胡小玲，農(nóng)日東，李 捷，呂龍波

（1.廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007；2.廣西建通工程建設(shè)有限公司，廣西 百色 530022）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展與新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，人們不斷尋求能夠完善設(shè)計及施工質(zhì)量的創(chuàng)新技術(shù)。一直以來，建筑效果難預(yù)測、施工質(zhì)量難控制是建筑行業(yè)存在的兩大難題。目前許多建筑效果采用效果圖、模型等靜止畫面呈現(xiàn)，很難讓施工方全面把握設(shè)計意圖，業(yè)主方難以預(yù)知施工狀況。在施工過程中缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，因項目組之間的溝通問題往往導(dǎo)致施工工期、質(zhì)量、成本難把控。由此可見，建筑設(shè)計需對龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行有機整合，形成一個完整的可視、可控、多方參與協(xié)同的系統(tǒng)。BIM結(jié)合VR技術(shù)讓受眾不僅可提前觀看建筑效果，更能讓龐大的數(shù)據(jù)系統(tǒng)更完善，從而優(yōu)化設(shè)計，降低成本，提高施工質(zhì)量及效率。

1 BIM和VR技術(shù)

1）BIM，即建筑信息模型（building information modeling）技術(shù)，是在計算機輔助設(shè)計（CAD）等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項全生命周期多維建筑模型信息集成管理技術(shù)。受益于國家政策支持、工業(yè)4.0需求及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步的推動，BIM迅速在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。CAD制圖、3Dmax渲染等技術(shù)的聯(lián)合運用，讓建筑設(shè)計方案涉及的枯燥數(shù)據(jù)能以非常直觀的三維可視化形式呈現(xiàn)，既方便設(shè)計師直觀地調(diào)整數(shù)據(jù)和設(shè)計，又能讓非專業(yè)人士更容易看懂建筑，有助于設(shè)計師與客戶溝通。因此，近年來BIM技術(shù)以高效率、高精度的優(yōu)勢出現(xiàn)在建筑設(shè)計中，給建筑設(shè)計帶來創(chuàng)新思路。

2）虛擬現(xiàn)實（以下簡稱VR）技術(shù)，是綜合利用計算機圖形圖像系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設(shè)備，在計算機上生成可交互的三維環(huán)境中提供沉浸體驗的技術(shù)。VR技術(shù)實現(xiàn)的載體是虛擬現(xiàn)實仿真平臺，這是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)技術(shù)，其利用計算機生成模擬環(huán)境，利用多源信息融合的交互式三維動態(tài)視覺效果和實體定位的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸其中。近年來，VR技術(shù)在我國發(fā)展迅速，與VR相關(guān)的產(chǎn)品如展示設(shè)備、設(shè)計軟件等相繼而生，集中應(yīng)用在VR樣板間、云渲染家裝中。

2 BIM技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用

1）創(chuàng)造三維可視化模型 利用BIM技術(shù)建立的三維設(shè)計模型，其可視化表達(dá)能讓不同專業(yè)的人員更直觀了解設(shè)計方案，并能夠在材質(zhì)、構(gòu)造、整體外觀上展示整個方案設(shè)計；BIM模型有各自的屬性，能顯示物體的數(shù)量、面積、位置等重要信息。因此，BIM在建筑設(shè)計階段主要是進(jìn)行三維建筑設(shè)計或結(jié)構(gòu)設(shè)計，從方案到施工圖以至于后期的運營維護(hù)管理進(jìn)行全程服務(wù)。

