揣在口袋里的三維建筑模型

陳銘銘

摘 要：本研究針對(duì)在應(yīng)用建筑信息模型進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐時(shí)，不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員對(duì)于同一問題的理解會(huì)存在差異，因而容易引起信息傳達(dá)的誤解，降低建筑設(shè)計(jì)及施工的效率問題，提出了將VR與BIM相結(jié)合并實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的應(yīng)用，從而提高建筑交互的效率，在建筑設(shè)計(jì)及施工領(lǐng)域應(yīng)用有著廣泛的前景。本小組研究將BIM中的建筑信息轉(zhuǎn)移到移動(dòng)端的VR設(shè)備中去，進(jìn)行一個(gè)Revit軟件的二次開發(fā)，并且以開發(fā)出的軟件進(jìn)行建筑信息多人交互效率影響的檢測(cè)從而驗(yàn)證此次軟件二次開發(fā)的作用與影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明移動(dòng)端VR在一定程度上能夠提升建筑信息多人交互的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：BIM模型;移動(dòng)端;VR

1.課題背景：BIM和VR結(jié)合成為主流趨勢(shì)

隨著信息化時(shí)代的到來，建筑模型信息化也是一種不可扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。因此BIM軟件興起，相對(duì)于傳統(tǒng)的圖紙，BIM能很好的呈現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)和施工中的碰撞點(diǎn)，加強(qiáng)加快了不同的專業(yè)人士之間的交互。但是與真實(shí)感還是存在一定的差異，且建模文件一般只能在計(jì)算機(jī)上打開，而不能在移動(dòng)端打開，這無疑阻礙了建筑信息的交互。在另一方面而隨著科技的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)不僅僅只是一個(gè)演示媒體 ，并且開始運(yùn)用到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，包括醫(yī)學(xué)、娛樂、航天航空等，然而在建筑領(lǐng)域還是有待研究。比如裝修房屋之前你首先要做的事是對(duì)房屋的結(jié)構(gòu)、外形做細(xì)致的構(gòu)思，為了使之定量化，你還需設(shè)計(jì)許多圖紙，當(dāng)然這些圖紙只能內(nèi)行人讀懂，虛擬現(xiàn)實(shí)可以把這種構(gòu)思變成看得見的虛擬物體和環(huán)境，可以通過身體方位的變動(dòng)自動(dòng)切換視角實(shí)現(xiàn)沉浸式的體驗(yàn)。因此，將兩個(gè)熱門的技術(shù)結(jié)合成為了建筑信息交互中新的發(fā)展趨勢(shì)。

同濟(jì)大學(xué)孫澄宇博士面向三維模型的評(píng)論分享需求而開發(fā)的移動(dòng)端交流工具“宇信”，它接受常見的OBJ格式，SMP格式模型，除了以不同的方式在三維空間中移動(dòng)觀察外，還支持語音控制的手機(jī)雙目立體漫游，可以很好地理解三維模型的形態(tài)特點(diǎn) 。同時(shí)，它的用戶可以通過在線交流的方式或離線傳輸?shù)姆绞綄?duì)模型的局部或整體進(jìn)行各種評(píng)價(jià)，而所有的評(píng)價(jià)連同他們的觀察位置與視角都可以以二維碼或文本鏈接的形式分享，實(shí)現(xiàn)面向三維模型的有效交流。該工具可以用于建筑設(shè)計(jì)、城市設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)。然而一般的BIM模型無法導(dǎo)入宇信中，如現(xiàn)在比較熱門的BIM軟件revit。本項(xiàng)目目的是想將BIM模型導(dǎo)出并自動(dòng)、轉(zhuǎn)化成為移動(dòng)端VR可讀的格式，提升模型渲染效果，帶給體驗(yàn)者更具象化的信息體驗(yàn);搭建在線虛擬協(xié)同平臺(tái)，利用平臺(tái)在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)人員遠(yuǎn)程多人協(xié)同設(shè)計(jì)，提高不同專業(yè)人士對(duì)于模型的溝通調(diào)整效率。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀分析

