BIM和VR技术在建筑工程中的创新应用＊

胡小玲，农日东，李 捷，吕龙波

（1.广西电力职业技术学院，广西 南宁 530007；2.广西建通工程建设有限公司，广西 百色 530022）

0 引言

随着建筑行业的蓬勃发展与新技术不断涌现，人们不断寻求能够完善设计及施工质量的创新技术。一直以来，建筑效果难预测、施工质量难控制是建筑行业存在的两大难题。目前许多建筑效果采用效果图、模型等静止画面呈现，很难让施工方全面把握设计意图，业主方难以预知施工状况。在施工过程中缺乏统筹规划，因项目组之间的沟通问题往往导致施工工期、质量、成本难把控。由此可见，建筑设计需对庞大的数据进行有机整合，形成一个完整的可视、可控、多方参与协同的系统。BIM结合VR技术让受众不仅可提前观看建筑效果，更能让庞大的数据系统更完善，从而优化设计，降低成本，提高施工质量及效率。

1 BIM和VR技术

1）BIM，即建筑信息模型（building information modeling）技术，是在计算机辅助设计（CAD）等技术基础上发展起来的一项全生命周期多维建筑模型信息集成管理技术。受益于国家政策支持、工业4.0需求及互联网技术进步的推动，BIM迅速在建筑行业得到广泛应用。CAD制图、3Dmax渲染等技术的联合运用，让建筑设计方案涉及的枯燥数据能以非常直观的三维可视化形式呈现，既方便设计师直观地调整数据和设计，又能让非专业人士更容易看懂建筑，有助于设计师与客户沟通。因此，近年来BIM技术以高效率、高精度的优势出现在建筑设计中，给建筑设计带来创新思路。

2）虚拟现实（以下简称VR）技术，是综合利用计算机图形图像系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境中提供沉浸体验的技术。VR技术实现的载体是虚拟现实仿真平台，这是一种可创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统技术，其利用计算机生成模拟环境，利用多源信息融合的交互式三维动态视觉效果和实体定位的系统仿真，使用户沉浸其中。近年来，VR技术在我国发展迅速，与VR相关的产品如展示设备、设计软件等相继而生，集中应用在VR样板间、云渲染家装中。

2 BIM技术在建筑工程中的应用

1）创造三维可视化模型 利用BIM技术建立的三维设计模型，其可视化表达能让不同专业的人员更直观了解设计方案，并能够在材质、构造、整体外观上展示整个方案设计；BIM模型有各自的属性，能显示物体的数量、面积、位置等重要信息。因此，BIM在建筑设计阶段主要是进行三维建筑设计或结构设计，从方案到施工图以至于后期的运营维护管理进行全程服务。

2）提供专业协同的数据平台 BIM技术能够让各个专业进行协同工作，使各专业之间快速并及时掌握设计信息，有效提高设计速度与质量。具体来说，BIM技术通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期中进行共享及传递，使工程技术人员对建筑信息做出正确的理解与高效的应对，为设计团队及建筑运营单位就各建设主体提供协同工作的技术，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。从建筑设计的专业性来说，BIM技术已能很好地解决复杂工程的大数据创建、管理和共享应用等问题，尤其在项目管理方面，在数据、技术和协同方面形成三大价值支撑，为建筑设计业快速发展提供技术支持。

3）设计优化及图纸输出 BIM技术在设计阶段可建立各构件的基本数据，经过数据分析汇总后可得出工程预算及经济指标，并根据建筑技术及经济指数的参考，选择最合理的方案。在施工阶段，BIM技术能够进行施工总平面图优化布置；对于大型构件，可利用BIM技术实现虚拟拼装，在方案不断优化过程中，节约人力及资金；对于已落实的设计方案，利用BIM技术可直接打印各个平面图、立面图、施工节点图、大样图等，比传统的CAD绘图更快捷、精确、高效。

