基于BIM技术的大型建筑景观三维仿真系统设计与实现

朱子君+张玉龙+崔玲玲+曹海云

摘 要： 建筑景观项目具有多样性、复杂性的特点，导致传统解析法在设计建筑景观三维图像过程中各指标之间的关联性较低、建模效率低、图像质量差。提出一种基于建筑景观信息模型（BIM）技术的大型建筑景观三维仿真系统，采用BIM中的Navisworks对建筑景观项目进行整合、阅览，给出了建筑景观Navisworks信息的组织形式。基于COM开发Navisworks三维仿真平台，依靠Navisworks软件平台实现建筑景观模型与仿真数据的三维展现。采用CAD实体建模技术，实现大型建筑景观三维仿真系统的建模，并在Navisworks可视化软件中对建筑三维仿真模型进行渲染，得出建筑景观三维仿真图像。给出建筑景观三维仿真系统的具体实现方案，并依据动态演示功能，掌握建筑景观三维仿真的施工进度。实验结果表明，所设计系统构建的大型建筑景观三维仿真图像清晰度高、系统耗时短、性能优。

关键词： BIM； 建筑景观； 三维仿真图像； 仿真系统

中图分类号： TN911?34； TU990.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）04?0111?04

Design and implementation of large?scale building landscape 3D simulation system

based on BIM technology

ZHU Zijun， ZHANG Yulong， CUI Lingling， CAO Haiyun

（Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract： The building landscape project has the characteristics of diversity and complexity， which lead to the low correlation among each indicator， low modeling efficiency and poor image quality while using the traditional analytic method in the design process of the building landscape 3D images， so a large?scale building landscape 3D simulation system based on building information model （BIM） technology is proposed. The Navisworks in BIM is used to integrate and read the building landscape project. The Navisworks information organization form of the building landscape is given. The Navisworks 3D simulation platform was developed based on COM. The 3D display of the building landscape model and simulation data was realized by means of Navisworks software platform. The CAD entity modeling technology is adopted to model the large?scale building landscape 3D simulation system， and render the building 3D simulation model in Navisworks visualization software to obtain the building landscape 3D simulation image. The specific implementation scheme of the building landscape 3D simulation system is given. The construction progress of the building landscape 3D simulation is mastered according to the dynamic demonstration function. The experimental results show that the large?scale building landscape 3D simulation image constructed by the system has high resolution， and the system has short time consumption and optimal performance.

Keywords： BIM； building landscape； 3D simulation image； simulation system

0 引 言

随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，建筑行业也呈现出繁荣的发展态势[1?3]。高质量的建筑规划方法可大大降低项目成本，还能够加快设计、施工、运营等各个阶段的进度，在此基础上还保证了建筑品质，给投资企业带来可观的利润[4?6]。建筑规划方法中的关键部分是建筑景观的三维仿真塑造方法。因此，寻求有效的建筑景观三维仿真塑造方法，具有重要的应用价值。但是目前的建筑景观三维仿真系统都存在一些缺点，如文献[7]提到的HCAD建筑仿真系统，基于Auto CAD等第三方软件平台对建筑仿真系统进行二次开发，对建筑施工图进行绘制、设计。该方法的缺点为在三维仿真方面技术成熟度较低，只能进行简单的二维建筑规划、绘图等工作，实用性不高。文献[8]设计了OpenGL建筑景观仿真系统，将地理信息数据加入建筑景观仿真系统中，让二维设计与地理信息密切结合，更好地显示建筑景观的仿真效果。但在建筑景观仿真过程中，该系统的计算量较大，延长了建筑设计周期，增加了成本消耗。文献[9]提出了基于遗传算法的建筑景观设计，此方法将建筑景观的设计简单而抽象地表达为数学函数模型，通过计算得出建筑景观中变量的关联性，依据该关联性进行建筑模型设计。该方法中的数学函数式不能清楚地表达建筑模型中各变量间的关系，而且对于建筑景观与各变量之间的影响分析不明确，不能满足目前对建筑景观设计的需求。

为了解决以上的问题，提出一种基于BIM技术的大型建筑景观三维仿真系统。实验表明，所设计系统构建的大型建筑景观三维仿真图像清晰度高、系统耗时短、性能优。

1 大型建筑景观三维仿真系统设计与实现

建筑信息模型即为BIM（Building Information Modeling）技术，它是将建筑景观的全部信息通过数字仿真的形式表现出来，其中包括三维几何形状数据与非几何数据信息，比如建筑项目所需的材料、价格、项目进度等数据。

