張 穎,陳 虹,唐映年
(成都工業(yè)學院,四川 成都 611730)
BIM 即建筑信息模型(Building Information Modeling) ,是對設施的物理特征和功能特性的數字化表示,它可以作為信息的共享源從項目的準備階段為項目提供全生命周期的信息服務,這種信息的共享可以為項目決策提供可靠的保證[1]。
VR 即虛擬現實技術(Virtual Reality) ,這種技術把真實度極高的視覺、觸覺、聽覺有機結合,營造一種虛擬環(huán)境,讓置身其中的人們體驗感極強,與此同時,結合一些技術設備,使得使用者在現實環(huán)境中,可以進行信息反饋,并在虛擬環(huán)境中得以體現[2]。
BIM 為VR 技術提供了虛擬仿真所必要的模型和信息,VR 技術替BIM 技術解決了最大化的視感和觸感。VR 和BIM 的結合使得場布更具信息化、可視化的特點,加強對施工過程的管理能力。二者結合,可以切實地通過視覺、觸覺對實際工程的問題進行解決。本文著重研究基于BIM 的VR 技術在場布設計中的應用。
在國家行業(yè)信息發(fā)展的影響下,二者的結合也成為了必然的發(fā)展導向,以全面優(yōu)化建筑工程的各項環(huán)節(jié)。BIM 需要VR 提供虛擬場景以提升用戶體驗,VR 需要BIM 提供模型數據和信息,BIM 優(yōu)勢是能夠讓信息數據化,而VR 優(yōu)勢是能夠把信息反饋出來,二者需求互補,優(yōu)勢互補,市場需求極大,兩種技術的結合可以使得建筑行業(yè)更加長遠的發(fā)展。
根據當下發(fā)展狀況,BIM 技術與VR 技術結合從形式上來說可分為間接效果結合與直接數據結合,即分為“BIM+VR”與“BIMVR”兩種形式。其中,“BIMVR”形式致力于場景環(huán)境綜合效果和畫面幀率,但這種結合方式完全拋棄BIM 模型本身的信息,只對外觀效果進行優(yōu)化。而“BIMVR”形式可以體驗BIM 模型的空間與外在展示效果,還可以直接選擇、讀取、修改BIM 模型中的構件屬性等操作,更符合基于BIM 技術的VR 技術在場布設計方面的未來發(fā)展趨勢,本文以“BIMVR”形式著重討論基于BIM 技術的VR 技術在場布設計中的應用。
VR 技術所帶來的虛擬場景、視覺和觸覺的全新體驗是傳統的場布設計過程中所不具有的。以VR 技術所含有的基本特征為基礎,以下是基于BIM 對于VR 技術在場布設計中特點的詳細分析。
2.2.1VR 將BIM 的可視化完美展示
VR 將BIM 的數字模型完美展示,對數據信息進行模式化處理。在場布布置中,可以利用VR 技術高度還原真實世界,通過仿真動態(tài)展示將周圍原有建筑、原有景觀、原有道路等方面流暢展示,它可以細致到草本植物、廣告牌、標語等提供準確具體的分析數據,保證施工方案最優(yōu)化。例如,如果將此應用到汽車站內,則可以帶入乘客身份,你將看到在立體化的環(huán)境,并且可以隨意走動,你能切身感受到售票廳是否便捷、候車室座椅是否舒適、扶梯的高低、站臺是否美觀。你可以注意到每個細節(jié),就如身處其中一樣,感受將完全與傳統的想象不同。
2.2.2VR 技術可以協助設計更好的景觀
VR 給BIM 模型賦予顏色、材質,給人良好的交互式體驗。VR 技術的融入絕對不僅僅是視覺上的不同,它還可設置一草一木、材質、地磚鋪設的方法等,設計師可以直觀感受植物布置是否合理,整體布置是否符合要求,幫助設計師更為直觀的創(chuàng)意設計。例如,如果將此應用到公園之中,設計師可以直觀感受到設計方案,包括公園里的花草樹木、建筑物墻面的裝飾、公園椅子的設計等。VR 技術的融入,可以從各個不同的小細節(jié)協助設計師設計更優(yōu)美的景觀。
本工程為養(yǎng)老康復中心工程A 座(養(yǎng)護中心——介護) ,地上6 層,耐火等級一級,基地位于先農壇路以南,千佛山路以東。建筑總面積12 043. 89 m2,建筑高度23.98 m,本工程結構形式為框架結構,走廊及療養(yǎng)室均采用吊頂??祻椭行牡墓δ芊謪^(qū)主要包括康復醫(yī)療區(qū)、培訓科研區(qū)、辦公與后勤保障區(qū),還可根據自身發(fā)展和立項情況設立居住生活區(qū)和預留發(fā)展區(qū)。醫(yī)療康復區(qū)位于園區(qū)主體,居中心位置,且臨近主要交通要道,其他功能沿周邊布置,同時應充分預留發(fā)展用地。以本工程為例說明基于BIM 技術的VR 技術在場布設計中的應用。
