基于BIM和虚拟现实技术的建筑工程设计优化

王佩

(陕西交通职业技术学院 建筑与测绘工程学院， 西安 710018)

0 引言

建筑信息模型或建筑信息管理都是将建筑工程项目中的信息数据作为基础，创建三维建筑模型，利用数字信息仿真模拟建筑物中的真实信息。其主要优势就是信息完善性、一致性、可视化、模拟性、协调性等，其在建筑工程项目设计、施工到运营中贯穿，有效使用能够提高工程的经济效益。比如，使用BIM技术能够使建筑工程项目设计效率及质量得到提高，使施工过程中返工率得到降低，从而使施工工期能够顺利的开展，有效节约项目资金。总体来说，BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)技术优势主要包括三维可视化，可模拟及可出图。所以，将传统建筑工程技术中的问题作为基础，分析BIM技术与虚拟现实技术在建筑工程设计优化中的使用具有重要的现实意义。

1 BIM技术和虚拟施工

目前，国内外对BIM定义各有不同，一般都表示为BIM也就是建筑信息模型，基于三维数字，利用数字式表述建筑物理特征及功能特征，并且使建筑工程项目中的各种信息功能数据模型相互聚集。BIM技术的主要特点就是信息完整性及数据一致性，BIM会通过数字方式保存建筑项目实施过程中的信息，并且使其到同一数据库中存储，对信息资源共享和更新的实现是非常有利的；另外，利用BIM能够使各个数据创建实时联系，管理人员通过多种方式更改数据，从而提高工作效率，保证工程质量。

虚拟施工是指将计算机技术作为基础，结合参数化设计、虚拟现实、结构仿真及计算机辅助技术等，从物、财和人等方面实现全真环境的三维模拟，以此生成可控制、无破坏、小耗费及低风险的试验方法，从而使施工水平得到提高，对施工成本进行控制，避免出现施工事故。

在实现虚拟施工过程中具有两个重要的技术，第一种为施工组织技术，第二种就是碰撞检测试验。施工组织技术就是结合施工过程中的施工组织计划，通过最小投入换得最大经济效益。在此环节中被划分成为3个层次，其一，实现施工组织总体设计；其二，实现单位工程施工设计；其三，实现分布工程施工设计。碰撞检测为实现三维图像处理过程中的主要问题，一般碰撞检测算法包括空间分解法及层次包围盒。此两种算法是指使整体虚拟空间划分成为多单元格，要求小单元格体积相同，在进行测算的过程中只需要测试相同单元格及几何对象[1]。

2 BIM技术在建筑设计中的作用

将BIM技术应用到建筑工程设计领域中能够有效节约大量成本，使建筑工程设计工作效率得到提高。在使用BIM技术的过程中，只需要优化模拟模型并且对其调整，不需要调整实际的工程，从而使工作效率得到提高，大量节约人力及物力。BIM技术能够实现高层建筑工程设计的优化，假如将其在复杂钢筋节点排布中使用，能够使施工时间得到缩短，从而使施工效率得到提高。

另外，使用BIM技术对超高层建筑实现优化设计。能够实现建筑工程设计管理模式的创新，从而实现将建筑信息模型技术作为基础的总包管理模式，和分包管理相互结合，对建筑模型深化成果是非常有利的。在具体实践中使用，能够使高层建筑施工质量得到提高，创建良好工程形象。BIM技术还能够提供建筑工程直观信息，设计的基础模型和工艺搭建等具体建筑形体信息都能够为施工人员传递，施工人员通过直观了解模型，掌握建筑节点空间位置和不规则建筑形体具体的情况，从而使施工工作效率得到提高，以此保证工程能够顺利的开展[2]。

3 建筑工程设计优化

3.1 工程质量控制

工程质量为建筑行业所重视的核心问题，对工程质量造成影响的不确定因素较多，具有较强的隐蔽性。另外，工程质量管理时间周期比较长，属于动态过程。BIM结合虚拟现实技术能够有效解决目前工程质量问题，从而使工程质量管理效率得到提高。BIM与虚拟现实技术本身就是数据共享平台，占据建筑生命全周期的各阶段中。其能够便于计算建筑构件信息及设备信息的工程量、工程造价预估及建筑材料采购及管理。系统实现建筑工程全省民光周期信息及文档资料的统一管理，变更及时反馈相应专业人员，解决工作职责混乱的问题。从设计到施工过程中的数据信息都会在构件变化过程中实时的更新，工程预算实现造价数据表格，方便工程的调用[3]。