1.1 分析建筑景观三维仿真系统的构建平台

Navisworks软件平台在建筑信息模型（BIM）工作流中处于关键地位。采用Navisworks塑造建筑景观三维仿真系统时，项目规划人员在Navisworks软件平台上，对建筑景观项目进行整合、阅览，获取建筑景观三维仿真模型，协助用户得到建筑景观的信息模型（BIM），给建筑景观项目相关方的工作增加核心竞争力，加快工程进度。Navisworks软件平台将Auto CAD 和Revit软件塑造的设计数据，与其他设计工具获取的信息融合，塑造成建筑景观三维模型，将建筑景观设计方案以三维仿真形式进行预览。基于BIM技术的大型建筑景观三维仿真不但包括施工现场的填挖情况、施工进度等动态逻辑关系，还有关于建筑施工场地、环境、建筑物位置等空间信息。建筑景观三维仿真工程进度时间数据导入功能和外部数据库连接功能，能够及时获取建筑景观三维仿真处理时间和建筑工程的数据信息。其中，建筑景观的Navisworks信息组织形式如图1所示。Navisworks平台中的三维数字模型和三维数据信息依靠标示符关联在一起，按照特定规则将建筑景观三维模型和具体时间参数连接，让各个图形单元快速组成三维数字模型，并与时间参数建立对应关系，以达到直观表达建筑景观三维仿真的目标。其中，建筑景观三维模型与进度规则如图2所示。

1.2 基于BIM的大型建筑景观三维仿真系统的开发

1.2.1 采用API应用程序接口拓展系统

BIM中的Navisworks软件平台，能够根据用户操作的熟练程度，提供满足不同用户需求的建筑景观三维模型。Navisworks支持软件平台二次开发，并且提供了API应用程序接口，对建筑景观三维仿真系统进行拓展，满足用户的不同需求。API应用程序接口的主要功能如下：

（1） 为了加强他人对于建筑景观设计理念的理解，将设计的建筑景观三维仿真模型交互式版本放在互联网上，以供浏览；

（2） 将Navisworks中设计的建筑景观对象信息与外部数据库相关联。用户可进行模型审阅、建筑地点访问、查看运营信息等活动；

（3） 设计图集能够自动写入Navisworks软件平台中，生成实时报告；

（4） 在用户的应用系统中插入交互式三维窗口，将设计图像輸出至图片文件储存器中，在Navisworks存入快照，并将Navisworks用作GUI组件查看建筑景观的三维界面；

（5） 将建筑景观三维仿真模型中的冲突报告、特殊图像全部输出为HTML格式报告。

1.2.2 基于COM开发Navisworks三维仿真平台

Navisworks使用基于COM 的开发方式。COM 接口较为简单，可通过多种编程语言编写代码。将建筑景观组件作为发布单元的对象模型即为COM（Component Object Model）。其中的建筑景观组件根据COM规则编写，用WIN32动态链接库形式发布可被执行的C语言二进制代码。COM规则中的核心部分为建筑景观对象与接口。接口是一组函数模型的具体数据结构，用户可以根据此数据结构调用组件对象。被封装的组件对象一般通过动态数据库的形式呈现。COM总体结构如图3所示。

COM 支持大部分和Navisworks 等价的功能，如操作文档、运行动画、设置视点等功能。并且可将建筑景观三维仿真模型与外部 Excel 电子表格连接，在软件窗口的对象特性区域显示建筑景观信息；将建筑景观三维仿真模型进度同 Microsoft Project 链接，设置建筑景观三维仿真项目的时间进度。

1.2.3 大型建筑景观三维仿真建模

（1） 建筑景观三维仿真系统数据处理流程。构建建筑景观三维仿真模型，可实现建筑项目可视化审阅和分析。三维仿真模型能够清晰地表现出施工现场及工程内建筑物的动态信息，包括施工位置、渣料场的使用状况、地形挖填状况等，都能被清楚地展示出来。采用第1.2.2节塑造的Navisworks三维仿真平台，可快速生成建筑景观场景的三维仿真图像。Navisworks三维仿真平台依靠数据采集、地形数字化与建筑物建模等步骤，把建筑参数信息导入Navisworks中进行渲染，得出建筑景观三维仿真图像。建筑景观三维仿真系统数据的具体处理过程如图4所示。

（2） 建筑景观三维建模。Navisworks软件平台通过CAD实体建模技术，实现大型建筑景观三维仿真建模。将建筑物按照二维设计的方式划分为独立的部分，分析各部分间的关系，确定建筑物的具体空间形体信息。由于建筑物多数都是不规则形状，所以需对不规则形状的部分进行精密划分，规范成具体形状，如矩形、棱柱、圆柱等，再依靠CAD软件平台绘制出建筑景观各个部分的三维仿真模型。其中无法精密划分的不规则建筑景观形状会自动组成单元，通过多次修改编辑，得到基本图元。将基本图元参照空间结构关系层次依次组合，构成整体建筑景观三维仿真模型，如图5所示。在Navisworks可视化软件中添加建筑三维仿真模型，进行渲染，得出建筑景观三维仿真图像，如图6所示。

2 基于BIM的大型建筑景观三维仿真系统的实现

2.1 建筑景观三维仿真系统实现方案

基于BIM技术中Navisworks软件平台的特点与优势，设计建筑景观三维仿真系统的二次开发功能，完成大型建筑景观三维仿真系统的搭建。基于BIM技术的大型建筑景观三维仿真系统带有人机接口，具有操作简单，便于维护的优点，实用性高。建筑景观三维仿真系统的实现流程为：根据建筑景观项目中建筑景观的特点与周边枢纽情况，制定设计建筑景观三维仿真工程中所需的三维仿真模型；再将该三维仿真模型添加到Navisworks软件平台中进行渲染，使得三维仿真模型中的动态仿真数据信息转化为能够被Navisworks软件平台读取的文件格式。Navisworks软件平台规划出时间参数信息及属性信息后，依靠Navisworks软件平台中的二次开发功能，完成对于大型建筑景观的三维仿真仿真处理，具体过程如图7所示。图7中描述的大型建筑景观三维仿真系统的主要功能有：动态演示建筑景观三维仿真建模的施工过程，动态演示分项建模工程施工状况，建筑景观建模中仿真数据的可视化处理。