3 VR技术在建筑工程中的应用

1）沉浸性作用 建筑方案注重功能性及装饰性，在创作过程中，VR技术所构建的场景模型来源于真实世界的数字模型，反映的是真实世界的一事一物，可让用户身临其境体验设计方案的最终效果，使方案呈现效果更具体、直观，也更具人性化。利用VR技术可漫游、可沉浸的特性，当用户进入虚拟场景中，便可预知设计方案的外观造型是否美观、比例是否协调、虚实结合是否合理；VR技术的720°环绕空间特性，让用户可近距离感受室内设计整体效果，以及无死角观察设计的各个细节，更可进行多种方案直观可视的效果对比，这些特征打破了设计不可见、不可预料的局限，使装饰设计优于传统展示设计。

2）交互性作用 交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。交互性能让用户在虚拟环境中对物体进行触碰，并得到物体的反馈，可对场景中的物体进行实时移动、旋转、替换，甚至可添加视频播放，体验场景声效。VR技术应用于建筑设计行业最实际的意义在于其独特的交互性，可让设计方案在施工过程少走弯路。从设计师角度来说，VR技术在调整设计元素时，可更清晰地分辨不同设计元素对整个设计方案的影响。利用VR技术沉浸式体验设计作品在真实环境中的效果，观察设计中的每个细节；利用VR的交互性尝试在相同的空间中改造建筑结构或更换材质，在虚拟的三维世界中对设计进行自由编辑，从而进一步优化设计方案，提高设计效率，完善设计表达。

3）自主性作用 VR技术的自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度，这种自主性极大地强化了用户在虚拟世界中的沉浸感和交互性，可让用户在虚拟世界中主动探索设计方案中的每个细节，推敲设计方案中的各个元素存在是否合理。而且这种自主性对人的感官是一个爆发式的扩张延伸，也完全符合人对信息获取直观化、感官化的潜在需求。对于建筑设计师来说，全方位无死角地将建筑设计方案的每个细节暴露在用户面前，也能驱动设计师更加精益求精地制作高品质、值得推敲的设计方案。如此良性循环对建筑设计行业发展将是大浪淘沙、一路向前的健康趋势。

4 BIM和VR技术结合的创新应用

4.1 在设计中的结合

在建筑设计过程中，设计者要对材料有充分的认识，不同的材料搭配可更好地诠释并表达建筑物的价值，因此，如何组合建筑材料与最终的室外方案展示有直接联系。在BIM系统中嵌入VR技术，可构建数千种材质形成高精材质库，所有材质均可进行纹理尺寸、纹理方向、色彩、UV等参数的高度编辑，并可实时显示与实时渲染出图。设计师沉浸于VR构建的设计方案虚拟空间中，可近距离观察各种材料对整体方案的影响，满足所见即所得所感的效果，为建筑设计提供无数可能。

在建筑设计上，光与色相辅相成，VR能将BIM构建出的高精度建筑模型进行光影效果测试，VR系统下可自由调节灯光强度、明暗、色温、衰减，还能进行光照的动态模拟，包括晴天、多云、黄昏、黎明、满月、繁星等的光照效果。自然灯光与人工灯光结合，将建筑材质的色泽肌理特点直观生动地展现于用户眼前。光、色、形的有机结合能凸显建筑的特色与风格，赋予建筑生命力。VR通过动态交互的方式让光环境与建筑外观融合，通过身临其境的全方位的审视及强烈、逼真的视觉冲击，使用户更容易理解和感受设计师在设计方案时的绝妙之处。

在BIM设计中，最常见的问题是不同专业间的错漏碰缺，设计者可通过VR技术进入场景对各不合理的部位进行检查，预先发现并处理问题，甚至可以对复杂节点、难点进行方案模拟，分析和比选实施方案。在设计阶段尽早发现问题并及时处理，以免在后期施工中由于设计问题产生返修或重新设计而增加成本或延长工期。

