點的位置坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度;對于基于線的族實例，比如梁。Revit API為我們提供了一個轉(zhuǎn)換矩陣GeometryInstance.Transform，可通過它來把族文件中幾何實體的坐標(biāo)信息直接轉(zhuǎn)成成族實例在模型文件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。而。Obj格式使用三個參數(shù)x， y， z來刻畫位置;使用三個點來刻畫一個面、以頂點坐標(biāo)來刻畫幾何體等方式構(gòu)建圖形。

4.2.二次開發(fā)的計劃

第一步：通過Revit API讀入模型各元素（Element）數(shù)據(jù)

第二步：設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保存各元素參數(shù)

第三步：實現(xiàn)從Revit坐標(biāo)系向obj文件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

第四步：將Revit中所包含的元素實例（Instance）轉(zhuǎn)化成obj文件所支持的元素類型

第五步：將上面所處理得到的數(shù)據(jù)寫入obj文件中

4.3.二次開發(fā)的結(jié)果

目前已經(jīng)成功完成了revit的二次開發(fā)，將revit中導(dǎo)出的文件如圖3，在宇信平臺打開后運行結(jié)果如圖4。戴上一般VR眼鏡之后，便可以實現(xiàn)沉浸式體驗。

導(dǎo)出的obj格式文件：

5.實驗設(shè)計和結(jié)果：驗證二次開發(fā)成果在建筑領(lǐng)域的作用

5.1.效率對比實驗的設(shè)計

實驗一：BIM+VR 與傳統(tǒng)圖紙解讀項目的對比

選取對象為土木或建筑專業(yè)的學(xué)生隨機(jī)分為兩組，一組用傳統(tǒng)的圖紙解讀項目，并將碰撞點在圖紙上表示，一組用revit2017排查后導(dǎo)入到移動端VR來解讀項目，并在移動端上通過評論功能標(biāo)出碰撞點，統(tǒng)計兩組學(xué)生找出碰撞點的時間和正確的數(shù)量。

實驗二：移動端VR交互與傳統(tǒng)圖紙交互建筑信息的對比

找出碰撞點后，傳統(tǒng)圖紙組的同學(xué)通過圖紙表達(dá)將碰撞點標(biāo)記并將碰撞信息傳遞給負(fù)責(zé)設(shè)計的同學(xué)，負(fù)責(zé)設(shè)計的同學(xué)根據(jù)碰撞點提出修改意見。而移動端VR組的同學(xué)直接通過在移動端上添加評論并導(dǎo)出文件發(fā)送給負(fù)責(zé)設(shè)計的同學(xué)，負(fù)責(zé)設(shè)計的同學(xué)根據(jù)碰撞點提出修改意見。比較兩種方式完成此次交互所用的時間以及修改意見的正確率。

此次試驗?zāi)M的是建筑活動中施工組在發(fā)現(xiàn)圖紙上存在碰撞點時與設(shè)計組協(xié)同交互的情形如圖5。

因條件限制，無法將二次開發(fā)的成果運用到實際項目中進(jìn)行交互效率的分析，也無法選取專業(yè)設(shè)計團(tuán)隊和施工團(tuán)隊來進(jìn)行實驗，因此小組采用以上簡化后的實驗方案。實驗設(shè)計及選取的管道模型如圖6，水管和風(fēng)管的部分碰撞點如圖7。

5.2.實驗結(jié)果及分析：

5.2.1.實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

共招募有效被試52人，其中男生35人，占總被試數(shù)的67.3%，女生17人，占總被試數(shù)的32.7%。全部來自土木和建筑專業(yè)學(xué)生。兩人一組，一人扮演設(shè)計人員，一人扮演施工人員，總共分為26個小組，移動端VR方式和傳統(tǒng)圖紙方式各分配13個小組。負(fù)責(zé)施工的成員先完成實驗一，以下為實驗一結(jié)果如圖8圖9：

當(dāng)施工人員完成實驗一后和對應(yīng)的設(shè)計人員共同完成實驗二，以下為實驗二結(jié)果如圖10：

且設(shè)計人員提出修改意見當(dāng)中，傳統(tǒng)組僅有6組改進(jìn)方案可行，而VR組有9組提出的改進(jìn)方案可行。

5.2.2.實驗結(jié)果的分析：

從實驗一可以看出，移動端VR與BIM的結(jié)合與傳統(tǒng)的圖紙解讀建筑信息相比，前者能更快的通過BIM分析直接找到碰撞點，并且在移動端顯示的VR模型上找到標(biāo)記，由于是BIM自動分析碰撞點，大大減小了出錯，而通過我們二次開發(fā)的成果將模型直接導(dǎo)入移動端，方便直觀的將信息記錄在移動端上，宇信平臺的自由切換視角以及評論功能，也方便了碰撞點的信息標(biāo)記。通過實驗表明，查找碰撞點的時間前者用的時間非常短，相比大多時間用在了標(biāo)記信息上。而后者用傳統(tǒng)的方法，時間大多用在了查找碰撞點，在各種剖面，平面圖，立面以及詳圖中查找碰撞點，需要將各個方位對應(yīng)，最后將碰撞點標(biāo)記在一張平面圖中，這樣的查找出錯率高，原因是管線和柱的重疊在單張圖紙上無法顯示，這就需要結(jié)合多個視角分析，花費了較長時間，但是圖紙的標(biāo)記速度較快，同時出錯率也高。此實驗表明了移動端VR與BIM的結(jié)合能夠加強(qiáng)個人對建筑信息的提取和理解效率和質(zhì)量。

