王 磊，李海銘

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050）

在過去幾十年里，我國建筑設(shè)計(jì)的方式經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：手工繪制平面圖紙并輔以建筑模型；計(jì)算機(jī)二維CAD 制圖輔以三維建模軟件，如：Sketchup 或Rhino 等，形成二維圖紙；以BIM 技術(shù)為代表的將二維圖紙和三維立體建模相結(jié)合，形成了建筑的三維立體模型，可以覆蓋建筑的設(shè)計(jì)到建筑的后期使用的全生命周期[1-2]。

20 世紀(jì)末以BIM 技術(shù)為代表的建筑三維立體建模技術(shù)逐漸應(yīng)用于建筑的設(shè)計(jì)和施工，該技術(shù)的特點(diǎn)主要是通過賦予建筑上點(diǎn)面和實(shí)體的數(shù)據(jù)信盧，在虛擬的三維空間內(nèi)呈現(xiàn)建筑信盧，也可以通過軟件將三維立體模型映射至二維的圖紙上。該設(shè)計(jì)方法可以立體呈現(xiàn)建筑效果、在設(shè)計(jì)階段就可以完成各種管線的綜合排布，設(shè)計(jì)的流程更為簡潔流暢。BIM 技術(shù)通過可視化功能將建設(shè)項(xiàng)目從規(guī)劃到交付的效果立體地呈現(xiàn)出來，有利于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的矛盾點(diǎn)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，覆蓋建筑的所有信盧，降低工程的總造價(jià)[3]。

與此同時(shí)，VR 技術(shù)在2016 年后迎來了爆發(fā)式的發(fā)展，將VR 技術(shù)和BIM 平臺(tái)相結(jié)合可以向各個(gè)參建單位提供沉浸式的建筑體驗(yàn)，將建筑的光照、空間效果等幾乎建筑的所有信盧都有所體現(xiàn)[4]。為了將BIM 技術(shù)和VR 技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合并為建筑設(shè)計(jì)提供一條新的技術(shù)路徑，本文就BIM＋VR 技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)的基本流程和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行深入研究，達(dá)到推升設(shè)計(jì)的呈現(xiàn)效果和工程整體品質(zhì)的目地。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式面臨的主要問題

目前，我國建筑設(shè)計(jì)還是采用原有的二維平面表現(xiàn)建筑信盧的形式。在如今數(shù)字信盧時(shí)代，面對(duì)著建筑的安裝專業(yè)數(shù)量較多，設(shè)計(jì)多樣性的要求，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式暴露出來的主要問題[5-6]包括以下內(nèi)容。

1）建筑信盧的遺漏。二維圖紙的設(shè)計(jì)是通過平面圖、效果圖和動(dòng)畫等方式，通過固定角度或路徑的展示建筑信盧和效果，該方法無法完全反映建筑的信盧，導(dǎo)致業(yè)主、設(shè)計(jì)和施工之間信盧交流的遺漏，設(shè)計(jì)和實(shí)施效果之間誤差較大。在工程實(shí)施階段不可避免地會(huì)出現(xiàn)大量的設(shè)計(jì)變更或洽商，增加項(xiàng)目的投資。

2）無法提供建筑全壽命周期的服務(wù)。如今建筑所涉及的專業(yè)不僅包括結(jié)構(gòu)和建筑，機(jī)電設(shè)備和裝飾裝修專業(yè)已經(jīng)成為建筑重要的組成部分，這也是未來建筑日常運(yùn)行中最依賴的專業(yè)內(nèi)容，所以后期的維護(hù)和維修已經(jīng)成為建筑在設(shè)計(jì)階段不能忽視的一部分。二維圖紙?jiān)跈C(jī)電和裝飾裝修中無法提供很詳細(xì)的信盧，只是通過點(diǎn)和線的簡單表現(xiàn)，后期業(yè)主在日常的維修和改造中由于人員專業(yè)背景和能力的不同，圖紙發(fā)揮的作用并不明顯。所以，圖紙的作用只能在建設(shè)階段發(fā)揮功能，在未來長達(dá)幾十年里無法發(fā)揮很好的功能。

3）指導(dǎo)施工的效果欠佳。二維圖紙?jiān)谥笇?dǎo)機(jī)電專業(yè)施工方面有著明顯的劣勢(shì)，尤其是在管線的綜合排布、機(jī)房內(nèi)設(shè)施設(shè)備的布局及裝飾裝修方面，以及各個(gè)專業(yè)的排布和安裝方面，對(duì)施工的指導(dǎo)意義不大，必須要在施工單位進(jìn)場(chǎng)后再根據(jù)專業(yè)內(nèi)容和具體的標(biāo)高和空間確定施工方案，不利于施工的進(jìn)展。