现阶段，BIM模型已经很好地表达建筑产品在视觉上的形状样式，但与真实场景依然存在一定差距。而VR技术能让BIM技术在视觉上更真实。VR技术具有逼真的渲染效果，在视觉、交互体验上更真实，但VR技术在数据及信息的表达上不如BIM精确，因此将BIM与VR结合，可使建筑场景完成数据信息整合，也给用户带来感官上的体验，有助于解决实际工程中遇到的问题。

4.2 在施工中的结合

BIM技术可解决如碰撞检查、剖面图砌体排布等技术问题；也可通过参数化模型的建立，检查建筑设计方案的功能及结构设计是否合理，能为建筑施工节约资金和人力成本。然而施工人员施工水平高低以及对设计方案各个要素的领悟程度，也是影响设计方案在施工过程能否顺利进行的因素之一。VR技术与BIM相结合，通过BIM高精度的数据构建真实的设计方案，通过VR使施工人员真切体验施工过程，并在逼真的场景中观测施工节点及工法要求。

在装配式施工中，BIM技术可制定完善的装配式施工流程。基于BIM提供的三维建筑数据与施工流程及进度计划相连，利用VR技术的可视性进行安装演示及施工交底，有效加强施工现场人员对施工流程的理解。如大型建筑中的幕墙与钢结构施工，该结构构件繁多，节点复杂，施工难度大。首先利用BIM技术创建精细的三维幕墙、钢结构信息模型，再通过BIM信息模型快速导出幕墙，钢结构构件的预加工信息。利用BIM对幕墙参数化建模，可精细到每个幕墙单元，确保参数精度。幕墙的加工与安装可在VR模式下完成，按照BIM模型的指导进行预拼装，模拟现场实际安装的情况，可观察施工进度最真实的动态模拟，更容易理解施工工艺，对施工技术方案进行优化，实现风险控制，保证施工质量。利用BIM模型与VR技术进行技术交底，在BIM模型基础上观察每个节点的细部结构，使施工人员对工程的重难点、关键节点、施工质量控制点、关键部位施工方法与措施等有了全面了解，为实际施工与施工交底进行科学部署与组织，使施工更加准确、经济、安全。

VR技术通过结合BIM高精度的数据库，引入先进的虚幻引擎4，建立高度逼真且可实时互动的虚拟施工现场。通过将设计方案融入VR技术的三维立体场景后，项目管理方可安排施工人员进行模拟施工和安全培训。在模拟施工方面，针对设计方案中容易出错的部位进行模拟施工，这样就能及时发现问题并及时修正，避免施工过程出现无法修正的错误，从而更进一步实现成本控制。在安全培训方面，当体验者戴上VR眼镜后，会置身于整个工程当中，可以在虚拟场景中随意“进出”“攀爬”，感受日夜交替下的工程场景，切实感受工程施工中的危险。相较传统的安全培训，这种通过VR技术组织的模拟施工和安全培训，可激发工人参加安全教育的积极性，增强工人对安全事故的感性认识。而虚拟的场景不受场地、时间限制，可进行安全的反复操作；体验人员对于细节节点、重难点的攻破，还可结合自身经验让方案更优化，从而提高施工质量，避免材料及人工浪费，做到绿色施工。

5 结语

基于BIM高精准的专业数据库创建的虚拟空间，可无限接近真实施工场景，从而避开施工过程可能遇到的诸多问题，大大提升施工效率。利用3D引擎，渲染出具有真实物理属性的建筑实体，给用户不一样的视觉冲击；利用VR沉浸式进行各种碰撞试验，使设计更形象、更人性化，而融入虚拟空间演习施工过程，使施工人员的安全得到更有效保障。BIM技术与VR技术的有机结合，综合利用BIM强大的数据与3D可视技术，优化设计方案，有利于减少项目变更及材料浪费，缩短工期，最终得到最大化效益。