基于BIM+VR技术的装配式建筑远程协同平台设计

何志红，孙会龙，刘 贞,2，徐德会，包秀莉，叶 杨

(1.重庆房地产职业学院， 重庆 400000；2.重庆理工大学 低碳能源研究中心， 重庆 400054)

随着科技的发展和我国经济的转型升级，人口红利所带来的优势在我国正逐渐消失。 建筑行业受社会经济发展的影响，从业人员在逐渐减少，导致人力成本上升。在此宏观背景下,装配式建筑以精细化分、人力需求较低和高效率的特性，在我国得到了快速的发展。根据国家统计局数据，装配式建筑市场规模在不断扩大，从2011年最初的43.2亿元增长至2017年的462.3亿元，达到了970.14%的同比增幅和35%左右的复合增长率。根据国务院办公厅及住建部的文件预测，未来我国装配式建筑市场产值将超过2万亿[1]。

我国装配式建筑的快速发展是其与现代化信息技术对接的成果。其中，建筑信息模型(building information modeling,BIM)技术、虚拟现实(virtual reality，VR)仿真预演技术的应用是关键。BIM技术由Autodesk公司在2002年提出，集成了建筑学、工程学及土木工程学等相关知识，可以帮助实现从建筑设计、施工、运行直至建筑全寿命周期终结的信息集成。该技术的应用使装配式建筑实现了信息化和数据化的管理和运维[2]。VR技术以高仿真、高沉浸、低成本的技术特点得以在装配式建筑领域应用。该项技术的应用实现了装配式建筑相关技术施工前的高仿真检验和施工中的快速检查，减少了装配式建筑的建设误差且节约了成本[3],推动了装配式建筑的广泛应用。目前，BIM技术和VR技术在装配式建筑领域还处于独立应用期，尚未充分挖掘BIM技术在建筑信息数据方面和VR技术在虚拟仿真方面的优势[4]。

人力需求高和区域发展不平衡是装配式建筑发展的痛点，也是制约我国装配式建筑发展的瓶颈[5]，而如何实现跨区域的人力成本节约和技术应用是我国装配式建筑发展的关键[5]。本研究构建BIM技术与VR技术相融合的应用创新模式，对装配式建筑所特有的信息模型环境进行深入分析，在此基础上将BIM信息与VR数据库对接；借助VR技术的仿真性，搭建以VR技术为核心的远程装配式建筑协作平台，以达到降低装配式建筑跨区域协调所需时间成本和协调成本的目标，最终实现装配式建筑跨区域技术共享和跨区域人才共用，推动我国装配式建筑的跨区域协调发展。

1 装配式建筑远程协同平台信息数据库构建

BIM技术本身蕴含丰富的数据信息和集成管理体系，但受其兼容性与共享性不足、信息储存方案缺乏和分类提取不便的因素的影响，装配式建筑设施信息缺乏共享性和可用性，阻碍了BIM技术与VR技术的结合。因此，本文提出构建装配式建筑的全生命周期建筑设施信息化管理系统，采用BIM+COBie+VR技术，解决BIM技术与VR技术对接难题，构建装配式建筑远程协同平台的信息数据库。

COBie是传输和管理建筑设施信息的国际标准，引入该技术是为了使远程协同创新平台更便捷地获取有关装配式建筑的方案信息与数据资料，通过标准化的整合处理，实现一定形式的内部存储和外部共享[8]。COBie数据信息提供IFC、ifcXML、SpreadsheetML这3种数据格式，实现多格式的数据转换，既满足BIM技术数据编码要求，也满足VR技术数据读取要求，因此COBie数据信息能够有效地充当BIM技术与VR技术的桥梁角色[9]。

1.1 装配式建筑远程协同平台大数据系统设计

构建大数据系统是远程协同创新平台运转的关键，而远程创新平台需要海量信息作为支撑。Hadoop是目前大数据管理标准之一，运用于当前众多商业应用系统中，其最大特色在于集成结构化和非结构化数据集。 HDFS(hadoop distributed file system)分布式文件系统和MapReduce计算模型及软件架构是Hadoop的两大核心，两者的结合使得Hadoop可以实现对数据可靠、高速、高效、可伸缩的处理。HDFS具有容错机制，使得副本在丢失或者损坏时自动恢复，加上其具有Java再开发的属性，HDFS自身有很高的容错性和自主性[2]。HDFS的工作原理如图1所示，MapReduce的工作分3个阶段执行，即映射阶段、shuffle阶段和减少阶段[10]，HDFS数据写入原理如图2所示。