為了更好地適應(yīng)當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)的要求和發(fā)展，將BIM 建筑信盧立體模型技術(shù)和VR 可視化的沉浸式表達(dá)技術(shù)相結(jié)合用于建筑的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同人群建筑信盧的全面和準(zhǔn)確表現(xiàn)。

2 BIM 技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)的流程

BIM 技術(shù)已經(jīng)在西方發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的應(yīng)用，我國對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用處于早期階段，對(duì)于是否選用BIM 技術(shù)，應(yīng)該根據(jù)項(xiàng)目的規(guī)模、復(fù)雜程度和運(yùn)營投入產(chǎn)出比等因素綜合考慮[7]。在選擇BIM 技術(shù)后，應(yīng)該根據(jù)項(xiàng)目的具體情況，確定結(jié)構(gòu)、機(jī)電及幕墻等專業(yè)的介入時(shí)間，一般來講BIM 的設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

與傳統(tǒng)的CAD 平面化設(shè)計(jì)相比，如圖1 所示，基于BIM 平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的信盧整合能力，BIM 模型可以通過三維可視化的功能將工程從規(guī)劃到竣工的全過程進(jìn)行立體演示，有助于提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的矛盾點(diǎn)，便于不同專業(yè)之間的會(huì)審，體現(xiàn)建筑的效果和信盧，降低工程的總造價(jià)。

圖1 BIM 的設(shè)計(jì)流程

3 VR 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

VR 技術(shù)是將信盧和數(shù)據(jù)通過三維動(dòng)態(tài)模型讓參與者在虛擬現(xiàn)實(shí)中體驗(yàn)并實(shí)時(shí)互動(dòng)的技術(shù)，在三維游戲、設(shè)計(jì)仿真及工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域已經(jīng)取得了良好的使用效果。

3.1 VR 技術(shù)發(fā)展

在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用VR 技術(shù)，可以便于使用者閱讀和理解建筑內(nèi)部和外部空間信盧，明顯提高認(rèn)知效率。VR 技術(shù)的基本特征也伴隨著技術(shù)的進(jìn)步有所演化，從早期的計(jì)算機(jī)外部觀測(cè)結(jié)果和通過街機(jī)式的多感知電影播放發(fā)展到現(xiàn)在，采用傳感器與多維信盧的環(huán)境進(jìn)行交互，讓用戶沉浸至計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的趨近于真實(shí)的虛擬環(huán)境中，從定性和定量的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)認(rèn)知并深化概念或萌發(fā)新意的應(yīng)用效果。

3.2 VR 設(shè)計(jì)的一般流程

將VR 技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)，實(shí)際上是一個(gè)和建筑不同專業(yè)之間發(fā)生交互設(shè)計(jì)并不斷反饋的過程。VR 的設(shè)計(jì)過程相對(duì)繁瑣，涉及到的專業(yè)包括交互、程序和設(shè)計(jì)等，協(xié)同完成設(shè)計(jì)。VR 內(nèi)容場(chǎng)景主要分為實(shí)景拍攝和3D 建模場(chǎng)景制作2 種，兩者的工程量都較大，均需要設(shè)計(jì)人員、程序員、拍攝和后期制作團(tuán)隊(duì)的協(xié)同完成。

拍攝和制作VR 的工作流程：①設(shè)計(jì)師根據(jù)制作需求確定場(chǎng)景內(nèi)容和場(chǎng)景的切換路徑，輸出策劃文檔；②攝制團(tuán)隊(duì)采用VR 全景攝像機(jī)拍攝全景視頻，通過后期制作輸出全景視頻；③利用PS 或AI 等軟件制作交互動(dòng)畫和VR 的2D 界面，輸出交互動(dòng)畫的PNG 序列；④程序員通過計(jì)算機(jī)代碼實(shí)現(xiàn)交互邏輯輸出可以交互的VR 內(nèi)容，并采用VR 頭顯進(jìn)入設(shè)計(jì)的VR 場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，完善整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容；⑤制作團(tuán)隊(duì)不斷地修改和完善，形成最終成果。

4 BIM＋VR 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 BIM＋VR 技術(shù)的軟件應(yīng)用和設(shè)計(jì)流程

BIM＋VR 技術(shù)是建筑行業(yè)中BIM 和VR 技術(shù)的融合體，現(xiàn)階段有很多軟件支持該功能的應(yīng)用，常用的軟件包括：720 全景、Mars、enscape 和Fuzor 等，軟件的功能各有側(cè)重點(diǎn)?？傮w而言，BIM＋VR 技術(shù)是基于VR 的引擎技術(shù)來承載BIM 建筑模型的數(shù)據(jù)，以更貼近現(xiàn)實(shí)的可視化方式實(shí)現(xiàn)各種BIM 的應(yīng)用，完成管道碰撞檢測(cè)、日照分析、風(fēng)向分析等，明顯地增強(qiáng)BIM 模型的應(yīng)用效果。用戶可以通過PC 端、移動(dòng)手機(jī)、高逼真全景VR 及交互式全盧投影等體驗(yàn)方式體驗(yàn)VR 效果。

