基于BIM技术的绿色公共建筑虚拟 现实系统设计研究

杨龙龙 王会 丁海燕

摘  要： 针对传统虚拟现实系统生成的绿色公共建筑三维图像与实际场景相似度较低这一问题，基于BIM技术研究一种新的绿色公共建筑虚拟现实系统。系统硬件主要选取中央处理器、存储器、建模设备和交互设备，处理器内部选用的芯片为美国Intel公司生产的型号为TUSA852的新型处理芯片，存储器分为主存储器和外存储器，建模设备主要有3D扫描仪和声音设备，交互设备主要选取三维鼠标和数据手套。采用C++语言编写了三维场景编辑程序和数字建筑程序。对比实验结果表明，基于该文系统构建的模型与实体建筑的相似度逼近于100%，比传统二维平面图20%的相似度、基于物理构建的模型50%左右的相似度更高，优势突出。

关键词： 虚拟现实系统; 绿色公共建筑; BIM技术; 系统设计; 场景编程; 对比验证

中图分类号： TN911.73?34; TP18                 文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）06?0137?03

Design of BIM technology based virtual reality system for green public building

YANG Longlong1， WANG Hui2， DING Haiyan1

（1. City College of Science and Technology， Chongqing University， Chongqing 402167， China; 2. Wuhan University of Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： As the low similarity between the three?dimensional images of green public buildings generated by traditional virtual reality system and the actual scene， a new green public buildings virtual reality system based on BIM technology is studied. The system hardware is mainly composed of the central processing unit， memory， modeling equipment and interactive equipment. The chip inside the processor is TUSA852， a new processing chip made by Intel Company of the United States. The memory is divided into the main memory and the external memory. The modeling equipment mainly includes 3D scanner and sound equipment. The common interactive equipments are the 3D mouse and data glove. The 3D scene editing program and digital building program are compiled in C++ language. The comparative experimental results show that the similarity between the model based on the system construction and the physical building is close to 100%， which is higher than the 20% similarity of the traditional two?dimensional plane graph and the 50% similarity of the model based on physics construction， with outstanding advantages.

Keywords： virtual reality system; green public building; BIM technology; system design; scene programming; comparison validation

0  引  言

虚拟现实系统即虚拟现实平台（VR）技术[1]，使人通过适当装置对虚拟环境进行交互，从而获得身临其境的感觉[2]。随着建筑设计模拟需求的不断升级，其在建筑设计领域的应用前景颇为巨大[3]。绿色公共建筑[4]是建筑师们为降低建筑对于自然环境的破坏而提出的概念，旨在建筑寿命周期内最大限度地节能、节水、节材，以低碳环保、节能再利用为核心，为人们提供与自然和谐相处、健康且舒适的使用空间[5]。由于土木建筑工程存在较大风险，成本高昂，对绿色建筑的设计更是需要经过比传统建筑更为严谨的模拟设计过程，而传统展示手段，如：平面图、表现图、沙盘在建筑模拟设计中的呈现能力有限，影响建筑设计师们的工作效率。

本文研究基于BIM，即建筑信息模型技术设计绿色公共建筑虚拟现实系统，通过数字化表达方式创造3D几何模型仿真模拟建筑的真实信息，以提高建筑工程效率。

1  系统硬件设计

虚拟现实系统硬件构成系统的物理设备，其主要设计包含中央处理器、存储器、建模设备、三维视觉显示设备、声音设备及交互设备，如图1所示。

1.1  中央处理器

中央处理器是虚拟现实系统的运算核心和控制核心，同时也是系统的最高执行單位[6]。中央处理器采用高纯度的半导体材料硅，处理器内部选用的芯片为美国Intel公司生产的型号为TUSA852的新型处理芯片，该芯片主要由逻辑部件、寄存器部件、控制部件三大设计部件构成[7]，可容许上百万亿个数据同时译码运算[8]。

1.2  存储器

为保障虚拟现实系统运行效果，在系统硬件中设计存储器作为记忆设备[9]。主存系统运算过程中的计算数据，当再次构建相同的绿色公共建筑虚拟环境时，可直接提取，节约系统运行时间;外存储器用来存放系统内部数据和资料库，可随时补充材料信息，为系统提供运行资料数据。存储器内部选用的芯片是由美国Tesud公司生产的FSA882，相比普通计算机存储器存取速度更快，容量更大[10]。