图1 HDFS数据写入原理

图2 HDFS数据读取原理

HBase技术由Fay Chang 提出，它是一种序列储存的分布式开源型数据库[11]，该技术的特点在于可以为大数据提供随机的、实时的数据读写访问功能。因分布式文件系统具有高效的数据储存能力和高速快捷的计算能力[12]，HBase技术底层采用分布式文件系统作为储存平台。

基于上述设计，装配式建筑远程系统创新平台可实现海量信息储存、调取、计算与使用，为装配式建筑远程协同创新平台提供高速、可靠的数据支撑。

1.2 装配式建筑远程协同平台信息分类与流转设计

本文基于BIM+COBie+VR技术的装配式建筑信息化集成管理，在BIM+COBie的基础上，融合VR技术进行呈现与远程交互，旨在实现自动化信息采集与保存、科学化的信息利用、系统化的信息管理、规范化的信息格式、网络化的信息交互、虚拟仿真化的信息验证。建立全生命周期的数据化完备信息，实现对装配式建筑的全方位、高精度、贴现实的仿真模拟，进而实现更加便捷的远程协同创新。

因建筑信息的复杂性、交叉性和信息分类标准的不同，装配式建筑信息分类贯穿于信息定义和赋值的全过程。根据BIM模型所包含的信息特点，装配式建筑信息可以分为建筑物实体类信息、阶段建造类信息、随时间变化的动态类数据和抽象观类信息四大类。BIM需要边建模边赋性，因此本文引入COBie技术，按照空间布局将装配式建筑的相关分类，并进行补充和完善，以保证模型数据能在VR中直接调用。基于上述构想理念，本文设计了基于BIM+COBie+VR技术的装配式建筑信息化管理系统，如图3所示。

图3 装配式建筑信息BIM+COBie+VR技术管理系统

BIM+COBie+VR的信息提取过程是将BIM建筑信息数据从专业建模软件中提取，存放至装配式建筑信息大数据库管理系统中作为装配式建筑的基础数据源。本文利用Revit DB Link和COBie Extension插件，在装配式建筑施工特性及其信息特殊性的基础上，将BIM模型中所携带的有效信息导入ODBC数据库，通过调用接口将VR系统ODBC数据库接通，其主要信息流转流程如图4所示。

图4 基于BIM+COBie+VR技术的装配式建筑信息流转流程

2 装配式建筑远程协同平台结构设计及验证

BIM+VR+装配式建筑远程协同设计主要包括两方面的内容：①远程协同设计与快速场景生成模块设计。该模块主要实现虚拟现实场景快速生成的功能，将设计思想物化为具有一定结构功能的虚拟现实场景,在远程协同设计过程中对设计结果进行快速评价、测试、改进方案推荐,从而完成设计过程。②协同交互虚拟现实模块设计。协同交互虚拟现实模块设计可以协调处于不同地理位置的人员，通过虚拟现实平台在虚拟环境中实现类似面对面的操作，共同对虚拟产品进行协同设计，实现VR远程多人互动和异地多人协同体验。通过BIM远程协同设计与快速场景生成模块和协同交互虚拟现实模块的融合使用，使操作者在虚拟环境中可以按照意愿进行设计操作，实现个性化定制服务。

2.1 虚拟现实场景快速生成系统模块构成

本文的虚拟现实场景快速生成系统分为7个部分，包括场景构建模块、映射网关、虚拟对象库、动作脚本库、视景生成模块、数据分析模块、多人交互模块。场景构建模块指构建场景所需相关地理参数的数据包，包括场景经纬度数据和场景所需地形地貌数据。广义映射网关是指为了便于开发与后续应用，将映射网关与虚拟对象库和动作脚本库融合为一个模块，成为广义的映射网关，主要起到协议定义、解析和管理数据库的功能[12]。

