BIM结合VR技术在城市地下工程中的应用

(上海理工大学土木工程系，上海 200093)

1 引言

随着城市化进程加快，我国地下空间工程建设发展迅速。但由于地下工程多属隐蔽工程，项目的规划、设计、施工等存在诸多问题，如缺乏科学性、系统的规划，协同设计体系与技术规范不完善，施工信息管理手段落后等。建筑信息模型(BIM)作为一种全新的项目理念，正在成为消除“信息孤岛”的重要手段[1]。利用BIM的统筹协调性、优化性、可出图性、模拟性和三维可视化能够有效地解决城市地下工程施工存在的问题。同时，BIM还有强大的3D参数化建模功能。BIM创建的模型当中不仅有三维建筑物理模型，更包含2D文本信息，如施工规范、质量检查标准及其他信息的注释等[2]。

虚拟现实技术Virtual Reality(VR)是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，有视觉、听觉和触觉等感官模拟。它的本质是把人的意识带入到一个虚拟世界，而看到的场景和人物都是假的。城市地下工程施工过程中信息庞杂，设计系统多，传统的点对点协同共享造成各方理解的不一致，致使效率低下，影响施工质量。BIM结合VR技术，会将BIM的三维可视化发挥到极致，两者结合应用到城市地下工程中，工作人员不仅能够身临其境地体验施工过程，还能清楚细致地看到工艺工法，解决了地下工程施工空间有限以及各类管线错综复杂而容易引起的施工安全与质量问题。

2 研究思路

BIM以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。首先，利用BIM建模软件revit建立基础模型，相对于3ds MAX建模而言，revit能够表达一些细部的模型构件。再从revit中导出FBX格式的3D模型。FBX格式模型是带有材质信息的，但输出很多面与点，可能会造成导入3ds MAX中场景不流畅，画面不清晰。DWG格式模型也能导入到3ds MAX中，但是不附带材质信息，需要设置贴图，笔者选用的是导出FBX格式导入到3ds MAX中，在3ds MAX中进行微调，如外观调整、添加灯光效果等。其中，在3ds MAX中进行渲染时需要将渲染器换成插件vary渲染器，在此渲染器中调整相机类型。再利用关键帧设置动画，动画以avi格式导出，在格式转换软件中转换成MP4格式，导入VR视频播放软件暴风魔镜VR中，调整暴风魔镜VR的观看模式，再佩戴VR眼镜，实现手机端的虚拟现实建筑施工体验。以亲身体验的方式与虚拟环境中的数字模型进行交互，研究思路如图1所示。

图1 技术路线示意图

基于以上研究思路，在城市地下工程中，以桩基工程为例，结合BIM与VR技术展开研究，具体实施步骤如下文。

3 BIM结合VR技术的桩基施工模拟

3.1 Revit建模

Revit建模原理是基于软件自带族构件快速生成三维常规模型，对于异形结构需要载入外来族文件，或者利用内建模型的方式来创建BIM模型[3]。在一个项目中，分为模型图元、基准图元和专有视图元，模型图元包括了主体和构件，加上基准图元中的标高和轴网和专有视图元中的标注和详图，一个清楚易见的3D模型就建造完成。此外，根据Revit族构件的种类，模型当中还可以表达一些细部的模型构件，如建立的桩基模型中，连接上部结构和下部结构的承台的尺寸可以清晰可见，承台的材质和钢筋用量及型号都在模型当中(如图2所示)。承台的几何参数应在属性的编辑类型栏中修改保存，以保证构件几何信息的准确性。

图2 桩基承台构件信息

3.2 导入到3ds MAX

3.2.1 3ds MAX

3ds MAX是一款功能强大的三维图像及动画制作软件，在网络游戏、室内设计、影视广告领域表现突出。具有多种三维建模方法，包括多边形建模，NUBRS建模、细分曲面技术、基于图像的绘制能够创建逼真的建筑动画[4]。随着计算机软硬件的发展，三维技术在建筑设计表现中发挥着不可替代的作用。而三维模型的制作是三维效果表现的关键。利用3ds MAX的渲染和动画制作优势，对revit中的3D模型进行加工与处理。

3.2.2 3ds MAX渲染

将模型从revit导入到3ds MAX中，有两种导入方式。第一种是在revit中保存为FBX文件格式，直接以链接FBX导入； 第二种是在revit中保存为DWG格式，以外部文件格式导入到3ds MAX中。FBX格式导入会比较慢一些，整个模型运行也不太流畅，但是相对于DWG格式，它附带了构件参数，如导入3ds MAX后，钻孔灌注桩用的混凝土材质也一并带进3ds MAX，并且在3ds MAX的透视图中，画面感也比DWG格式的更好。两种格式导入对比图如图3所示。

