面向建筑行业的VR协同设计系统研究

孙传翔1 林 欣1 刘 翀

(1．华东师范大学计算机与软件工程系，上海 200333;(2．华建数创科技有限公司，上海 200070)

1 引言

随着科技水平的逐步提高，用户在建筑行业有了进一步的需求。BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术贯穿于整个生命周期，有设计、采购、施工、销售等方面，将各种建筑信息都集成在一个三维模型信息库中。通过依托BIM数字化技术，可以提供建筑全生命周期应用的数字化解决方案[2]，助力建筑精细化实施和管理，打造建筑大数据高地。

VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术是一种计算机仿真系统，可以建立并体验虚拟世界[3-4]，让用户身临其境，给予真实的感受。依托VR智慧技术，融合虚拟和现实，连接建筑和用户，共享数据资源，引领行业新一代智慧建筑和智慧城市发展。

VR协同设计系统是指通过将BIM与VR相结合，对于每一个具体工程，在整个建筑生命周期内，为设计师、开发商、建设者和消费者提供方便快捷高效的一个系统。

2 研究思路

BIM技术通过对建筑的数据化、信息化模型整合，为各方人员提供数据，有效提高了工作效率，减少了成本。VR技术的使用可以给设计人员、客户等以直观的感受，切身感受到建筑设计的优点与不足。通过将BIM与VR技术相结合，在建筑行业进行VR协同设计，让建筑行业也踏入智能时代。

VR协同设计系统包括BIM协作支撑子系统、构件格式转换工具和VR协同设计子系统三部分。首先，BIM协作支撑子系统主要为设计者、开发商和建设者所设计。系统功能有对3D模型虚拟场景的建立、设计管理、进度计划、成本管理、物资采购、施工现场、文档管理、岗位群组、合约管理和审批流程等。目前VR模型库的构建大部分都是从零开始，我们通过设计构件格式转换工具，对已存在的BIM模型库进行格式转换，批量导出各个专业模型的几何信息和材质信息，数量达到万级以上，将其放入云端，从而构建出VR模型库。VR协同设计子系统则是面向设计人员或者消费者们，从VR眼镜中调取存放在云端的模型库，形成虚拟的环境。通过携带VR眼镜，可以对虚拟场景中不同的物品进行拖动或替换，设计出自己喜欢的场景，也可在场景中进行仿真漫游，提前体验不同环境下的建筑特色。VR眼镜中看到的也会呈现在移动端，便于协同展示。项目架构如图1所示。

以下第3部分介绍构件库的建设，BIM协作支撑子系统和VR协同设计子系统分别在第4-5部分进行介绍，最后是结语与展望。

图1 项目架构

3 构件库

为了生成规模化的VR设计模型库，并在VR场景内，能放置各类模型并支持构件快速替换，我们在现有的规模化的BIM构件基础上，通过研究虚拟现实构件快速生成技术，研制3D构件与VR构件的快速转换模型，实现BIM三维构件与VR或MR转换系统，可将BIM构件快速转换为虚拟现实场景中的构件。

图2 构件库类别

3.1 模型库建设

BIM构件库的构建对VR构件库来说至关重要。在BIM中，模型涉及的专业达到五个或以上，包括建筑、结构、室内、暖通、给排水、电气等，模型类型达到20种以上，构件总数量规模达到万级或以上。构件分类如图2。

模型库以国标编码标准为基础进行分类，以设计表达需要为主要依据，建立万级构件库的分类框架体系，并对各专业、各构件类别进行梳理，使VR构件库能充分满足各专业需求。

在对模型库建设过程中，对构件的几何形体深度和材质进行统一规范，保证构件在VR展示应用时的效果能达到统一的标准要求。形成不同层次的构件组合逻辑，防止多次建模或复杂建模，方便设计快速调用。

3.2 构件格式转换

对于建筑领域的VR模型，目前的研究大多数是从零开始构建，费时费力。为此，研究如何快速将已有的建筑3D模型转换VR模型是至关重要的。而OBJ文件是数据传输的一种格式，模型由一些几何特性构成。由于它的文件结构非常简单，所以适合在应用程序中读取或进行3D文件格式转换[5-11]。虽然OBJ文件不包含模型颜色、纹理贴图等信息，但可以引用材质库，生成MTL文件[12]。其中包括多种材质的定义，每种定义都包含各自的色彩(color)、贴图(texture)等。