2）提供專業(yè)協(xié)同的數(shù)據(jù)平臺 BIM技術(shù)能夠讓各個專業(yè)進(jìn)行協(xié)同工作，使各專業(yè)之間快速并及時掌握設(shè)計信息，有效提高設(shè)計速度與質(zhì)量。具體來說，BIM技術(shù)通過參數(shù)模型整合各種項目的相關(guān)信息，在項目策劃、運行和維護(hù)的全生命周期中進(jìn)行共享及傳遞，使工程技術(shù)人員對建筑信息做出正確的理解與高效的應(yīng)對，為設(shè)計團隊及建筑運營單位就各建設(shè)主體提供協(xié)同工作的技術(shù)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。從建筑設(shè)計的專業(yè)性來說，BIM技術(shù)已能很好地解決復(fù)雜工程的大數(shù)據(jù)創(chuàng)建、管理和共享應(yīng)用等問題，尤其在項目管理方面，在數(shù)據(jù)、技術(shù)和協(xié)同方面形成三大價值支撐，為建筑設(shè)計業(yè)快速發(fā)展提供技術(shù)支持。

3）設(shè)計優(yōu)化及圖紙輸出 BIM技術(shù)在設(shè)計階段可建立各構(gòu)件的基本數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析匯總后可得出工程預(yù)算及經(jīng)濟指標(biāo)，并根據(jù)建筑技術(shù)及經(jīng)濟指數(shù)的參考，選擇最合理的方案。在施工階段，BIM技術(shù)能夠進(jìn)行施工總平面圖優(yōu)化布置；對于大型構(gòu)件，可利用BIM技術(shù)實現(xiàn)虛擬拼裝，在方案不斷優(yōu)化過程中，節(jié)約人力及資金；對于已落實的設(shè)計方案，利用BIM技術(shù)可直接打印各個平面圖、立面圖、施工節(jié)點圖、大樣圖等，比傳統(tǒng)的CAD繪圖更快捷、精確、高效。

3 VR技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用

1）沉浸性作用 建筑方案注重功能性及裝飾性，在創(chuàng)作過程中，VR技術(shù)所構(gòu)建的場景模型來源于真實世界的數(shù)字模型，反映的是真實世界的一事一物，可讓用戶身臨其境體驗設(shè)計方案的最終效果，使方案呈現(xiàn)效果更具體、直觀，也更具人性化。利用VR技術(shù)可漫游、可沉浸的特性，當(dāng)用戶進(jìn)入虛擬場景中，便可預(yù)知設(shè)計方案的外觀造型是否美觀、比例是否協(xié)調(diào)、虛實結(jié)合是否合理；VR技術(shù)的720°環(huán)繞空間特性，讓用戶可近距離感受室內(nèi)設(shè)計整體效果，以及無死角觀察設(shè)計的各個細(xì)節(jié)，更可進(jìn)行多種方案直觀可視的效果對比，這些特征打破了設(shè)計不可見、不可預(yù)料的局限，使裝飾設(shè)計優(yōu)于傳統(tǒng)展示設(shè)計。

2）交互性作用 交互性是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。交互性能讓用戶在虛擬環(huán)境中對物體進(jìn)行觸碰，并得到物體的反饋，可對場景中的物體進(jìn)行實時移動、旋轉(zhuǎn)、替換，甚至可添加視頻播放，體驗場景聲效。VR技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計行業(yè)最實際的意義在于其獨特的交互性，可讓設(shè)計方案在施工過程少走彎路。從設(shè)計師角度來說，VR技術(shù)在調(diào)整設(shè)計元素時，可更清晰地分辨不同設(shè)計元素對整個設(shè)計方案的影響。利用VR技術(shù)沉浸式體驗設(shè)計作品在真實環(huán)境中的效果，觀察設(shè)計中的每個細(xì)節(jié)；利用VR的交互性嘗試在相同的空間中改造建筑結(jié)構(gòu)或更換材質(zhì)，在虛擬的三維世界中對設(shè)計進(jìn)行自由編輯，從而進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案，提高設(shè)計效率，完善設(shè)計表達(dá)。

3）自主性作用 VR技術(shù)的自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度，這種自主性極大地強化了用戶在虛擬世界中的沉浸感和交互性，可讓用戶在虛擬世界中主動探索設(shè)計方案中的每個細(xì)節(jié)，推敲設(shè)計方案中的各個元素存在是否合理。而且這種自主性對人的感官是一個爆發(fā)式的擴張延伸，也完全符合人對信息獲取直觀化、感官化的潛在需求。對于建筑設(shè)計師來說，全方位無死角地將建筑設(shè)計方案的每個細(xì)節(jié)暴露在用戶面前，也能驅(qū)動設(shè)計師更加精益求精地制作高品質(zhì)、值得推敲的設(shè)計方案。如此良性循環(huán)對建筑設(shè)計行業(yè)發(fā)展將是大浪淘沙、一路向前的健康趨勢。