從實驗二可以看出，移動端VR與BIM的結(jié)合與傳統(tǒng)的圖紙在建筑信息交互方面，兩者在同地同時交互時的效率，前者大大得到了提高。由于模型通過宇信平臺可以隨意切換視角，且通過實驗一已添加的評論，可以加快溝通的效率，設(shè)計團(tuán)隊通過移動端VR也能更好的表達(dá)自己改進(jìn)的方案。在信息交互方面，移動端VR和BIM大大提高了交互的效率和質(zhì)量。而傳統(tǒng)組在實驗一中已經(jīng)在碰撞點的排查方面大大落后，在實驗二中傳遞碰撞信息時花費了較多時間，而設(shè)計人員在理解方面又容易出現(xiàn)偏差，因此交互的質(zhì)量不高，最后給出的方案可行性也很低（此處的可行性只針對實驗一中施工人員找出的正確碰撞點的改進(jìn)）。

對于實驗結(jié)果分析可總結(jié)為以下兩個方面：

從交互的效率分析，移動端VR與BIM的結(jié)合能有效提高建筑活動中交互的效率，不論從個人對圖紙的理解速度還是從信息的傳遞方面，其效率都大大提高了。但是在標(biāo)記信息方面，移動端VR可能還有待提升，實驗人員對于移動端VR的操作不熟練引起了效率的降低，但總體效率提升了。

從交互的質(zhì)量分析，移動端VR與BIM的結(jié)合能夠減少施工以及設(shè)計中的錯誤，避免一些容易忽略的碰撞點，以及傳統(tǒng)圖紙無法體現(xiàn)的碰撞點，在信息交互時，也能減少誤解，增加溝通的便利性。此外對方案的改進(jìn)和重新確立也起著非常重要的作用

6.研究結(jié)論：BIM與移動端VR結(jié)合提高建筑信息交互質(zhì)量和效率

本研究通過revit2017的二次開發(fā)，實現(xiàn)了obj格式文件的導(dǎo)出，并將其導(dǎo)入到移動端的宇信平臺，實現(xiàn)了BIM與移動端VR技術(shù)的結(jié)合，不僅解決了在建筑設(shè)計和施工時交互困難的問題，方便了交互，更提高了交互的質(zhì)量和效率。而這正是此項目的目的和意義。除此之外，在建筑領(lǐng)域，VR技術(shù)的推廣能給建筑設(shè)計師們更好的表達(dá)空間，更方便了與甲方的交流，避免了傳統(tǒng)圖紙表達(dá)不清產(chǎn)生的誤解。移動端的應(yīng)用更加跟上了時代的步伐，讓VR技術(shù)不再只是停留在游戲室和笨重的頭盔上，變得更加簡潔方便。將虛擬現(xiàn)實與BIM相結(jié)合并普及化還有著更多的應(yīng)有前景等待發(fā)掘。

參考文獻(xiàn)：

[1]Grogan P T， d，e Weck O L. Collaboration and complexity： an experiment on the effect of multi-actor coupled [designJ]. 。RESEARCH IN ENGINEERING DESIGN， 2016，27（3）：221-235.

[2]Neghab A P， Etienne A， Kleiner M， et al. [Performance evaluation of collaboration in the design process： Using interoperability measurement[J]. COMPUTERS IN INDUSTRY， 2015，72：14-26.

[3]Torlind P. Collaborative Design[J]. JOURNAL OF THE INDIAN INSTITUTE OF SCIENCE， 2015，95（4）：353-363.

[4]Safavi E， Tarkian M， Gavel H， et al. Collaborative multidisciplinary design optimization： A framework applied on aircraft conceptual system design[J]. CONCURRENT ENGINEERING-RESEARCH AND APPLICATIONS， 2015，23（3）：236-249.

[5]Ren Z， Yang F， Bouchlaghem N M， et al. Multi-disciplinary collaborative building design-A comparative study between multi-agent systems and multi-disciplinary optimisation approaches[J]. AUTOMATION IN CONSTRUCTION， 2011，20（5）：537-549.

[6]孫澄宇. 建筑項目異地實施過程中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用方式與效果評估——以六主村無止橋公益項目情景為例[A]. 全國高等學(xué)校建筑學(xué)專業(yè)教育指導(dǎo)委員會建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)工作委員會.數(shù)字技術(shù)？建筑全生命周期——2018年全國建筑院系建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)與研究學(xué)術(shù)研討會論文集[C].全國高等學(xué)校建筑學(xué)專業(yè)教育指導(dǎo)委員會建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)工作委員會：全國高校建筑學(xué)學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)工作委員會，2018：7.

[7]劉澤群，劉銘劼.異型結(jié)構(gòu)BIM建模方法效率評價[J].建筑結(jié)構(gòu)，2018，48（S1）：669-672.

[8]王巖.提高建筑信息模型（BIM）建模效率的研究[J].科技風(fēng)，2017（05）：85.

[9]程輝，張慎.基于虛擬現(xiàn)實的輔助建筑設(shè)計軟件開發(fā)與應(yīng)用[J].武漢勘察設(shè)計，2018（06）：40-4448.