基于VR 与BIM 技术的装配式结构建模及可视化实现

张梓颖 杨子哲 曾志强 李魏晗

(西安石油大学土木工程系，陕西 西安 710065)

1 概述

随着我国工业化进程的不断推进，建筑业已经发展到了新的阶段。如今，人民生活水平的日益提高，人们对建筑品质的追求也上升到更高的阶段，如对节约能源和资源、减少污染、绿色施工、提高工程质量和生产率等方面提出了更高的要求，可持续发展也成为现代科学的一种指导理念，要求建筑工程提供更科学、更绿色化的建筑。为适应现代化建筑发展需求，我国建筑业建筑方式必须进行转型升级，与之相适应的新建造方式——装配式建筑应运而生[1]。与传统现浇施工方法相比较，预制装配式建筑可以标准化大量生产，不受天气等其他一切不确定因素影响，质量方面更加可靠。在预制材料方面，装配式建筑优势十分明显，建筑的许多构件可以集中定制，在施工现场现装现组，非常方便[2]。但是，虽然其在建筑施工中优点明确，但是实际应用中也有着不可忽视的缺点，尤其是装配式建筑施工期间，底板出现维修脱离现象，加上构件尺寸方面也可能出现较大误差，装配式建筑成本管理难度较大[3]。装配式建筑施工在建设过程中，如果装配式建筑出现脱落的情况，则会产生安全问题，对人员产生人身安全损害[4]。因此，如何在装配式建筑正式完成之前，预先了解预制构件的拼接情况、材料的使用情况，掌握建筑整体及内部结构详情，建立出一个预拼装的结构可视化的模型是非常有必要的。

随着BIM (Building Information Modeling) 和VR(Virtual Reality)技术的发展，为我们在解决装配式建筑预制构件的拼装、建筑结构的可视化这一系列问题上提供了新的思路和方向。

BIM（Building Information Modeling），具有协调性、可视化、优化性、模拟性、可出图性等特点[5]。通过建立三维建筑结构模型，利用数字化的技术，获知以此模型为现实的建筑相关信息。VR（Virtual Reality）即虚拟现实技术，具体为利用计算机生成一种虚拟环境，利用现实中的数据进行仿真模拟。利用“BIM+VR”技术，实现建筑三维空间虚拟展示，让使用者有身临其境的感觉。可对建筑整体有直观清晰的了解，获悉结构构件信息和建筑施工情况，有利于预制装配式建筑的现场指导与流程把控。

近年来，国内外专家在“BIM+VR”的应用方面做了大量的研究与应用，有国外团队进行了研究，“BIM+VR”技术可用于施工建造的可持续性生命周期和成本评估，“BIM+VR”的使用可以消除后期施工阶段的成本超支和错误，达到更少的碳排放和成本[6]。有专家指出，建筑师和客户之间的沟通效率低下被认为是建筑领域的冲突根源。特别是计算机辅助设计（CAD）和BIM 等三维图形建模技术主要供专业人士使用，对于空间理解有限且可能难以完全理解传统建筑图纸的非工程利益相关者来说，这些建模过于复杂。近年来，“BIM+VR”的设计方式因其可以轻松了解结构布局和识别“问题结构”而得到广泛推广[7]。以北京地铁19 号线一期工程新宫站公共区装修工程为例，此工程充分利用BIM+VR 技术，在工程的各个阶段统筹协调各个项目的参与方，实现了BIM、VR 技术在工程领域的跨界应用[8]。

但目前更多仅是通过构建虚拟展示为用户提供户型设计与视觉直观预览[9]。VR 技术大多运用在建筑效果图表达方面，并没有真正参与到建筑设计等阶段中，不能较好的展示建筑数据信息，“BIM+VR”技术的应用模式仍未能结合真实情景实时交互，即BIM 信息与真实环境结合还存在困难，使得“BIM+VR”技术在建筑领域的应用中存在一些问题[10]。所以“BIM+VR”技术虽然在许多实际项目中有着应用，但大都没有涉及装配式结构的预拼装及可视化问题，尤其是框架结构的整体结构及材料选择的问题。因此，本文以BIM 和VR 技术为核心，旨在开发一个建筑结构的预拼装可视化程序，实现施工前的预拼装。