在國(guó)內(nèi)方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也逐漸開始在建筑、規(guī)劃、景觀等方面落地應(yīng)用。有學(xué)者研究了虛擬現(xiàn)實(shí)在建筑設(shè)計(jì)及古建筑保護(hù)中的應(yīng)用方法（朱寧克，鄒越，2008; 肖海平，2013; 何成戰(zhàn)，2013; 齊會(huì)娟，李德雄，劉佳，2016）;有學(xué)者研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的景觀分析和景觀創(chuàng)作方法及應(yīng)用（李國(guó)松，楊柳青，2008; 季景濤，2014; 王圣霖，朱世范，胡海輝，2015; 黃文柳，裘斌，卓泳，2015）;也有學(xué)者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用到了樣板房效果展示中（袁霄，袁瑩，2008; 李瑩，2009; 常洋，呂媛媛，韓應(yīng)江，2014; 劉桐，2015）。

近年來隨著支撐虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟硬件設(shè)施逐漸成熟，國(guó)外已經(jīng)有學(xué)者開始嘗試將BIM與VR及AR技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用與建筑行業(yè)實(shí)踐，以進(jìn)一步發(fā)揮BIM的協(xié)同作用。Yan等人研究了計(jì)算機(jī)游戲與建筑可視化及建筑教育結(jié)合的可能性，并創(chuàng)建了整合BIM和游戲的框架，并展示了基于該框架下實(shí)時(shí)的、可互動(dòng)的虛擬用戶漫游模型（Yan W， Culp C and Graf R，2011）。Wang等人認(rèn)為通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將實(shí)現(xiàn)將BIM用于與現(xiàn)場(chǎng)人員的互動(dòng)和實(shí)時(shí)溝通，并開發(fā)了一個(gè)概念框架來調(diào)查通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓BIM擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用（WANG X， LOVE P E and DAVIS P R，2012）?；谟脩粼O(shè)計(jì)導(dǎo)向的設(shè)計(jì)，Heidari等人提出智能BIM技術(shù)模型——產(chǎn)生一種虛擬建筑空間，能夠讓用戶體驗(yàn)在空間中的日常，能夠與虛擬智能設(shè)備互動(dòng)，而設(shè)計(jì)師可以根據(jù)用戶反饋來調(diào)整智能建筑的設(shè)計(jì)（Heidari M， Allameh E and de Vries B， et al.，2014）。Edward等研究將基于協(xié)同和交互設(shè)計(jì)的BIM技術(shù)與計(jì)算機(jī)游戲引擎結(jié)合，創(chuàng)造了一個(gè)基于設(shè)計(jì)師使用需求，符合開發(fā)穩(wěn)定性和功能性的BIM系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試表明其可以支持更多的協(xié)同和互動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)程（Edwards G， Li H and Wang B，2015）。

BIM與VR的結(jié)合成為建筑信息交互中新的發(fā)展趨勢(shì)，但是現(xiàn)有技術(shù)下建筑信息的VR體驗(yàn)只在PC端較為普及，扮演而沒有實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端（手機(jī)）的沉浸式體驗(yàn)。

3.技術(shù)路線：如何實(shí)現(xiàn)BIM與VR的結(jié)合

項(xiàng)目流程如圖1所示，利用revit2017生成BIM模型后，導(dǎo)出可被宇信平臺(tái)接受的.obj文件格式，在宇信平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的VR體驗(yàn)，也可以在此平臺(tái)進(jìn)行評(píng)論，標(biāo)注信息，最后導(dǎo)出含有交互信息的.smp文件，將BIM模型在移動(dòng)端可視化，從而提高了多人交互的效率。

然而宇信只能接受.obj格式，而revit不能直接導(dǎo)出obj格式文件，因此要進(jìn)行二次開發(fā)，本小組通過在Revit2017菜單欄里面添加一個(gè)導(dǎo)出obj格式文件的附加模塊。Revit2017提供API，所有數(shù)據(jù)都可以通過API讀到，API提供了C#開發(fā)接口。在開發(fā)完成后，將設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)來研究此成果對(duì)在建筑信息交互中的作用。

4.Revit2017二次開發(fā)計(jì)劃和結(jié)果

4.1.Revit與.obj格式對(duì)比

4.1.1.Revit與.obj格式介紹

由于要使Revit導(dǎo)出.obj格式文件，首先得了解兩個(gè)文件的格式特點(diǎn)。Revit是美國(guó)Autodesk公司開發(fā)的的軟件，為建筑信息模型（BIM）構(gòu)建的，可幫助建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)質(zhì)量更好、能效更高的建筑。