該工程質量標準高,要求符合療養(yǎng)、盥洗、配電等多方面要求; 且不同于常見的方正建筑,外墻傾斜,且為折線形建筑,具體外觀形態(tài)如圖1 所示。該建筑的特征為工程量大,施工流程復雜,尤其建筑物獨特外形,需要專業(yè)的技術把控。
圖1 養(yǎng)老康復中心工程A 座模型圖
根據實際應用和操作,分為建模階段和BIM 融入VR 階段。
3.3.1建模階段
在BIM 建模階段,利用Revit 2018 對模型進行創(chuàng)建。在Revit 2018 中,先識圖,然后分為兩個部分繪制。第一部分為土建部分,導入CAD 圖紙,繪制標高、軸網,再繪制基礎、柱等承重結構,接著繪制梁、墻、樓板、樓梯、室外臺階、屋等等。第二部分為安裝部分,根據安裝圖紙的電氣、暖通、給排水的布置具體繪制電氣線路,給排水管道、暖通管道,并嚴格按照管線布置原則,對安裝模型整合時進行調整。將土建、安裝等模型信息進行整合,完成模型創(chuàng)建。在繪制完成后對模型進行扣減,進行管線的碰撞檢查、外墻裝飾、室外散水等一系列精細化處理。
3.3.2BIM 融入VR
BIM 融入VR 需要對模型的光線、畫面、天氣等進行深化設計。首先,將完成的BIM 模型導入相關軟件創(chuàng)建模型。其次,對燈光效果進行設置,包括平行光的設置、點光源的設置、聚光燈的設置、照明設置等,確保晝夜光線充足。接著,還需要對場內各類構件的材質進行調整,比如公共座椅、水池、地磚等,增加視覺效果。然后,需要添加濾鏡,對畫面進行增強處理、樹木和風區(qū)場景設置、天空場景設置,并且,還可對四季天氣場景進行設置。此外,還需要進行交互設計,例如移動路徑交互、觀察點交互等。最后,需要將場景打包上傳瀏覽、檢查VR 場景。在這個場景中,設計師可以按照想法輸出效果,可任意導出漫游路線、漫游視頻等。
在整個設計過程中,設計師需要根據設計思路或者客戶需求設計,在設計時參照已有建筑風格、晝夜不同使用需求、療養(yǎng)院特殊需求設計,設計道路、電路、管道、照明、材質等,彌補BIM 技術靜態(tài)可視化缺陷,進行深化設計,將場布設計更為精細和美觀。通過計算機程序的運作處理之后,畫面還可以傳送到手機和電腦上,體驗者只需要帶上專業(yè)設備,就可以在虛擬場景下任意走動,提前感知設計方案細節(jié)以及其合理性,充分保證方案的最優(yōu)化。
在實際操作過程中,“BIMVR”形式可以融入到場布設計的各個階段,都可以協助設計,美化場景。下文將通過場布設計的準備階段、初步運用階段、深化階段、總結階段闡述。
3.4.1準備階段
在準備階段,幫助設計人員對內外環(huán)境充分了解,初步設計施工階段的場布。在場布設計的準備階段,可先模擬已有建筑的分布以及具體的外觀形態(tài),建筑結構以及使用功能等因素,模擬出一個虛擬場景。這不僅可以根據原有建筑設計,兼顧場布內外布置,而且如果存在一些特殊性質物體,例如場地內有電線桿或者高壓線、當地特色植物種類時,在場布的設計中還需要考慮安全和特色植物保護等,充分考慮設計方案的合理性。
在準備階段,尤為需要全局、整體考慮。首先,需要考慮電線、管道的布置和道路的走向:將臨時用電和永久用電相結合,將臨時用水和永久用水相結合,將臨時道路使用和永久道路相結合,以便節(jié)省投資,減少浪費。然后,需要考慮材料堆放、給排水布置、板房布置等,既要保證安全防火,保護環(huán)境,又要做到有利施工,方便生活。在設計完成后,可以利用VR 技術對施工現場進行安全測試。設計人員可以模擬施工人員,在場內模擬施工,考慮可能會出現的安全事故,提前做好防范措施。
3.4.2初步運用階段
在初步運用階段,可協助設計人員快速直觀查看模擬方案。尤其在初步運用階段,可以根據當地的文化習俗、居民習慣、使用者的情緒因素,適當考慮添加一些特色元素、特色景觀或者人性化設計。例如,可以根據建筑物實際應用,滿足使用者對白天和夜間不同的使用需求,白天則需要模擬太陽光照射,晚上則需要模擬路燈等照明設備,幫助設計人員合理設置座椅位置和路燈位置,既需要保證白天的行人的休息,也要保證夜晚的燈光效果,還需要保證安全運行、節(jié)能運行,而虛擬場景可以給設計人員帶來一個很直觀的感受作為設計參考,例如,圖2 為養(yǎng)老康復中心A 座模擬白天光照圖。不僅如此,虛擬場景也可以幫助設計人員及時調節(jié)方案需要達到的硬性要求,例如標高要求,道路要求,噪聲源要求,綠化要求等。除此以外,還有在設計過程中,可以根據虛擬場景合理選擇材料、材質,比如道路材質、公園椅子材質和健身設備材質等等[3-4]。