4 BIM和VR技術(shù)結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用

4.1 在設(shè)計中的結(jié)合

在建筑設(shè)計過程中，設(shè)計者要對材料有充分的認(rèn)識，不同的材料搭配可更好地詮釋并表達(dá)建筑物的價值，因此，如何組合建筑材料與最終的室外方案展示有直接聯(lián)系。在BIM系統(tǒng)中嵌入VR技術(shù)，可構(gòu)建數(shù)千種材質(zhì)形成高精材質(zhì)庫，所有材質(zhì)均可進(jìn)行紋理尺寸、紋理方向、色彩、UV等參數(shù)的高度編輯，并可實時顯示與實時渲染出圖。設(shè)計師沉浸于VR構(gòu)建的設(shè)計方案虛擬空間中，可近距離觀察各種材料對整體方案的影響，滿足所見即所得所感的效果，為建筑設(shè)計提供無數(shù)可能。

在建筑設(shè)計上，光與色相輔相成，VR能將BIM構(gòu)建出的高精度建筑模型進(jìn)行光影效果測試，VR系統(tǒng)下可自由調(diào)節(jié)燈光強度、明暗、色溫、衰減，還能進(jìn)行光照的動態(tài)模擬，包括晴天、多云、黃昏、黎明、滿月、繁星等的光照效果。自然燈光與人工燈光結(jié)合，將建筑材質(zhì)的色澤肌理特點直觀生動地展現(xiàn)于用戶眼前。光、色、形的有機結(jié)合能凸顯建筑的特色與風(fēng)格，賦予建筑生命力。VR通過動態(tài)交互的方式讓光環(huán)境與建筑外觀融合，通過身臨其境的全方位的審視及強烈、逼真的視覺沖擊，使用戶更容易理解和感受設(shè)計師在設(shè)計方案時的絕妙之處。

在BIM設(shè)計中，最常見的問題是不同專業(yè)間的錯漏碰缺，設(shè)計者可通過VR技術(shù)進(jìn)入場景對各不合理的部位進(jìn)行檢查，預(yù)先發(fā)現(xiàn)并處理問題，甚至可以對復(fù)雜節(jié)點、難點進(jìn)行方案模擬，分析和比選實施方案。在設(shè)計階段盡早發(fā)現(xiàn)問題并及時處理，以免在后期施工中由于設(shè)計問題產(chǎn)生返修或重新設(shè)計而增加成本或延長工期。

現(xiàn)階段，BIM模型已經(jīng)很好地表達(dá)建筑產(chǎn)品在視覺上的形狀樣式，但與真實場景依然存在一定差距。而VR技術(shù)能讓BIM技術(shù)在視覺上更真實。VR技術(shù)具有逼真的渲染效果，在視覺、交互體驗上更真實，但VR技術(shù)在數(shù)據(jù)及信息的表達(dá)上不如BIM精確，因此將BIM與VR結(jié)合，可使建筑場景完成數(shù)據(jù)信息整合，也給用戶帶來感官上的體驗，有助于解決實際工程中遇到的問題。

4.2 在施工中的結(jié)合

BIM技術(shù)可解決如碰撞檢查、剖面圖砌體排布等技術(shù)問題；也可通過參數(shù)化模型的建立，檢查建筑設(shè)計方案的功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，能為建筑施工節(jié)約資金和人力成本。然而施工人員施工水平高低以及對設(shè)計方案各個要素的領(lǐng)悟程度，也是影響設(shè)計方案在施工過程能否順利進(jìn)行的因素之一。VR技術(shù)與BIM相結(jié)合，通過BIM高精度的數(shù)據(jù)構(gòu)建真實的設(shè)計方案，通過VR使施工人員真切體驗施工過程，并在逼真的場景中觀測施工節(jié)點及工法要求。