映射网关包含数据驱动模块和 Socket 数据接收模块，能够解压不同的场景构建系统，将特定场景构建系统连接到映射网关。映射网关对其数据包进行数据转换，发送索引指令到虚拟对象库和动作脚本库，驱动相应的对象和动作，然后触发视景生成模块中对应的场景构建[12]。

虚拟对象库根据应用的范围存储相关模型对象，如房屋建造设计包括门、窗、地面、墙体等。对象库中的对象可以被映射网关驱动，在视景生成模块中与操作者进行交互。动作脚本库包含所有虚拟对象的相关动作，脚本和对象成对应关系，比如车辆及对应的行驶动作，风力发电机及对应的扇叶转动动作等。视景生成模块包含场景构建模块和交互界面两个大的方面。数据分析模块主要完成测试功能、评价功能、方案改进推荐功能。

多人交互模块中，交互设备实时收录数据，数据通过云端实时同步至其他参与者的终端设备，再交由视景系统实时计算并同步渲染。主要实时同步的数据有位置、语音、图像、动作。交互设备支持模块中，鉴于目前虚拟现实发展的实际情况，远程交互过程仍需要操作者借助头盔、数据手套、位置跟踪设备等相关设备实现。

2.2 协同交互虚拟现实模块设计

1) 系统流程主要是基础平台的搭建，包含场景构建和数据引入。场景构建系统主要功能是快速生成场景和数据传送。该平台的工作原理为映射网关数据驱动模块接收数据，并将接收到的数据转换成引擎所能识别的数据；视景系统模块依托数据驱动模块所传递的数据进行场景的渲染和表现。

2) 人机交互流程设计。基于多人协同操作的设计，通过智能穿戴设备或PC 机和系统服务器连接实现多人在线通讯，通过普通 PC 和智能穿戴设备输入、输出实现人与机器的对话，如图5所示。

图5 装配式建筑远程交互流程

为适应不同网速下的多人远程交互，在系统中设计不同带宽自适应决策模块的运行技术。不同带宽自适应需要考虑可扩展性、训练时间、响应时间、数据大小、复杂度、准确性、收敛时间以及收敛可靠性等性能。本文根据平台模型传输要求，设计了相应的自适应决策模块。自适应检测模块利用Markov链来描述网络带宽随机变化的统计规律，在考虑网络带宽变化的统计规律基础上做出自适应决策，相关设计结果如图6、7所示。

图6 网络自适应框架

图7 网络自适应流程

2.3 装配式建筑远程交互平台验证

基于上述部分的研究设计，本文搭建了装配式建筑远程协作平台，其界面分为交互内容排版区、交互内容编辑区、素材属性编辑区和素材上传分类区4个模块。其中，素材属性编辑区和素材上传分类区的内容来源于通过BIM技术所建立的装配式建筑数据库。交互内容排版区和交互内容编辑区是基于VR技术所实现的多人异地实时交互。

通过对平台的实际操作运行，实现了异地人才对接、异地资源共享、异地技术同步，降低了装配式建筑跨区域协调的时间成本和协调成本，达到了装配式建筑跨区域技术共享和跨区域人才共用的目的。运行界面如图8所示。

图8 装配式建筑远程协同创新平台界面

本文建立了装配式建筑模型库，以保证交互过程中快速建模目标的实现。装配式建筑模型数据库具体运行界面如图9所示。

图9 装配式建筑模型数据库具体运行界面

为实现便捷高效的远程交流，本文设计的装配式建筑远程协同平台实现了内置会议系统，可实现语音和视频交流，最大容量为可同时实现30人同时在线交流，内置会议系统界面如图10所示。

图10 远程协同平台内置会议系统界面

3 结束语

本文以VR技术与BIM技术为核心，构建BIM技术与VR技术相融合的应用及创新模式，搭建装配式建筑跨域远程系统创新平台，有助于跨区域技术的应用和跨区域人力资源利用。融合BIM和VR技术有助于完善装配式建筑技术体系、健全产业管理体制、降低成本，解决阻碍装配式建筑发展的壁垒，促进建筑业的转型升级，也有助于促进装配式建筑技术人才的锻炼与培养。虚拟现实技术的引入有助于重庆等西南地区复杂地形的装配式建筑技术验证，促进重庆市、西部地区以及国内装配式建筑产业的发展。