3.2 结构构件的自动布置

建筑设计在BIM平台中是通过三维可视化方式展现的，信息模型如图1所示。

图1 某信息模型

建筑模型包括具备建筑造型全部构件模型、不同局部做法及各部件精准的关系等。建筑设计模型结构内容为结构设计师重视的内容，基于BIM的建筑模型具备模型构件全部信息，其主要包括构件类别、种类，利用类别信息实现模型是否为墙体、窗户、门及其他等判断，种类信息确定模型类型，比如墙体是否为混凝土或者砖。以数据存储和访问接口的模型类别信息及种类信息，快速实现门、窗及非承重墙的过滤，实现结构构件的提取[4]。通过信息过滤及判断的竖向结构构建混凝土柱。如图2所示。

图2 竖向结构构建混凝土柱

利用提取的结构构件得到柱子的布局，如图3所示。

图3 结构柱子布局

每根柱子都具有确定给空间坐标相互对应，所以利用柱子空间坐标能够对每根柱子空间位置进行确定，使全部柱子都在水平平面中投影，每根柱子投影属于矩形，选择矩形中心点作为柱子空间坐标，使三维空间框架梁自动布置转变到二维平面空间中的空间布局设计[5]。柱子平面布局信息对全部平面布局信息进行确定，如图4所示。

图4 柱子平面布局信息

遍历次梁、框架梁及板中的每个元素，并且实现BIM平台调用，实现梁和板模型的创建，根据拓扑约束关系及尺寸关系实现全部框架梁模型的设计，将其作为基础实现次梁模型的生成，最后以建筑面层实现结构楼板模型的生成，如图5所示。

图5 楼板自动生成的效果

3.3 材料用量统计模块

在建筑模型及结构模型基本完整的背景下，需要的建筑材料为业主最终是的问题。在传统工作流程中，工程材料使用量都是在完成施工图之前根据估算及概算指标、经验实现计算，其结果和实际具有较大的差别。那么可以将三维建筑信息模型作为基础，创建BIM平台，对建筑构件物理量数据直接计算。材料统计过程是将完整三维设计模型作为基础，此模型主要包括建筑工程全部构件，其属于现实结构部分的模拟，基于三维设计对统计构件类型和统计条目进行确定，之后对全场景模型进行遍历，将满足条件模型进行过滤，提取模型属性信息，写入到Excel文件中，最终到统计文件中保存[6]。材料用量快速统计算法的流程如图6所示。

图6 材料用量快速统计算法的流程

在统计类别界面中的在统计类别选项中能够选择需要统计的类别，比如梁、墙、钢筋等构件。结构柱统计的结果如图7所示。

图7 结构柱统计的结果

4 基于BIM建筑设计的仿真实验

建筑设计过程中最重要的就是设计建筑结构，其和建筑安全性及工程造价预算具有直接影响。所以，将BIM系统优化平台作为核心建模工具，通过Revit系列软件实现建筑结构分析及检测，并且实现仿真实验。某建筑负一层都地上三层属于部分落地剪力墙框支结构，在第四层设置梁式转换结构，五层到顶层使用剪力墙结构[7]。基本荷载数据,如表1所示。

表1 基本荷载数据

通过建筑工程设计系统优化平台实现此建筑裙房竖向构件的分析，如表2所示。

表2 裙房竖向构件强度表

建筑竖向构件主要包括主楼和裙房，裙房主要包括框架柱，主楼主要包括支柱和落地剪力墙，通过BIM建筑工程模型实现构件强度信息测量。

以BIM优化平台的信息统计功能，以建筑数据实现字段搜索，从而快速得到需要的信息，建筑结构杆件信息的检验,如表3所示。

表3 建筑结构杆件信息的检验

通过表3可以看出来，因为BIM技术对于强大结构数据能力能够广泛应用到建筑设计及施工方面，BIM技术工程量统计功能能够为建筑结构的设计提供高效及便捷的工具。另外，虽然基于BIM技术建筑模型设计为三维，但是在设计过程中要和二维平面设计结合，传统二维设计过程要求多部门相互协调到工作中参数，步骤较为繁琐。基于BIM三维建模平台较为简单便捷，两者工作模式的对比，如图8所示。

(a)共享建模平台工作参与模式 (b)基于BIM的三维建模平台工作参与模式

通过图8可以看出来，基于BIM三维建模平台工作参与方式能够有效实现专业之间协调设计目标，从而节约人力、财力及物力等资源，以此有效实现信息资源共享目的，便于各个部门设计参与人员在平台中及时调用需要的模型信息，从而使设计过程中不同需求得到满足[8]。

5 总结

总而言之，BIM技术应用到建筑工程优化中，能够使建筑工程整体工作效率得到提高，从而实现不同阶段及专业之间的无缝沟通，对整体建筑行业和我国整体发展都具有重要意义。另外，还要对BIM市场复杂性进行认识，包括建筑行业不稳定性。作为建筑工作人员，要清楚的了解到建筑行业使用的真正价值，以此为建筑行业稳定健康发展奉献自己的力量。