目前國(guó)內(nèi)民用建筑BIM主要建模平臺(tái)就是Revit，建完模型后，后續(xù)有很多的擴(kuò)展運(yùn)用，如運(yùn)維，VR，AR等，Revit目前提供的接口如下：

Revit 原生格式：RVT、RFA、RTE、RFT

CAD 格式：DGN、DWF、DWG、DXF、IFC、SAT 、 SKP、FBX

圖像格式：BMP、PNG、JPG、JPEG 和 TIF

其他格式：ODBC、HTML、TXT 和 gbXML

Revit提供API，所有數(shù)據(jù)都可以通過API讀到，API提供了C#，VB.net，C++等開發(fā)接口，現(xiàn)詳細(xì)分析C#的API，Revit API，所有的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)到Revit.DB這個(gè)類中，如圖2所示。

obj文件格式支持直線（Line）、多邊形（Polygon）、表面（Surface）和自由形態(tài)曲線（Free-form Curve）。直線和多邊形通過它們的點(diǎn)來描述，曲線和表面則根據(jù)它們的控制點(diǎn)和依附于曲線類型的額外信息來定義，這些信息支持規(guī)則和不規(guī)則的曲線，包括那些基于貝塞爾曲線（Bezier）、B樣條（B-spline）、基數(shù)（Cardinal/Catmull-Rom）和泰勒方程（Taylor equations）的曲線。其他特點(diǎn)如下：

（1）OBJ文件是一種3D模型文件。不包含動(dòng)畫、材質(zhì)特性、貼圖路徑、動(dòng)力學(xué)、粒子等信息。

（2）OBJ文件主要支持多邊形（Polygons）模型。雖然也支持曲線（Curves）、表面（Surfaces）、組材質(zhì)（Point Group Materials）。

（3）OBJ文件支持法線和貼圖坐標(biāo)。在其它軟件中調(diào)整好貼圖后，貼圖坐標(biāo)信息可以存入OBJ文件中。

4.1.2.Revit與.obj格式差異

Revit中常用的模型元素通過層層繼承關(guān)系，均為Element的子類;

元素的數(shù)據(jù)均封裝在其各自的類中，而OBJ文件由一行行文本組成，有字的行都由一兩個(gè)標(biāo)記字母也就是關(guān)鍵字（Keyword）開頭，關(guān)鍵字可以說明這一行是什么樣的數(shù)據(jù)。

在Revit模型的編輯視圖中，Revit使用項(xiàng)目基準(zhǔn)點(diǎn)（Project base point、測(cè)繪點(diǎn)（Survey point）、真北方向（True North）、項(xiàng)目北方向（Project North）、位置（Location）、地點(diǎn)（Site）來形象刻畫元素位置;在制作族的時(shí)候，族文件內(nèi)的幾何體具有自己的坐標(biāo)系;當(dāng)族文件被加載到Revit模型中時(shí)，族實(shí)例的幾何體具有自己的坐標(biāo)系;對(duì)于基于點(diǎn)的族實(shí)例，比如柱子，門窗，家具等。我們可以通過基于點(diǎn)的族實(shí)例的Location屬性來返回一個(gè)LocationPoint對(duì)象，該對(duì)象刻畫了插入點(diǎn)的位置坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度;對(duì)于基于線的族實(shí)例，比如梁。Revit API為我們提供了一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣GeometryInstance.Transform，可通過它來把族文件中幾何實(shí)體的坐標(biāo)信息直接轉(zhuǎn)成成族實(shí)例在模型文件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。而。Obj格式使用三個(gè)參數(shù)x， y， z來刻畫位置;使用三個(gè)點(diǎn)來刻畫一個(gè)面、以頂點(diǎn)坐標(biāo)來刻畫幾何體等方式構(gòu)建圖形。

4.2.二次開發(fā)的計(jì)劃

第一步：通過Revit API讀入模型各元素（Element）數(shù)據(jù)

第二步：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保存各元素參數(shù)

第三步：實(shí)現(xiàn)從Revit坐標(biāo)系向obj文件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