本研究通过使用Revit和.NET编程技术自主开发出一个Revit插件[13]。如图3所示，插件可以批量读取出所选模型的几何信息与材质信息，也可以根据不同的条件导出不同的参数信息。

图3 构件格式转换插件

3.2.1 用户功能

通过Revit构件格式转换插件，用户可以通过选择要导出的模型和导出位置进行操作。另外，也可以选择要导出的模型尺寸，详细程度以及筛选导出内容。

3.2.2 模型导出

模型主要包括几何与材质信息。其中几何信息由三种坐标及由这些坐标构成的面的索引组成。坐标分别为顶点坐标、纹理坐标和法向坐标； 材质信息由不同材质的颜色、发光指数、透明度、纹理贴图组成。

几何信息导出到OBJ文件中，OBJ文件是一种数据输出格式，定义了对象的几何属性和一些特性，由于它的文件结构非常简单，所以适合在应用程序中读取或进行3D文件格式转换[5，10-11,14-15]。在OBJ文件中，首行用mtllib来表示模型的文件名。关键字v开头描述每个顶点几何坐标，vt描述每个顶点纹理坐标，vn描述顶点法向量，关键字f开头描述面，另外用关键字usemtl表示相应材质名称[15]。

材质信息用MTL文件进行存储，关键字usemtl来对应OBJ文件中的材质，每种材质都有一些关键的属性，其中，Ka表示材质的阴影色，Kd表示固有色，Ns表示反射高光度，d表示渐隐指数，而漫反射的纹理贴图由map_Kd所表示。

3.2.3 批量操作

现有的一些Revit格式转换插件都是通过在Revit中打开每种构件，再进行格式的转换，这对于大量构件的导出无疑是困难的。为此，在该插件中加入了批量功能，对于用户选择的所有要导出的模型，将其物理路径存入集合中，循环遍历此集合来完成批量操作，但在此过程中需要注意以下几点：由于只有被激活的文件才能进行导出，所以首先需要打开并激活每个文件； 其次，转换对象为3D模型，所以需要判断是否是平面视图并进行转换； 最后，批量操作过程中每个模型导出成功后要进行关闭，降低内存损耗。

4 BIM协作支撑子系统

与一些BIM协同设计研究类似，我们也开发了BIM协作支撑子系统，简称BDMS，包括准备工作、协同设计、协同采购、协同施工几部分，主要是针对每个项目，设计者、开发商和建设者之间可以相互协作，在工程建设的每一阶段都能高效完成。以下以某企业办公楼为例进行说明。

4.1 BIM标准管理

对于企业办公楼项目而言，首先要进行项目标准的编制，其对实现协同设计规范化具有重要意义[16]。通过BIM协同设计平台，统一配置设计构件分类标准、构件命名、属性模板标准。让参与项目的设计人员使用统一的标准开展设计生产。该项目标准界面如图4所示。以设计构件分类编码为例，该项目包括场地、结构、建筑等不同的编码，场地编码下又包含原始地形、改造地形等编码。其中原始地形又包括原始土壤、植被、道路等。每一类用编号表示，还有多个属性，包括标题、来源、状态、外观材质等。

4.2 BIM协作建模

三维模型是协同设计的基础，每个项目的一切活动都是依赖于模型所展开的，设计成果也主要体现在模型及基于模型的拓展分析[16]。

图4 建筑信息模型标准管理界面

在企业办公楼设计建模阶段，通过Revit中研发的一个插件，如图5所示，可以将当前文档绑定到协同系统中已经建立的企业办公楼项目中，在线查询之前编制的BIM标准，根据标准对当前文档进行标准检查。能够将当前Revit文档内的数据同步到数据中心，实现数字化设计成果的提交。

4.3 BIM沟通协作

在项目开展过程中，以在线主题讨论的方式开展设计讨论、冲突协调和施工交底，进行碰撞检测。讨论主题中支持BIM虚拟场景视点的保存和恢复，如图6所示，虚拟化的场景中设计人员可以自定义专业类型开关显示不同类别的构件，联动查看图纸与模型。也可以通过多种方式测量模型数据。此外，系统支持手机端APP，方便沟通与协作。

