基于BIM 技术的VR 开发与应用——以长春水文化生态园建筑旧址改造工程为例

王 平，张树彬，彭相澍，磨旋礼，郭秀娟

（1：吉林建筑大学电气与计算机学院,吉林 长春 130119；2：吉林省综合管廊监控工程研究中心,吉林 长春 130119；3：吉林省经济管理干部学院，吉林 长春 130012；4：新疆师范大学计算机科学技术学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

传统展览博物馆的内容表现形式主要以文字、图片、视频、雕塑等传统艺术表现手法，尽管艺术表现较为分明，但由于传统表现形式单一陈旧的特点，无法与游览者形成互动，没有足够的吸引力，缺乏创新和新鲜感，违背了展览博物馆普及宣传知识的初衷。随着科技的发展和虚拟现实技术（VR）的不断进步，虚拟现实展览馆逐渐走入人们的视线，其利用计算机图形学技术构建的数字化展览馆，是一种沉浸式虚拟三维交互式体验，把可视化发挥得“淋漓尽致”，达到“所见即所得”的效果。本文以长春水文化生态园建筑旧址改造工程为例，将BIM 智慧平台和Unity 引擎VR 技术结合应用于净水工艺流程展示体验[1]，创新净水工艺流程表现方式，打造沉浸式和交互式体验。

1 项目开展背景

长春水文化生态园原为具有80 多年历史的长春第一净水厂旧址，为了展示和传承净水工艺流程，使人们能更好地认识、接近、珍惜水资源，将水文化因素与公共艺术设计完美融合，2016 年长春市政府联合长春城投建设投资（集团）有限公司针对水厂旧址进行修缮改造，委托吉林建大信息技术有限公司和吉林建筑大学开发长春水文化生态园水文化博物馆净水工艺流程VR 博物馆项目，以便打造以水文化元素为主题的生态园，致力于使其成为“北国春城”长春的城市文化新地标。

2 基于BIM+VR 技术的净水工艺流程开发

2.1 需求分析

基于长春水文化生态园建筑旧址改造工程项目部拟订的《长春水文化生态园博物馆区“水与城市”主题展陈大纲》理念及《“水与城市”长春水文化生态园博物馆区展示设计方案》，针对虚拟现实流程和互动内容进行商讨规划，初步制定三个主题方案“我是一名净水员”“我是博物馆导游员”“穿越时空的历史回顾”（方案一～方案三），在保持进展并满足客户要求下，及时分享创意并收集和实施反馈意见，经过改进和综合考虑评价（见表1），最终选定方案“我是一名净水员”，使用虚拟现实技术还原第一净水厂的变化历程，模拟净水厂三代净水工艺流程，创造沉浸式交互体验。

表1 VR 主题方案评价

2.2 BIM 智慧平台

BIM 是建筑行业具有里程碑意义的智慧创新技术，BIM 的核心是通过Revit 建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为模型提供完整且与实际情况一致的建筑工程信息库，为建筑全生命周期提高效率、降低成本、创造价值；并且具有信息完整性、关联性、一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。

2.3 Unity 实时3D 开发平台

Unity 是实时3D 互动内容创作和运营平台,可用于打造可视化产品及构建沉浸式交互虚拟体验，实时渲染可以实现“可见即所得”，让开发者可以最大限度地发挥自己的创意。虚拟现实技术（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中，VR 的三个基本特征：①沉浸式，沉浸到计算机系统所创建的虚拟环境当中；②交互式，用多种传感器与多维信息的环境发生交互作用；③想象，从定性和定量综合集成的环境中得到感知和理性的认识而深化概念和萌发新意。

应用VR 技术对工艺流程进行模拟，使体验者无需接触实物便能体验真实的环境，可不受物理边界限制进行体验。Unity Reflect 是Unity 与Autodesk官方合作创新工具，支持BIM 模型和数据一键无损传输和实时同步到Reflect Viewer，实现可视化的实时设计变更和无缝优化的BIM 数据整合，并且具有将模型数据可灵活传输和连接到其他程序的功能，在减少设计评审和验证过程所需时间方面有着巨大潜力，让各方能够高效方便地进行沟通，加快迭代速度并推动精准决策，对AEC 领域有着颠覆性的意义[2]。

2.4 Revit 三维建模

传统建筑是通过二维平面图和效果图，以固定角度和路径的巡游动画进行展示，而数字信息时代建筑展示已进入三维可视化阶段，BIM 智慧平台具有建筑设计领域中广泛的专业范围，涉及建筑专业、结构专业、机电专业，其建模思维是从构件角度出发，而其他主流3D 建模软件如SketchUp，Blender，Auto CAD 等是从几何形状线、面、体出发，建模模型粗糙，精度不高；针对项目需求与综合考虑，本文选用BIM 平台下Revit 建模软件进行建模工作。在实地考察和测量的基础上，应用CAD 软件进行模型图纸绘制，按照CAD 底图描绘建模，提高工作效率和精度；通过广联达软件建立BIM 5D 关联数据库，快速准确地计算第一净水厂的模型体量，便于数据分析管理；后期应用3DS Max 三维建模软件进行局部细致的修改和完善，分别创建1932年—1949 年、1949 年—1980 年和1980 年—2018年三个阶段的第一净水厂展馆模型，图1 为20 世纪30 年代第一净水厂车间实景，图2 为其对应3D模型；图3 为第一净水厂实景，图4 为其3D 模型。