在裝配式施工中，BIM技術(shù)可制定完善的裝配式施工流程?；贐IM提供的三維建筑數(shù)據(jù)與施工流程及進(jìn)度計劃相連，利用VR技術(shù)的可視性進(jìn)行安裝演示及施工交底，有效加強施工現(xiàn)場人員對施工流程的理解。如大型建筑中的幕墻與鋼結(jié)構(gòu)施工，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件繁多，節(jié)點復(fù)雜，施工難度大。首先利用BIM技術(shù)創(chuàng)建精細(xì)的三維幕墻、鋼結(jié)構(gòu)信息模型，再通過BIM信息模型快速導(dǎo)出幕墻，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的預(yù)加工信息。利用BIM對幕墻參數(shù)化建模，可精細(xì)到每個幕墻單元，確保參數(shù)精度。幕墻的加工與安裝可在VR模式下完成，按照BIM模型的指導(dǎo)進(jìn)行預(yù)拼裝，模擬現(xiàn)場實際安裝的情況，可觀察施工進(jìn)度最真實的動態(tài)模擬，更容易理解施工工藝，對施工技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)風(fēng)險控制，保證施工質(zhì)量。利用BIM模型與VR技術(shù)進(jìn)行技術(shù)交底，在BIM模型基礎(chǔ)上觀察每個節(jié)點的細(xì)部結(jié)構(gòu)，使施工人員對工程的重難點、關(guān)鍵節(jié)點、施工質(zhì)量控制點、關(guān)鍵部位施工方法與措施等有了全面了解，為實際施工與施工交底進(jìn)行科學(xué)部署與組織，使施工更加準(zhǔn)確、經(jīng)濟、安全。

VR技術(shù)通過結(jié)合BIM高精度的數(shù)據(jù)庫，引入先進(jìn)的虛幻引擎4，建立高度逼真且可實時互動的虛擬施工現(xiàn)場。通過將設(shè)計方案融入VR技術(shù)的三維立體場景后，項目管理方可安排施工人員進(jìn)行模擬施工和安全培訓(xùn)。在模擬施工方面，針對設(shè)計方案中容易出錯的部位進(jìn)行模擬施工，這樣就能及時發(fā)現(xiàn)問題并及時修正，避免施工過程出現(xiàn)無法修正的錯誤，從而更進(jìn)一步實現(xiàn)成本控制。在安全培訓(xùn)方面，當(dāng)體驗者戴上VR眼鏡后，會置身于整個工程當(dāng)中，可以在虛擬場景中隨意“進(jìn)出”“攀爬”，感受日夜交替下的工程場景，切實感受工程施工中的危險。相較傳統(tǒng)的安全培訓(xùn)，這種通過VR技術(shù)組織的模擬施工和安全培訓(xùn)，可激發(fā)工人參加安全教育的積極性，增強工人對安全事故的感性認(rèn)識。而虛擬的場景不受場地、時間限制，可進(jìn)行安全的反復(fù)操作；體驗人員對于細(xì)節(jié)節(jié)點、重難點的攻破，還可結(jié)合自身經(jīng)驗讓方案更優(yōu)化，從而提高施工質(zhì)量，避免材料及人工浪費，做到綠色施工。

5 結(jié)語

基于BIM高精準(zhǔn)的專業(yè)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建的虛擬空間，可無限接近真實施工場景，從而避開施工過程可能遇到的諸多問題，大大提升施工效率。利用3D引擎，渲染出具有真實物理屬性的建筑實體，給用戶不一樣的視覺沖擊；利用VR沉浸式進(jìn)行各種碰撞試驗，使設(shè)計更形象、更人性化，而融入虛擬空間演習(xí)施工過程，使施工人員的安全得到更有效保障。BIM技術(shù)與VR技術(shù)的有機結(jié)合，綜合利用BIM強大的數(shù)據(jù)與3D可視技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計方案，有利于減少項目變更及材料浪費，縮短工期，最終得到最大化效益。