2 建筑结构的预拼装可视化实现

2.1 研发原理

本文研发的三维建筑结构预拼装可视化软件(PC 端)名为睿筑（Intelligence of fabricated construction），主要应用于土木工程与建筑行业。开发过程中，我们主要运用Revit 建模技术，3Ds max 渲染技术，以及Unity 3D 等相关前期软件平台，同时利用大数据建筑结构的信息，将建筑结构用Revit 软件构建成三维模型，然后将结构三维模型与VR 技术相结合，形成建筑结构的预拼装可视化的exe 程序文件。

2.2 可视化程序研发机理

开发过程中，我们首先通过CAD 绘制建筑平面图，其次将CAD 图纸导入Revit，利用大数据下的结构构件数据库制作与之相对应的三维模型，再利用3Ds max 进行材质渲染。进而利用VR、与建筑信息模型技术进行预拼装，将构件设计要求，类型数据等，与PC 终端数据处理系统相融合。然后将建立好的三维结构模型（fbx 文件）以及Unity 数据拓展包一同导入Unity 3D 中，调整Camera 的视角与光照亮度及基础布局设置，建立人物移动代码和视角移动代码，再编辑代码实现切换材料、显示构件信息、概览施工区域分布等功能。程序研发机理如图1 所示。

图1 程序研发原理图

2.3 程序开发中的逻辑关系

在开发软件程序中，基于C#语言编写了大量功能代码，从而实现建筑结构的预拼装可视化功能。一些代码中包含了一定数理逻辑，通过最简洁直接的逻辑关系可充分满足对功能的需求，实现虚拟建造过程中的多种功能，及时掌握建筑信息。程序开发逻辑如图2 所示。

图2 程序开发逻辑关系图

本程序的功能代码编辑流程如下：

（1）引入基本命名空间（声明Unity 系统）。

（2）定 义 命 名 空 间， 并 声 明 MonoBehaviour，MonoBehaviour 类是一个基类，它供了框架，允许将脚本附加到编辑器中的对象物体，并提供模板脚本。

（3）声明变量并将其与Inspector 建立关系。

（4）构造事件函数，建立逻辑机理。

（5）脚本代码进行后端处理，在主线程中调度作业，最后完成此功能在本程序中的实现。

以切换构件材质功能代码为案例进行分析，此功能代码主要数理关系如下：

式中：n 代表目标材质所对应的序号，i 代表做自增运算的字符，L 代表将使用材质所对应的编号。

首先定义此功能代码名称，输入取整函数int，定义字符i，令其从1 开始，再定义递增的函数关系，每次递增量为整数1。物体对象(GameObject)是所有其他组件(Component) 的容器，Unity 中的所有对象本质上都是物体对象(GameObject)。而GameObjectUse,Length 是0 到4之间的一个整数，若字符i 小于GameObjectUse,Length所对应数值，将先进行表达式运算，再进行自增运算，直到i 等于GameObjectUse,Length 对应数值时，停止自增运算，并运行GameObjectUse 代码将物体材质更换为字符i 对应的材质，以保证每次按下切换材质按钮，其材质对应的序号递增1 个单位，将下一材质赋予上去，达到切换材质的功能。

2.4 研发成果展示

打开已经在PC 电脑终端安装好的Intelligence of fabricated construction（exe 文件）软件程序，进去后以第一人称视角行动。

（1）进行施工场地虚拟漫游，效果如图3 所示。

图3 场地虚拟漫游

（2）鼠标点击右侧材质切换按钮实现对柱子材质的替换，如图4 所示。

图4 材质切换功能

（3）追溯建筑材料规格信息，获知相关使用情况，如图5 所示。

图5 显示钢筋信息

3 结论与展望

通过基于VR 与BIM 技术下的建筑结构的预拼装可视化程序，我们可以将建筑结构具象化，通过VR 技术得到可视化结构模型，提前知晓预制构件所存在的问题，以此来提高装配式施工的效率，降低经济成本。通过研发与实际应用，得出以下结论：

3.1 利用Revit 建立结构模型、3Ds max 进行渲染优化、Unity 编辑生成程序。本文论述的BIM 与VR 技术相结合的方法来实现装配式建筑结构预拼装及可视化是可行的。

3.2“BIM+VR”技术实现的关键在于利用代码编辑平台实现三维结构模型的信息化和可视化，该方法不仅可以用于装配式住宅建筑，在工业建筑及其他领域也有重大作用。

3.3 依托该程序，工作人员可以预先掌控结构搭接状况、概览场地布置情况、了解建筑材料的实时信息。解决了构件数据匹配问题，显著提高建筑施工的质量和效率。同时有效降低了返工率，节约了施工成本并缩短施工周期，有利于促进建筑业与信息化工业化的深度融合。