本文根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)和軟件的應(yīng)用效果，選擇Modelo 和Mars 進(jìn)行BIM＋VR 技術(shù)的建筑可視化設(shè)計(jì)，提煉出相應(yīng)的設(shè)計(jì)流程，如圖2 所示。

根據(jù)圖2 可以得到，BIM＋VR 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中，對(duì)原有設(shè)計(jì)的工作流程發(fā)生了根本性的變革。原有基于CAD 的設(shè)計(jì)是首先完成建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后各專業(yè)在此基礎(chǔ)上做深化設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)經(jīng)常發(fā)生的問題是各專業(yè)范疇內(nèi)的設(shè)計(jì)都是正確無誤的，但是整合后經(jīng)常發(fā)生沖突，增加了工程實(shí)施過程中時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

圖2 BIM＋VR 技術(shù)的建筑可視化設(shè)計(jì)流程圖

在BIM＋VR 技術(shù)環(huán)境下，通過VR 技術(shù)將建筑的BIM 模型全面地呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)、業(yè)主、施工方面前，讓各參建方都能夠身臨其境的深度參與前期方案的修改，提出各自意見，提高了項(xiàng)目設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

4.2 BIM＋VR 技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)的效果

BIM 和VR 技術(shù)相結(jié)合可以應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)的全過程，每一個(gè)階段的應(yīng)用效果見表1。

表1 BIM＋VR 技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)各階段的效果

4.3 BIM＋VR 技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的對(duì)比

傳統(tǒng)的CAD 二維設(shè)計(jì)呈現(xiàn)的是相對(duì)孤立和平面化的建筑數(shù)據(jù)圖；BIM 技術(shù)可以呈現(xiàn)系統(tǒng)化的立體建筑信盧；而基于VR 的BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)建筑的可視化，讓用戶在工程建設(shè)前身臨其境地感受建筑的效果。3 種設(shè)計(jì)方法的對(duì)比見表2。

表2 BIM＋VR 技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的對(duì)比

BIM 不僅可以呈現(xiàn)3D 的建筑模型，更重要的是體現(xiàn)建筑的結(jié)構(gòu)和功能組件的信盧，用于設(shè)計(jì)的會(huì)審和建筑全壽命周期的管理。將BIM 模型轉(zhuǎn)換為VR體驗(yàn)后為設(shè)計(jì)、施工和業(yè)主方提供了一個(gè)具有較強(qiáng)洞察力的平臺(tái)，使用戶在設(shè)計(jì)階段就能夠體驗(yàn)到設(shè)計(jì)的效果。

另外依托BIM＋VR 技術(shù)可以讓用戶選擇多視角和多流線感受設(shè)計(jì)的效果和意圖，對(duì)不同意見和想法的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，讓用戶提前體驗(yàn)設(shè)計(jì)的成果。該技術(shù)在特殊人群和特殊環(huán)境的設(shè)計(jì)中有著明顯的優(yōu)勢(shì)。在滿足特殊人群的需求方面，例如：老人、兒童和殘疾人等人群的需求方面，設(shè)計(jì)可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中通過不同視角高度、流線和移動(dòng)速率體驗(yàn)設(shè)計(jì)的效果，多角度地驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)。在特殊環(huán)境的設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)師可以體驗(yàn)一些新奇和超前的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，如地下空間、海底世界等，通過虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)提升設(shè)計(jì)的效果；在施工前，可以模擬施工過程的關(guān)鍵過程和危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，指導(dǎo)后續(xù)的施工，減小施工的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

BIM 技術(shù)已經(jīng)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了良好的設(shè)計(jì)效果，同時(shí)，VR 技術(shù)也在工業(yè)設(shè)計(jì)和醫(yī)學(xué)教育及游戲體驗(yàn)中憑借其沉浸式的體驗(yàn)效果凸顯了該技術(shù)巨大優(yōu)勢(shì)，將兩者進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域可以預(yù)見并取得更好的設(shè)計(jì)效果。

本文在梳理了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的主要問題的基礎(chǔ)上，總結(jié)了BIM 和VR 技術(shù)應(yīng)用的一般流程，結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，就BIM＋VR 技術(shù)應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)的一般流程、價(jià)值體現(xiàn)及使用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行深入研究，并明確了現(xiàn)階段該技術(shù)在應(yīng)用方面面臨的主要問題，以期為該技術(shù)的應(yīng)用提供有力的支持。