图3 DWG格式和FBX格式导入对比图

将模型导入3ds MAX中后，进行了一个灯光的微调渲染。选择“渲染—高级照明—光线追踪”命令，打开渲染设置，将渲染器从默认扫描线渲染器换成Vray渲染器，将相机类型转换成球形相机，在环境、效果对话框中设置参数。

渲染完成后，进行动画制作。在左视图中选择其中一组桩基模型，点击“修改”命令，在修改器中选择切片修改器，可以看到视图中出现一条黄色横线，选择移除顶部，黄色线上部分已消失。向下移动切片面至桩基底部，将自动关键点设置为50帧，打开自动关键点，向上移动切片面直至桩基顶部，关闭自动关键点[5]，一组桩基的施工工艺动画制作完成，如图4所示。剩余桩基以此类推制作动画。

图4 桩基动画制作图

动画制作完成后，再进行最后的渲染，生成avi格式动画。在“渲染设置—公共”选项卡中，选择“活动时间段”； “输出大小”选择640*480； 在渲染输出文件栏里点击“文件”按钮，选择要保存的目录； 最后点击“保存类型”，选择AVI文件，点击渲染，即开始生成avi格式动画。如图5所示。

图5 avi格式动画

4 BIM结合VR技术应用在桩基工程施工中的体验

4.1 虚拟现实技术(VR)

VR即虚拟现实，又称为灵境技术，它集计算机技术、传感技术、仿真技术、微电子技术为一体。理想中的虚拟现实技术就是利用这方面的技术，通过计算机创建一种虚拟环境，通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等作用，使用户产生和现实中一样的感觉，可实现用户与该环境的直接交互[6]。

目前，VR技术在建筑领域的应用多用于设计阶段，帮助设计师以立体化的模型完美地向业主或施工方展示自己的所思所想。但是这并未充分发挥利用VR的优势。而将其与BIM结合，在施工前进行施工方案的预演，提前感受施工的过程，为之后可能出现的施工问题准备解决方案，大大降低了施工风险发生的机率。

4.2 VR体验

4.2.1 暴风魔镜VR

暴风魔镜VR是一款由暴风影音全力打造而来的配合VR设备使用的手机软件，暴风魔镜VR版提供全沉浸模式的本地、在线视频播放、沉浸式游戏等功能。利用暴风魔镜VR的模式转换功能，将观看模式转换成球面，即可在各个面里看到桩基的施工工艺细节，身临其境地感受桩基的施工过程，享受VR的沉浸感，实现BIM与VR的有效结合。具体的操作过程如下：

通过“格式工厂”软件，将在3ds MAX导出的avi格式的动画视频转换成mp4格式，存入手机，在手机上打开暴风魔镜VR软件，在VR眼镜设备中选择魔镜4，操控方式选择头控式，保存设置。再选择本地视频进行播放，同时，将播放模式设置为3D上下，球形。如图所示6。

图6 播放模式设置

佩戴VR眼镜，体验桩基施工工艺流程，如图7所示。

图7 avi格式动画

5 结论与展望

(1)针对城市地下工程多属隐蔽工程，施工不可见等难点，本文提出BIM与VR技术结合，运用于城市地下工程中，以VR的交互式体验来指导城市地下工程的施工，降低了城市地下工程的施工发生的风险与质量问题。

(2)在城市地下工程中，本文以桩基工程为例，以此展开并实施BIM与VR技术的结合应用。通过3ds MAX为中间平台制作三维建筑动画，实现建筑模型从三维静态到三维动态的转化，并以此为连接点，将BIM与VR技术有效结合起来。

(3)目前国内BIM与VR的结合多集中应用在建筑样板房的展示。通过将revit中的模型直接对接当前的虚拟设备，如DVS3D 虚拟现实设计软件平台、Ocululs、暴风魔镜等，实现实地漫游。本文研究内容对于工程项目的施工可视化具有指导作用，为今后BIM技术在地下工程中的进一步应用提供参考。

不足之处：

(1)由于在技术及设备上的限制，本文并没有实现在移动终端上的研究，所以无法充分展现BIM结合VR技术可以灵活应用于城市地下工程施工现场指导的功能。

(2)对于模型的精度、渲染效果、展示程度等，只是基于实验的可行性研究，对于实际复杂的桩基施工工艺未能精确的表现。