图1 30 年代第一净水厂车间实景

图2 第一净水厂车间3D 模型（图片来源：作者自绘）

图3 第一净水厂实景

图4 第一净水厂3D 模型

2.5 基于Unity 的交互式内容开发

应发挥BIM+VR 独特的优势，尤其是在设计前期通过“BIM+VR”的平台进行多方协同设计、可视化建筑设计过程，更好地辅助建筑师进行设计，以及与多方相关领域进行更加有效和深刻的“对话”，从而提高设计效率。本文将原始BIM 模型和数据通过Unity Reflect 导入Unity3D 引擎实现实时互联，进行协同开发；采用功能强大的C＃脚本系统和健全的API 接口函数来满足开发工作的需求。主要包括场景搭建；头控、分屏显示（立体效果配置、模拟人眼瞳距）、交互设计（头控视选、触碰反馈、微软XBOX 游戏手柄）和渲染工作。外部场景搭建：第一净水厂车间建筑模型渲染，对联贴图，搭设绿植模型，四面曲屏同步播放开场视频，构建360°环影效果，通过Cube 触发构件可进入交互场景。内部净水车间交互式场景搭建：向建筑模型中添加构件，如光源、栏杆、水泵、水粒子、桌子、开关阀门、展示牌、说明文字、桌子上摆放的各种物件、隔断门的上升下降动画，游戏环节提示音、背景音乐，相应的各种特效等，如图5 所示。

图5 净水场景（图片来源：作者自绘）

Unity 包括通用渲染管线（URP）、高清渲染管线（HDRP）、Shader Graph 等工具，可满足系统图形渲染需求。原生VR 渲染时左、右眼分别处理2 次图像，渲染2 遍阴影，发起2 倍的绘制调用，此项渲染技术称为多通道渲染，这种方法占用2 倍CPU 能耗，对系统的硬件资源消耗较大。为此，采用可编程高清渲染管线HDRP，支持单通道前向渲染循环，采用面向HTC VIVE 头戴式显示屏（HMD）的工具，并对其进行了优化。

为了减少体验者VR 头盔头晕现象，创造良好的用户体验，降低延迟，提高帧率，构建面向Windows 平台的VR SDK，性能良好的SDK 可实现低延迟高帧率；为减少图像的锯齿，采取多重采样抗锯齿，支持前向渲染，更改采样数（8x），平衡质量和性能；为提高双眼显示的刷新率和分辨率，在HDRP资源设置中禁用不需要的功能，降低VR 渲染能耗。从VR 控制器中获取输入数据，并参考VR Input 文档的输入信息表，进行触发器、游戏手柄按钮等信息输入；为实现出色的视觉效果，使用粒子系统可实现更出色的纹理组合和批处理功能，包括亮线和轨迹，加之高拟真度的物理碰撞模块，实现更逼真的效果和动画，创作高级别的图形保真度和逼真的沉浸式VR 项目[3]。

3 项目应用情况

3.1 项目体验流程

第一场景：360°旋转模块加4 块曲屏播放开场视频，视频包括第一净水厂车间的历史写照，与重新修缮后的水文化生态园形成鲜明的对比，给予体验者一种时过境迁、沧海桑田的情怀；保留原始净水厂气息并添加现代化公园设计理念和元素。经过一段30 s 深情且澎湃的开场视频后，进入模拟净水车间，来到第二场景。

第二场景：来到絮凝池旁，打开阀门看到满池污水，此环节需要体验者操作加入絮凝剂，使污水中的杂质絮凝；然后进入平流式沉淀池，沉淀部分杂质后进入过滤池，将过滤后的水放入消毒池，加入消毒剂对其进行消毒；最后，进入清水池，此时的水就是日常饮用的自来水，至此净水流程完成。

整个过程体验者佩戴HTC VIVE 专业虚拟现实智能头显，开启Steam VR 连接设备，通过两个定位器采集体验者的行为动作，微软X-BOX 游戏手柄进行交互操作。整个过程，体验者能360°观看第一净水厂车间和净水流程，并随着操作反馈相应的声音和提示；本项目以体验者为中心，以主人翁角色完成净水操作和互动，做到沉浸式交互体验，使净水流程深入人心，提高体验者节约用水、保护水资源的意识，达到宣传普及知识的初衷（见图6）[4]。

图6 Steam VR 设备体验虚拟净水流程

4 结语

本文基于BIM 技术下的长春水文化生态园建筑旧址改造工程，应用VR 虚拟技术实现了对传统净水流程的数字化展示。由于旧建筑改造过程中，传统净水工艺技术流程无法再现，参观者仅凭旧照片无法体验到当年净水旧建筑的工艺流程，但借助BIM 技术还原旧址净水建筑并采用VR 虚拟化数字展示技术实现了还原旧工艺的目的，可以让使用者身临其境地体验当初净水工艺流程，还原旧建筑中净水车间在净水厂的关键作用，也可以更加深刻地感受当年净水厂旧址的老建筑承载着与长春人民息息相关的关于用水的历史记忆。