BIM+VR、AR应用研究

(建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007)

1 研究背景

1.1 什么是BIM、VR和AR

BIM“Building Information Modeling”即建筑信息模型，以建筑工程项目的各项相关信息数据为基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，是全生命周期工程项目或其组成部分物理特征、功能特性及管理要素的共享数字化表达。一套完善的信息模型，是对工程对象的完整描述：能够紧密连接建筑项目全生命期各阶段各专业的数据信息、进度跟踪和变更操作，可被建设项目各参与方使用[1]。

VR“Virtual Reality”即虚拟现实，利用计算机生成一个三维的虚拟空间，为使用者提供由视觉、触觉和听觉三维度感官交互生成地模拟空间环境，给人以身临其境的感觉。VR技术综合了计算机仿真技术、计算机图形技术、显示技术、传感技术和人工智能等多种关键技术[2]。

AR“Augmented Reality”即增强现实，是一种被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验[3]，通过实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D 模型，将虚拟的信息应用到现实世界的技术。AR技术具有融合虚拟和现实、实时交互、三维跟踪和定位等特征。

1.2 BIM、VR和AR之间的关系

BIM集成建筑的全部数据信息，VR和AR技术可以将这些数据信息以全新的方式呈现，从而使各方沟通提供更方便、更高效、更真实。VR和AR均是三维可视化的计算机仿真系统，区别在于，VR创造了一个与现实世界无关的虚拟空间，通过模拟真实环境令用户沉浸其中； AR创造了一个与现实世界相关的虚拟空间，通过虚拟与现实世界的合成，形成与现实世界相关又不完全相同的超现实空间。

1.3 BIM、VR和AR的应用

随着科技的进步，建筑的体量日渐庞大,造型也是复杂多变，常规的二维图纸无法形象地表达三维模型及内部管线的空间关系； 施工现场不能满足携带沉重的计算机指导施工的条件。

而通过VR与AR技术对BIM的数据信息进行可视化表达，从而可以让设计师与业主清晰地理解彼此的设计愿景和需求； 通过对特殊节点的施工工艺模拟，可以使施工方更准确地把握施工方式； 通过较为完整的建筑信息模型，可以使维护人员更方便查看建筑竣工后的隐藏管线； 通过对建筑的可视化和轻量化处理，可以使用户在线便捷、直观地了解产品的实际效果。

2 关键性实施步骤

2.1 应用构架组织

工程项目的VR、AR应用可以由多个虚拟现实、增强现实软件开发平台完成，比如：Unity、UE4等。

工程项目的VR、AR应用的构架组织应包含：

(1)总平面：BIM模型的整体游浏览；

(2)图模一致：核查图纸与模型的一致性；

(3)分专业对模：单专业模型显示；

(4)数据查询：获取构件、设备相关信息；

(5)浏览视点：触发视点接口由AR场景进入相应的VR场景；

(6)浏览界面：在建筑物里漫游浏览；

(7)手控浏览：手动控制场景人物漫游浏览；

(8)步行浏览：以实际的行走控制场景人物的漫游浏览；

(9)工艺工法：模拟关键、复杂节点的施工工艺与工法；

(10)施工顺序：关键的技术要点和具体的操作步骤；

(11)技术交底：直观、高效地阐述项目工程特点、技术质量要求、施工方法与措施和安全等信息。

BIM+VR、AR应用构架组织如图1所示：

2.2 BIM模型处理

2.2.1 轻量化处理 基于Revit-3DMax-Unity

目前虚拟现实、增强现实软件Unity支持.FBX，.dae(Collada)，.3DS，.dxf and.obj等格式的文件，大部分建模软件都支持.FBX格式。对于动辄就几百M或者上G的大文件模型，其模型面数高达数百万、数千万，这严重影响设备的性能尤其是手持设备。3DMax可以针对模型面数进行批量优化处理，结合设备的性能选择合理的优化等级，以下是不同等级优化的效果：

优化80%面数顶点数破面600362523239536无FPS43.1优化90%面数顶点数破面56791073057581有FPS45.3

FPS“Frames Per Second”即游戏运行时每秒所运行的帧数。FPS值越大，在屏幕上的视频就越来越平滑，设备运行越流畅。一般FPS在40左右。

模型的面数和顶点数是影响设备渲染性能的主要因素，需综合考虑设备的性能和渲染的质量要求。不同工程项目的模型的面数和顶点数不尽相同，经处理优化等级为80%，既保证设备流程运行，同时兼顾渲染质量。在满足质量要求的前提下尽可能提高设备运行的流畅性，合理地平衡两者的关系。