图5 基于Revit的协同设计插件

图6 虚拟场景效果图

4.4 BIM施工应用

对于施工方或者在施工过程中，企业办公楼每项任务与构件集合都进行了绑定，通过扫描构件二维码的方式核实完工百分比。确保施工的高质量、高安全度[17]； 该工程建设中所需要的门窗、混凝土等产品可在线订货、物料跟踪管理，从而避免在工程建设过程中交流不畅，浪费资源。

5 VR协同设计子系统

将各类BIM构件通过之前的插件转换生成VR模型库后，在VR协同设计子系统中，利用VR模型库建立虚拟场景和进一步的开发。主要包括VR场景的辅助设计、跨端协同设计和仿真漫游展示三部分。

在企业办公楼工程中，VR技术帮助设计者在设计阶段将立体化3D模型形象地展现在自己眼前，随心所欲对楼层、房间进行设计。在施工阶段，施工者在要施工的工地上进行已设计出的办公楼的大型模拟，消除了与设计师之间的不协调。对客户来说，充分感受到房屋的舒适度，以及房间内的采光情况，使业主能够体会到与环境的真实交互。

5.1 VR场景辅助设计

微软推出的HoloLens是一款虚拟现实设备。为了进一步研究，我们购买了几十套VR设备。在此基础上做进一步开发，利用Unity技术生成虚拟场景，而借助通用Windows平台(UWP)进行HoloLens开发。

手势识别是VR设备与使用者交互的重要方式，HoloLens中提供了API，比如获取手的位置和速度信息、识别预设手势等，可以为不同手势定制需求。我们通过创建GestureRecognizer实例、注册手势类型、订阅事件等步骤进行开发。当设计师携带HoloLens后可通过一些手势操作实现VR场景内所见即所得地放置各类模型，支持构件的快速替换或者纹理贴图的替换。帮助设计师更直观地确认设计方案。如图7所示。

图7 VR场景辅助设计效果图

5.2 VR跨端协同设计

三维协同设计既适用于电脑端，也可在客户端及移动端中使用。可以利用HoloLens设备展现各种模型，像园区电子沙盘等，在PC端实现共享资源。这里我们在网络配置或软件环境配置条件下，通过USB数据线连接或者无线连接下实现。HoloLens设备与手持终端之间也可进行协同展示，便于分享设计方案，从而进行多人沟通，提高工作质量。

通过空间锚共享实现多用户获取集合视野，也可以对空间中某个位置同一对象进行交互操作。利用HoloToolkit-Unity开发工具，进行exporting导出分享一个空间锚，再将数据导入其它用户使用。这里也对第三视角进行了开发，通过第三视角获取到演示者和其看到的虚拟画面，从而展示给所有未佩戴VR设备的人。如图8所示。

5.3 VR仿真漫游展示

VR仿真漫游可以让人们沉浸在虚拟场景里，自由行走体会。我们利用存在云端的VR模型库建立各类建筑虚拟场景。在设计阶段，设计师佩戴上HoloLens设备可漫游在3D模型中，体验设计合理度。在销售阶段，用户戴上HoloLens后，可以融入虚拟场景中，进行场景的仿真漫游。甚至可以打开门窗，体验住房舒适度。方便购房者轻松地选择自己满意的房子。如图9所示。

图8 VR跨端系统设计效果图

图9 VR仿真漫游效果图

6 结语与展望

VR协同设计是一种全新的设计方式[16]。在数字化技术BIM的基础上，建立VR模型库，结合VR子系统改变了人们在建筑中的直观感受，使人们身临其境。实现了各参与方在线协同工作，通过沟通合作解决随时面临的各种问题，让人们有切身体会，从而提高了整个工程项目中每个人的效率。

不久还会编制基于项目成果的VR建筑协同设计企业标准，内容包括VR在建筑设计行业应用的范围和领域、工作模式、协作流程、建模标准以及数据格式等，以此指导本项目在机场、酒店、办公等大型公共建筑的示范应用，并希望能够推动建筑行业的VR协同设计的发展。