第四步：將Revit中所包含的元素實(shí)例（Instance）轉(zhuǎn)化成obj文件所支持的元素類型

第五步：將上面所處理得到的數(shù)據(jù)寫入obj文件中

4.3.二次開發(fā)的結(jié)果

目前已經(jīng)成功完成了revit的二次開發(fā)，將revit中導(dǎo)出的文件如圖3，在宇信平臺(tái)打開后運(yùn)行結(jié)果如圖4。戴上一般VR眼鏡之后，便可以實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)。

導(dǎo)出的obj格式文件：

5.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果：驗(yàn)證二次開發(fā)成果在建筑領(lǐng)域的作用

5.1.效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)一：BIM+VR 與傳統(tǒng)圖紙解讀項(xiàng)目的對(duì)比

選取對(duì)象為土木或建筑專業(yè)的學(xué)生隨機(jī)分為兩組，一組用傳統(tǒng)的圖紙解讀項(xiàng)目，并將碰撞點(diǎn)在圖紙上表示，一組用revit2017排查后導(dǎo)入到移動(dòng)端VR來解讀項(xiàng)目，并在移動(dòng)端上通過評(píng)論功能標(biāo)出碰撞點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)兩組學(xué)生找出碰撞點(diǎn)的時(shí)間和正確的數(shù)量。

實(shí)驗(yàn)二：移動(dòng)端VR交互與傳統(tǒng)圖紙交互建筑信息的對(duì)比

找出碰撞點(diǎn)后，傳統(tǒng)圖紙組的同學(xué)通過圖紙表達(dá)將碰撞點(diǎn)標(biāo)記并將碰撞信息傳遞給負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的同學(xué)，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的同學(xué)根據(jù)碰撞點(diǎn)提出修改意見。而移動(dòng)端VR組的同學(xué)直接通過在移動(dòng)端上添加評(píng)論并導(dǎo)出文件發(fā)送給負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的同學(xué)，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的同學(xué)根據(jù)碰撞點(diǎn)提出修改意見。比較兩種方式完成此次交互所用的時(shí)間以及修改意見的正確率。

此次試驗(yàn)?zāi)M的是建筑活動(dòng)中施工組在發(fā)現(xiàn)圖紙上存在碰撞點(diǎn)時(shí)與設(shè)計(jì)組協(xié)同交互的情形如圖5。

因條件限制，無法將二次開發(fā)的成果運(yùn)用到實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行交互效率的分析，也無法選取專業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和施工團(tuán)隊(duì)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此小組采用以上簡(jiǎn)化后的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及選取的管道模型如圖6，水管和風(fēng)管的部分碰撞點(diǎn)如圖7。

5.2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：

5.2.1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

共招募有效被試52人，其中男生35人，占總被試數(shù)的67.3%，女生17人，占總被試數(shù)的32.7%。全部來自土木和建筑專業(yè)學(xué)生。兩人一組，一人扮演設(shè)計(jì)人員，一人扮演施工人員，總共分為26個(gè)小組，移動(dòng)端VR方式和傳統(tǒng)圖紙方式各分配13個(gè)小組。負(fù)責(zé)施工的成員先完成實(shí)驗(yàn)一，以下為實(shí)驗(yàn)一結(jié)果如圖8圖9：

當(dāng)施工人員完成實(shí)驗(yàn)一后和對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)人員共同完成實(shí)驗(yàn)二，以下為實(shí)驗(yàn)二結(jié)果如圖10：