2.2.2 材质处理 基于Revit-3DMax-Unity

.FBX是Autodesk公司出品的一款用于跨平台交换的文件格式，.FBX支持所有主要的三维数据元素以及二维、音频和视频媒体元素。

Unity目前只支持.FBX文件格式的标准材质和多维子材质，不支持“Autodes Generic”材质。由Revit导入Unity的BIM模型只有一种“no name”材质，这极大影响模型的渲染效果和专业系统的颜色区分，如图2所示。

图2 Unity界面中无材质模型

3DMax可以很好地读取“Autodes Generic”材质，在3DMax环境下把“Autodes Generic”材质转换为标准材质或者多维子材质，再以.FBX文件格式导入到Unity中，Unity会正确地读取.FBX文件的材质与贴图，如图3所示。

图3 Unity界面中有材质模型

2.2.3 信息参数处理 基于Revit-插件-Unity

以.FBX文件格式导入Unity除构件元素名称外并不包含其他任何信息参数，这对信息参数的展示和人机交互产生很大制约。目前市场上有“一键导出”的插件，比如上海殊未信息科技有限公司的“BVP3D插件”(收费)。这类插件可以把BIM模型信息参数导入Unity，并支持二次开发。

2.3 BIM+VR、AR应用制作

2.3.1 BIM模型预处理

(1)BIM模型整合导出

如图4所示，把全专业模型整合在同一项目文件里并以.FBX文件格式导出。

图4 Revit界面中整合模型

图5 3DMax界面中材质赋予

(2)BIM模型赋予材质

在3DMax环境下重新为BIM模型赋予标准材质或者多维子材质，合理地调整纹理UV，使贴图符合实际情况。材质赋予如图5所示。

(3)BIM模型轻量化处理

在3DMax环境下优化BIM模型的面数和顶点数，在保证不损坏模型的情况尽可能提高FPS值,如图6所示。

(4)单位调整和材质导出

由于BIM模型文件多采用mm为单位，虚拟现实、增强现实软件Unity以m为单位，因此从3DMax导入Unity的BIM模型需要把单位设置为m。在默认情况下3DMax不会把贴图导出，需在3DMax导入设置中要把嵌入的媒体选中。如图7所示。

图6 3DMax界面中轻量化处理

图7 导出设置

2.3.2 VR、AR开发

(1)与Unity软件对接

把.FBX格式文件和.Fbm材质贴图文件夹一同载入Unity的Assets目录下，把.FBX格式文件配置到Scene场景窗口。根据情况合理调灯光和整镜头角度，如图8所示。

图8 Hierarchy视口配置

(2)导入VR、AR的SDK软件开发工具包

在Unity软件中导入“OculusUnity Integration”和“vuforia-unity -6-2-10”插件[4]，把“OVRCamera”和“ARCamera”预制对象拖入场景中。使用VR第一人称视角在虚拟场景里漫游，使用AR增强现实镜头把BIM模型与现实的图纸混合呈现。如图9所示。

图9 VR、AR插件导入

(3)VR、AR场景设置

由于BIM模型面数与顶点数庞大，对设备的性能要求很高，需把模型拆分多个专业子模型，配置各专业过滤器。根据项目要求和开发的实际情况编写合理的交互脚本并与模型绑定，定义VR和AR场景切换的视点接口，对重点、难点的施工工艺制作独立的工法工艺虚拟场景。

(4)VR、AR应用部署

BIM+VR、AR应用是基于操作系统或者手持设备系统单独运行的可执行程序，其不依赖于任何软件环境，降低对电脑的要求同时提高便携性。部署设置如图10所示。

图10 应用程序部署设置

3 效果展示

图11 展示效果

图12 AR整体展示效果

图13 分专业展示效果

图14 手控漫游效果

图15 步行控制漫游展示效果

图16 工艺工法模拟展示效果

4 结论与展望

本文力求通过BIM+VR、AR应用的研究，找到大体量BIM模型在保证不破面、满足渲染质量要求的前提下，尽可能提高设备运行流畅性的通用方法。解决模型不便于携带以及需要在三维软件环境下才能漫游模型的问题。便于工程项目各参与方随时基于三维模型协调沟通，进而达到优化设计质量、提高施工效率、缩短项目周期，提升产品形象的终极目标。