基于BIM的结构虚拟实验室建设探索

刘灿

【摘 要】文章介绍了BIM和VR技术的概念，阐述了BIM、VR及有限元的关系，讨论了结构虚拟实验室在科研及教学工作上的优势及未来发展趋势，为结构虚拟实验室的建设方向提供了崭新思路。

【关键词】BIM；VR；有限元；结构虚拟实验室

【Abstract】This paper introduces the concept of BIM and VR technology，expounds the relationship between BIM，VR and finite element， discusses the advantages and future development trend of structural virtual laboratory in scientific research and teaching work，providing new ideas for the construction of structural virtual laboratory.

【Key words】BIM；VR；Finite element；Structural Virtual Laboratory

1 BIM技術概述

1.1 BIM概念

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是继CAD技术后建筑行业又一项重要的发明。不同于传统的CAD或3D建模技术，BIM是一个集成了建筑物从设计、施工到完建后运营、维修保养、直至回收处理的全寿命周期信息的三维模型数据库。项目各阶段信息相辅相成，对项目任意数据进行修改，会引起与其相关联的其他信息的变化。

1.2 BIM研究与应用现状

目前国内外关于BIM的研究主要集中在三个方面：

1）信息技术类研究，主要体现在完善BIM软件系统；

2）理论指导类研究，主要体现在完善BIM相关技术标准并以学术形式公开研究成果；

3）实际工程类研究，主要是关于BIM技术如何在工程项目中实现的研究。

BIM技术在国外发达国家应用较广泛，涉及规划、设计、施工、运营各个阶段，但是国内仅少数发达地区应用BIM技术，如上海中心大厦、河北奥体中心、上海世博会德国馆、天津港国际邮轮码头等，且应用主要集中在设计和施工方面，远远没有实现在全寿命周期的应用。我国BIM发展的主要问题在于没有完善的标准以及软件系统。

2 VR与BIM的技术融合

VR技术即虚拟现实技术，是通过电脑模拟产生一个三维虚拟世界，提供给使用者如身临其境般的全感官模拟。VR技术可与很多相关学科领域交叉，研究内容涉及计算机图形学、传感器学、心理学、医学、人工智能、计算机科学、智能控制等[1]。其最早起源于美国，欧洲发达国家在军事和航空方面的探索和应用较多，亚洲的日本在虚拟现实技术方面处于世界领先地位，其主要致力于大规模虚拟现实知识库的研究，另外在虚拟现实游戏方面也做了不少工作[2]，日本的NEC公司开发了一种虚拟现实系统能让操作者使用“代用手”去处理三维CAD的物体模型[3]。

VR技术能够提供用户全感官体验，但是暂时无法集成丰富的数据信息，BIM技术正好弥补这一缺陷，使VR技术不仅仅局限于场景展示的单一功能；借助VR，又可以将通过BIM系列软件建立的三维模型渲染得分外逼真，给用户展示几近真实的建筑物。VR技术与BIM技术互取优势，相得益彰。

3 结构虚拟实验室建设探索

事实上，融合BIM与VR技术已经可以实现建筑结构三维模型的全真展示，但若进一步融入有限元，并充分利用其后台结构计算功能，建立特定的结构虚拟实验室，将能更好地为土木工程的教学及科研工作服务，主要体现在：

1）科研方面

其一，科研工作者在开展真实试验之前，可以借助结构虚拟实验室，进行预演预算，相比单一的有限元计算，由于感官体验的直观性，有助于更准确的试验结果预估预判，减少不必要的时间和材料浪费；

其二，虚拟实验室有助于完成一些危险系数或者成本较高的试验项目；

其三，科研工作者可借助虚拟实验室平台完成资源共享，于同一项目人员而言，意义体现在远程合作、协同试验。若试验有所成果，虚拟实验室可以作为一个数字共享平台，类似于各类数据库的文献共享，作为一种全新的成果展示及共享方式，为世界各地研究人员的科研工作提供便利。

2）教学方面

结构试验耗材昂贵，即使是采取参观或演示的方式进行教学，对于大多数高校而言也是一笔不小的费用，更不用说让每位学生动手操作。若借助虚拟实验室，安全问题和经济问题均可以得到较好的解决，从而保障学生实践能力得到锻炼，提升工程学科的教学质量。

4 结构虚拟实验室的建设难点

结构虚拟实验室的建设难点在于BIM建筑模型与VR虚拟现实平台的数据交互对接、VR虚拟现实技术与有限元软件前后处理器的混合编程对接等，目前尚处于初步研究阶段，并不成熟。

其中，有限元软件与BIM&VR的交互，需注意的是，有限元需要将建筑物的三维几何模型转换为一个适当抽象的模型，这往往通过减少模型几何维数或删减次要细节得到[1]，因此二者交互急需实现的是将三维模型自动转换为有限元中的抽象模型。抽象模型生成后，由前处理器完成有限元网格划分；分析每一个有限元网格，由后处理器完成可视化分析（应力应变云图、位移云图等）。最后通过VR平台直观地展示有限元分析结果。

5 结构虚拟实验室发展趋势

1）BIM&VR平台与有限元前后处理器的自适应交互将进一步发展，有限元分析结果有望实现虚拟现实即时显示；

2）虽然结构虚拟实验室具有成本低、效率高、功能全、协作性强等优点[4]，但是真实试验环境十分复杂，且可变性强，实现准确模拟困难程度高，因此未来的结构虚拟实验室须做到更为准确地模拟试验环境，以期获得更准确的试验预测结果或者试验展示效果，更好地发挥结构虚拟实验平台的功能。

3）目前的虚拟实验室已能实现协作试验，未来的虚拟实验室可作为一个大型的数字共享平台，不同于传统的文献数据库，以全新的形式完成研究成果共享，为世界各地研究人员提供便利。

BIM、VR、有限元的技术融合，具有巨大的发展潜能，虚拟实验室平台的逐步发展，将为科研及教育方式带来更重大的转变。

【参考文献】

[1]李道中.虚拟现实环境中有限元前后处理功能的实现[D].辽宁：大连理工大学，2007.

[2]张博.虚拟现实技术在结构分析中的应用[D].河北：河北大学，2011.

[3]胡小强.虚拟现实基础与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.

[4]刘筱兰，等.虚拟实验室的类型及发展趋势[J].计算机应用研究，2004（11）：8-10.

[责任编辑：田吉捷]