2.2 建筑景观三维仿真的施工过程动态演示

Navisworks软件平台中的Time Liner模块能够对建筑景观三维仿真的施工过程进行动态演示。Time Liner模块将用户上传的建筑三维仿真数字模型与施工进度进行整合，采用实体句柄作为标示符，制定起始外观状态与任务类型，生成建筑景观三维仿真建模施工过程的三维动画。建筑施工场景中的巡航动画由Animator 模块制作完成，巡航动画可以与Time Liner动画相连，使用户能从不同角度审阅建筑景观三维仿真的动态施工情况，把握建筑景观三维仿真的具体施工进度。图8为某时刻建筑景观三维仿真的施工状况。

3 实验分析

为了验证本文提出的基于BIM技术的大型建筑景观三维仿真系统的有效性，进行实验分析。

3.1 建筑景观三维仿真图像质量分析

为了验证本文方法构建的建筑景观三维仿真图像质量，进行实验分析。实验分别用传统解析法和本文方法，对某地区的大型建筑景观进行三维仿真处理。实验结果在512 MB内存、32 MB显存的计算机客户端显示。采用本文方法构建的建筑景观三维仿真图，如图9所示，采用解析法构建的建筑景观三维仿真图，如图10所示。

由图9、图10可见，使用本文方法绘制出的大型建筑景观三维仿真图像逼真、清晰，而传统解析法模糊、不直观。说明本文方法对于大型建筑景观的三维仿真处理能力明显优于传统解析法，可获取令人满意的结果。

3.2 耗时分析

实验采用传统解析法和本文方法，对实验建筑景观进行三维仿真处理。实验过程中，两种方法的耗时情况如图11所示。

分析图11可得，本文方法在塑造建筑景观三维仿真图过程中消耗的时间远远低于传统解析法，具有较高的处理效率。

3.3 设计性能分析

为了验证本文提出的方法在性能上具有优越性，对本文方法的设计性能进行分析。实验采用传统解析法和本文方法，對建筑景观进行三维仿真处理，对比其中各项参数，进行性能分析。实验结果如表1所示。

分析表1可知，传统解析法在建筑景观设计过程中，工程费用率高、耗能多、作业效率低、性能较差，不能满足各个性能指标的需求。而本文方法在设计过程中，各项性能指标都优于解析法，设计性能明显优于传统解析法，具有较高的优势。

4 结 论

本文提出一种基于BIM技术的大型建筑景观三维仿真系统，采用建筑景观信息模型中的Navisworks对建筑景观项目进行整合、阅览，给出了建筑景观Navisworks信息的组织形式。基于COM开发Navisworks三维仿真平台，依靠Navisworks软件平台实现建筑景观模型与仿真数据的三维展现。采用CAD实体建模技术，实现大型建筑景观三维仿真系统的建模，并在Navisworks可视化软件中对建筑三维仿真模型进行渲染，得出建筑景观三维仿真图像。给出建筑景观三维仿真系统的具体实现方案，并依据动态演示功能，掌握建筑景观三维仿真的施工进度。实验表明，所设计系统构建的大型建筑景观三维仿真图像清晰度高、系统耗时短、性能优。

参考文献

[1] 邵光华，高爱丽，谭晓慧，等.BIM技术在某建筑实例排水管道设计中的应用[J].青岛理工大学学报，2015，36（1）：90?95.

[2] 王凯，李嘉军，刘翀，等.基于BIM的复杂建筑群体数字化协同设计的实践：后世博B片区央企总部为例[J].土木建筑工程信息技术，2014，6（4）：1?10.

[3] 罗中.基于BIM技术构建三维仿真施工模拟课堂[J].山西建筑，2015，41（27）：239?240.

[4] 张立华.BIM技术在建筑设计阶段的模型构建研究[J].现代电子技术，2016，39（1）：113?117.

[5] 李良威，李朝阳，徐剑，等.BIM技术在牵引供电系统设计中的应用研究[J].铁路技术创新，2014，33（2）：36?39.

[6] 戴玮，郑岗.基于BIM技术的三维数字化桥梁设计与管理[J].工程与建设，2014，28（6）：724?726.

[7] 周恩俊，莫孝均.基于BIM技术的铸造厂房工艺设计[J].铸造工程，2015，39（2）：25?28.

[8] 李少华，张贺，车德勇，等.火电站建设施工过程三维仿真系统的研究[J].计算机仿真，2014，31（9）：121?125.

[9] 蒙少青，罗岱.基于人体行为成像三维仿真系统设计[J].计算机仿真，2015，32（5）：428?431.