基于BIM技术的沉浸式VR虚拟仿真园区的建设与研究

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　　摘    要：为提高建筑类专业学生的实训效率，本文通过BIM模型的创建以及具有互动性的沉浸式VR技术，建立了一个建筑虚拟仿真园区，将所有原本只能通过实体建筑表达的建筑结构形式、建造形式以及节点配筋、构造和施工过程通过现代化信息技术表达出来，实现资源的节约和有效利用。
　　关键词：BIM技术;沉浸式VR;建筑工程;虚拟仿真园区
　　1  研究背景
　　随着当前建筑行业的快速发展，企业对当代建筑类人才的专业素养有了更进一步的要求。与此同时，为了顺应二十一世纪信息化技术的高速发展和落实高校人才培养方案、满足建筑类人才的专业性需求，国家大力提倡全方面提高大学的教学质量，提倡建筑类专业的理论教学、技能实际训练的专业综合素养培养相结合，并建议提高大学生实训所占的比重，但由于多数高校现有教学方案具有陈旧性，建筑实地训练场地具有极高的危险性，导致出现了建筑类学生实训的学习方式单一、成本高、限制条件多等问题。基于BIM虚拟建模与沉浸式VR技术的结合，有望改善这种现有的状况。
　　在科学技术高速发展的当下，虚拟仿真技术在建筑类院校课堂教学中使用的频率越来越高，而且相关学者针对BIM技术、沉浸式VR技术与虚拟仿真实训的研究推动了基于BIM技术的建筑类院校实训方式的发展[1]。本文通过研究与分析建立了基于BIM技术和具有互动性的沉浸式VR技术的相关专业大学生技能训练的平台，有助于学生对不同的结构形式、建造形式以及节点配筋、构造和施工过程等的深入理解和熟练掌握，同時也节省了大量的空间、成本和实体实训场地后期的运维费用。
　　2  实例建设与分析
　　2.1  虚拟仿真园区建设的设计理念
　　虚拟仿真实训平台在结构方面，同时支持砌体结构、框架结构、剪力墙结构、钢结构四种重要的结构形式，融入了现浇与装配式两种不同的建造形式;在机电方面，对MEP系统进行了重点建设;在园区规划以及交通组织方面，园区功能分区明确，整体呈围合式布局，并对园区内部交通路线进行合理布置，避免实训学生、内部工作人员、管理人员等不同性质人流之间相互干扰。
　　2.2  虚拟仿真园区模型实例
　　虚拟仿真园区着重对结构与暖通部分进行了重点建设，下文将对两种不同建造形式的结构模型与MEP系统模型的建设实例分别来进行进一步的探讨与展示。
　　现阶段我国建筑施工行业的发展突飞猛进，现浇混凝土结构因其施工简单，整体性强以及抗震性能好等优点备受建筑行业的青睐[2]。因此，了解与掌握现浇混凝土结构的不同结构形式以及节点配筋、构造和施工过程便成了建筑类学生必须掌握的技能。然而，在高校组织的实训中，学生很难接触到施工过程中的隐蔽工程，比如钢筋工程，大部分情况都是已经浇筑完成的完整建筑构件。如果将BIM技术与VR技术结合，建立对不同结构形式的建筑构造细节进行更加全方位、具体化展示的立体模型，将会有助于学生对学习内容的深入了解和熟练掌握。如图1所示，在建筑模型内部框架结构柱与梁纵横交错，钢筋在其中穿插而过，在利用Revit进行模型绘制过程中将节点处的部分混凝土设定为隐藏模式。这样便对现浇结构重要节点处的配筋情况进行了重点展示，使其更加细节化。
　　伴随着建筑施工技术以及建筑信息化的高速发展，同时也符合绿色建筑要求的装配式建筑正在蓬勃发展，而建筑类学生的专业实训应与我国建筑行业发展现状相结合才能够培养出顺应时代发展的高素质人才。因此关于装配式建筑的教学也应当成为学生实训学习的重点。如图2所示，这是一栋二层未封顶的装配式剪力墙建筑。因预制剪力墙进行吊装后，墙体需要利用支撑杆件进行固定，故利用Revit建族的方式实现了支撑杆件的绘制。在绘制预制墙与墙之间的钢筋连接时，采用先将暗柱箍筋按照间距要求搁置在预制墙板挑出的钢筋上，再从顶端插入竖向钢筋，将箍筋与竖向钢筋绑扎固定的顺序完成了对节点的绘制。此外，针对装配式框架结构模型，在绘制过程中，采用建模大师等插件大大提高了绘制装配式构件的效率，此模型还可以通过扫描装配式柱上的二维码，了解到柱子的建筑材料以及配筋情况等基本信息。