圖2 模擬白天光照圖
3.4.3深化階段
在深化階段,可解決設計中存在的管線碰撞等問題,優(yōu)化設計方案。管道沖突或者安裝不合理,是由于設計人員的信息不能及時共享,造成不合理的設計。后期的修改會延長設計階段的時間,甚至可能達不到預期效果。在虛擬設計中,設計人員可以根據使用功能來設置相應的燃氣、排水以及供電供暖管道設施,合理設計管道。首先,在設計過程中,基于虛擬場景,可以打破傳統設計信息的共享不充分、不及時,各專業(yè)管道信息可以得到整合并且共享給各個設計人員觀看,實時變換,多角度觀察,方便設計人員之間的討論和修改。如果發(fā)生碰撞,首先可以在虛擬場景內進行碰撞檢查,分別對給排水、暖通、燃氣管道碰撞原因進行分析,得到碰撞點結果,根據碰撞的圖元,對碰撞的通道做出合理的處理,消除解決碰撞問題的同時,控制保證其基本功能,達到精細化設計。其次,由于信息的共享不及時,在設計工程中,各專業(yè)的設計人員可以互相監(jiān)督有沒有設計達到預埋管道的要求,并及時和其他設計人員溝通,做出更改,避免反復碰撞,反復更改。
3.4.4決策階段
決策階段可協助體驗者直觀體驗和了解設計方案。在這個階段,基于BIM 技術的VR 技術仍然有獨特的優(yōu)勢。不僅設計人員可以直接體驗設計方案,而且,VR 技術可以給甲方帶來一種全新的認知和感知,快速在場布內漫游,直觀感受到設計方案的要點和特點。同時,VR技術可以提前設計好漫游路線,還可以根據現場需求,快速現場設置漫游路線,相較于傳統的展示方式,避免視頻流水般的展示,需要體驗者人為想象,VR 融入可以帶來身臨其境的感覺。除此以外,他們可以切換季節(jié)、天氣、晝夜等,從各個不同的角度直觀感受整體設計,還可以查看設計的材質,幫助他們對整個設計方案短時間內全面了解,提升他們的體驗感和滿意度。如果方案還需要再次更改,也為雙方的溝通提供了保障,雙方都可以在場布內快速、準確理解對方想法,為二者溝通帶來便捷。
3.4.5總結階段
總結階段可保存數據作為案例,用于學習和交流。由于數據保存較傳統資料保存更加易于保存,也更為便捷和直觀。某些公司會對設計人員進行長期培訓,尤其是在某些大型項目設計之前。對于一些優(yōu)秀的設計方案,公司可以利用BIM 技術和VR 技術建立虛擬模型,多組織相關的設計人員學習優(yōu)秀場布設計項目的施工經驗,虛擬場景帶來的真實的質感也很能幫助相關設計人員快速直觀感受優(yōu)勢和劣勢,提升他們的設計水平。并且,這些數據可以反復多次使用,長久平均下來投入較小。同時,保存的數據也可為后期設計階段的改造方案的編制提供有力依據,也可用于各個單位之間或者行業(yè)與行業(yè)之間的溝通交流,方便后期應用于建筑改造和行業(yè)內外交流。設計階段的場布全景圖見圖3。
圖3 設計階段的場布全景圖
雖然二者結合存在著很多優(yōu)點,但是它的缺點是致命的,也是目前和未來一段時間無法解決的。具體如下:
1) 技術還不完善。目前BIM 技術和VR 技術都還存在多方面難題,如果想要在BIM 技術和VR 技術上實現進一步發(fā)展,還需要克服很多難題,需要持續(xù)、健康、長久的發(fā)展。
2) 價格昂貴。雖然BIM 模型制作成本較低,但是由于VR 技術對于網絡、內存多方面的限制,如果想要提高用戶全新體驗,需要很多昂貴設備輔助,這還不能保證可以運行所有項目場景,再加上頭盔、眼罩等用品,一次性投入較大,價格昂貴。
3) 安全隱患。由于VR 技術需要大量的線路材料支持,導致演示廳內電線復雜,又由于體驗者戴著眼罩的同時,還需要拖著長長的電線走路,導致體驗者容易被絆倒。此外,一旦設備受潮,電路短路,可能會發(fā)生安全事故。
本文通過“BIMVR”形式將建筑信息模型(BIM)和虛擬現實(VR) 技術有機的結合起來,以實際工程為案例,研究了基于BIM 的VR 技術在場布設計中的具體應用以及挑戰(zhàn)?!癇IMVR”形式 未來發(fā)展?jié)摿薮螅粌H可以提高設計和施工效率,以及節(jié)省材料,減少浪費,還能給大眾帶來沉浸式的全新體驗感,將會持續(xù)、有效的促進我國建筑發(fā)展事業(yè)的不斷進步。