且設(shè)計(jì)人員提出修改意見當(dāng)中，傳統(tǒng)組僅有6組改進(jìn)方案可行，而VR組有9組提出的改進(jìn)方案可行。

5.2.2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析：

從實(shí)驗(yàn)一可以看出，移動(dòng)端VR與BIM的結(jié)合與傳統(tǒng)的圖紙解讀建筑信息相比，前者能更快的通過BIM分析直接找到碰撞點(diǎn)，并且在移動(dòng)端顯示的VR模型上找到標(biāo)記，由于是BIM自動(dòng)分析碰撞點(diǎn)，大大減小了出錯(cuò)，而通過我們二次開發(fā)的成果將模型直接導(dǎo)入移動(dòng)端，方便直觀的將信息記錄在移動(dòng)端上，宇信平臺(tái)的自由切換視角以及評(píng)論功能，也方便了碰撞點(diǎn)的信息標(biāo)記。通過實(shí)驗(yàn)表明，查找碰撞點(diǎn)的時(shí)間前者用的時(shí)間非常短，相比大多時(shí)間用在了標(biāo)記信息上。而后者用傳統(tǒng)的方法，時(shí)間大多用在了查找碰撞點(diǎn)，在各種剖面，平面圖，立面以及詳圖中查找碰撞點(diǎn)，需要將各個(gè)方位對(duì)應(yīng)，最后將碰撞點(diǎn)標(biāo)記在一張平面圖中，這樣的查找出錯(cuò)率高，原因是管線和柱的重疊在單張圖紙上無法顯示，這就需要結(jié)合多個(gè)視角分析，花費(fèi)了較長(zhǎng)時(shí)間，但是圖紙的標(biāo)記速度較快，同時(shí)出錯(cuò)率也高。此實(shí)驗(yàn)表明了移動(dòng)端VR與BIM的結(jié)合能夠加強(qiáng)個(gè)人對(duì)建筑信息的提取和理解效率和質(zhì)量。

從實(shí)驗(yàn)二可以看出，移動(dòng)端VR與BIM的結(jié)合與傳統(tǒng)的圖紙?jiān)诮ㄖ畔⒔换シ矫?，兩者在同地同時(shí)交互時(shí)的效率，前者大大得到了提高。由于模型通過宇信平臺(tái)可以隨意切換視角，且通過實(shí)驗(yàn)一已添加的評(píng)論，可以加快溝通的效率，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過移動(dòng)端VR也能更好的表達(dá)自己改進(jìn)的方案。在信息交互方面，移動(dòng)端VR和BIM大大提高了交互的效率和質(zhì)量。而傳統(tǒng)組在實(shí)驗(yàn)一中已經(jīng)在碰撞點(diǎn)的排查方面大大落后，在實(shí)驗(yàn)二中傳遞碰撞信息時(shí)花費(fèi)了較多時(shí)間，而設(shè)計(jì)人員在理解方面又容易出現(xiàn)偏差，因此交互的質(zhì)量不高，最后給出的方案可行性也很低（此處的可行性只針對(duì)實(shí)驗(yàn)一中施工人員找出的正確碰撞點(diǎn)的改進(jìn)）。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可總結(jié)為以下兩個(gè)方面：

從交互的效率分析，移動(dòng)端VR與BIM的結(jié)合能有效提高建筑活動(dòng)中交互的效率，不論從個(gè)人對(duì)圖紙的理解速度還是從信息的傳遞方面，其效率都大大提高了。但是在標(biāo)記信息方面，移動(dòng)端VR可能還有待提升，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)于移動(dòng)端VR的操作不熟練引起了效率的降低，但總體效率提升了。

從交互的質(zhì)量分析，移動(dòng)端VR與BIM的結(jié)合能夠減少施工以及設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，避免一些容易忽略的碰撞點(diǎn)，以及傳統(tǒng)圖紙無法體現(xiàn)的碰撞點(diǎn)，在信息交互時(shí)，也能減少誤解，增加溝通的便利性。此外對(duì)方案的改進(jìn)和重新確立也起著非常重要的作用

6.研究結(jié)論：BIM與移動(dòng)端VR結(jié)合提高建筑信息交互質(zhì)量和效率

本研究通過revit2017的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了obj格式文件的導(dǎo)出，并將其導(dǎo)入到移動(dòng)端的宇信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了BIM與移動(dòng)端VR技術(shù)的結(jié)合，不僅解決了在建筑設(shè)計(jì)和施工時(shí)交互困難的問題，方便了交互，更提高了交互的質(zhì)量和效率。而這正是此項(xiàng)目的目的和意義。除此之外，在建筑領(lǐng)域，VR技術(shù)的推廣能給建筑設(shè)計(jì)師們更好的表達(dá)空間，更方便了與甲方的交流，避免了傳統(tǒng)圖紙表達(dá)不清產(chǎn)生的誤解。移動(dòng)端的應(yīng)用更加跟上了時(shí)代的步伐，讓VR技術(shù)不再只是停留在游戲室和笨重的頭盔上，變得更加簡(jiǎn)潔方便。將虛擬現(xiàn)實(shí)與BIM相結(jié)合并普及化還有著更多的應(yīng)有前景等待發(fā)掘。

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