　　针对单体结构模型中的MEP系统，主要围绕着系统的划分和各个定制族的配置两个方面进行建立，由于需要精细化的建模，管道附件，给排水设备，风管附件等都需要放置恰当，同时针对不同的系统和设备配置的管道也不相同。为减少重复性的工作和降低主文件的大小，将整体模型拆分成各个小项目，如空调冷冻水系统部分，风系统部分，排水部分等，可以通过模型的层层连接，分区块插入到建筑模型的中心文件中，通过打开复制监视功能，也方便了分部文件的修改。在现有的Revit工作流程下也可以通过族的组合，创造出相对固定的阀门附件组合，如软连接，止回阀，压力表，截止阀，过滤器等的组合，整体插入模型中，减少了建模的工作量，其缺点是部分管件设备的连接不够精确，需要定位修改和调试，但模型并不需要直接用于指导施工，也并非最后的成品，由于其能够分开导出单独作为.fbx文件，方便后期的渲染和修改，此方法值得尝试。
　　3  沉浸式VR虚拟仿真园区平台的构建
　　通过利用VR与 AR 技术对 BIM 的数据信息进行可视化表达，方便了可视化的虚拟实训，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： Unity3D、UE4等，对于园区项目模型构建流程的关键性实施步骤如图3所示，主要分为以下几点。
　　（1）首先依据相关CAD图纸与节点安装等的设计，在Revit中进行模型的建立，其中包括预制剪力墙、叠合板、支撑构件、暖通机电等相关族部件，建立完成后通过Navisworks进行管道部分的碰撞检测。主体模型建立完成后其他相关Navisworks中的4D和5D模拟来控制项目进度和成本，碰撞冲突检测，施工模拟等。 　　（2）在其他必要组件如视频，音频，图片等辅助介绍部分可以通过 Enscape， Lumion等渲染软件实现快速出图，并以相关文件格式插入到最后的开发场景中。
　　（3）3DMax是一個较为普适的渲染软件，本文将建立完成的模型分别导入3DMax中进行渲染，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。在细化渲染中3DMax可以针对模型面数进行批量优化处理[3]，以降低对渲染质量的影响。
　　（4）最后由3DMax导出Unity 3D兼容的.fbx格式到Unity3D 中，将引擎技术结合C#脚本语言可以赋予三维模型交互能力[4，5]，实现基于第一人称的无失真漫游，当场景中包含大量模型时，会造成FPS帧速率下降，使用遮挡剔除，可以使那些被阻挡的物体不被渲染，达到提高渲染效率的目的。在大规模场景中尝试采用场景块拼接，建立部分MapTile，以缓解GPU处理压力，在非必要场景中通过过渡视频进行承接，通过选项菜单等引导实训者进入建筑物内部。既保证设备流程运行，同时兼顾渲染质量。人员在移动时需要在碰撞检测技术中做一些碰撞事件的处理，添加碰撞检测函数，同时触发器是碰撞体的一个属性，只需要在检视面板中的碰撞器组件中勾选IsTrigger属性选择框。
　　（5）在处理用户的交互界面部分，利用C#脚本语言在适当的教学位置加入相应的图像和视频教程，导入VR、AR的 SDK 软件开发工具包，使用沉浸式VR第一人称视角在虚拟场景里漫游，最后与实际设备的运行调试，从而完成整个园区与沉浸式VR的最终结合。
　　4  结束语
　　在涉及危险或极端的环境、高成本实训中工地节奏与教学周期不吻合、新技术和新工艺相对滞后以及实习时间仓促难以深入等情况时，新技术能提供安全、可靠、经济和面向未来的虚拟实训项目[6]。虚拟仿真园区将BIM技术与沉浸式VR技术结合，充分利用了现代信息技术，弥补了传统实训的一些不足，将是未来建筑类学生虚拟仿真训练的重要途径。
　　参考文献：
　　[1] 付亚静，杨华，李书阳.基于BIM的虚拟仿真技术在教学领域的应用与实践[J].土木建筑工程信息技术，2019（6）：70～75.
　　[2] 林海佳.高层建筑现浇钢筋混凝土框架结构设计实例应用[J].住宅与房地产，2018（18）：122.
　　[3] 邱贵聪，杨洁，陈一鸣.BIM+VR、AR应用研究[J].土木建筑工程信息技术，2018（3）：22+7.
　　[4] 叶玉萍.基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统研究[J].电脑与信息技术，2020（2）：14+6.
　　[5] 张明宇.基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统的研究与实现[D].哈尔滨工程大学，2016.
　　[6] 辛星，冯哲.建筑工程实训室在新技术下的发展探索[J].现代装饰（理论），2016（9）：226.
　　项目基金：
　　华北理工大学大学生创新创业计划项目（X2019193）。
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