1.3  建模设备

三维视觉显示设备与声音设备同属于建模设备，系统中设计3D扫描仪作为演示媒体，三维场景编辑程序的编辑成果将通过3D化为三维立体图像[11]。声音设备采用三维虚拟声音设备，当参与者与虚拟环境发生交互时，声音设备从存储器中提取真实声音信息选择播放，最大限度使虚拟现实参与者听到更加真实的声音，满足建筑师们的各种需求[12]。

1.4  交互设备

交互设备主要有三维鼠标和数据手套。三维鼠标控制者可通过三维鼠标对计算机进行人为操作，配合三维眼镜、声音设备;数据手套的使用对参与者直接进行视觉、听觉、触觉等感官控制。三维鼠标也可对虚拟环境中的建筑信息模型进行不同角度的观察甚至可以改变物体在VR中的成像。

交互设备中的数据手套具有多种模式，可在虚拟环境中通过软件编程允许穿戴者产生移动、抓取、旋转物体等动作，给予穿戴者最为真实的触感。数据手套主要由轻薄的弹性材料以及半导体材料构成，方便手指弯曲，更加贴合使用者手掌，半导体材料使信息的输入输出更加迅速，是绿色公共建筑虚拟现实系统中核心的交互设备[13]。

2  系统软件设计

针对系统硬件设计软件程序，本文主要设计了数字建筑程序和三维场景编辑程序。软件结构图如图2所示。

2.1  数字建筑程序

数字建筑程序即利用BIM技术和云计算，实现建筑的全过程、全要素的数字化、智能化程序，主要应用于城市规划和建筑设计领域。一方面在绿色公共建筑建造之前，通过数字分析，消除可能存在的工程风险，对设计方案、施工方案、运维方案进行多次优化，衍生出虚拟建造过程，确保实体施工及运维的安全可靠性;另一方面通过数字建筑程序可将实体绿色公共建筑升级为可感知、可自我控制甚至自我适应的智能化系统和生命体，即智慧化运维。数字化建筑程序如图3所示。

2.2  三维场景编辑程序

在系统中编辑三维场景编辑程序，作为可视化三维场景的模型导入和后期交互制作的工具。程序采用以Directx和OpenGLAPL为基础的三维渲染引擎与MFC相结合的架构，保证运行更加迅速，工作更加高效，并且集合多种功能，如构建模型、灯光调整、地形模拟等技术，引用互联网技术获取数据资源、场景信息并加以储存。主要设计模块分为实体模块和界面模块;实体模块受中央处理器控制，当三维场景编辑程序接收到CPU的指令，程序将根据树状结构模拟绿色公共建筑;界面模块主要负责呈现参与者与虚拟环境交互时对环境的改变，由于人体行为无法确定时呈现的内容更加随机且丰富，大大提高虚拟系统技术含量。编辑程序如图4所示。

3  实验研究

3.1  实验目的

为测试本文所设计系统的运行效果，选用两种传统虚拟现实系统和本文研究的虚拟现实系统进行对比实验，分析实验效果。实验参数如表1所示。

3.2  实验结果与分析

根据上述参数，选用传统虚拟系统和基于BIM虚拟现实系统对同一绿色公共建筑进行模型构建，将构建的三种模型与实体绿色公共建筑进行细节对比实验，测试二者之间的相似度，得到的实验结果如图5所示。

由图5可以看出，基于BIM虚拟现实系统构建的模型与实体建筑的相似度几乎接近100%;传统的二维平面图大概有20%的相似度;基于物理构建的模型有50%左右的相似度。由此可以预测未来的建筑设计模型将以基于BIM虚拟现实系统为主。传统的虚拟现实系统开发方法为纯硬件开发，交互性较弱，生成的场景为数据性场景，显示效果为数字化效果。基于BIM技术构建的虚拟现实系统采用硬件结合软件的方法开发，具有较强的交互性，场景特点为实时渲染，显示效果为三维立体效果。引用BIM技术的虚拟现实系统充分利用了高性能硬件与软件资源，其构成的绿色公共建筑三维立体模型多感性、交互性更强，高分辨率显示技术使场景更加真实。

4  结  语

随着虚拟现实技术的日渐成熟，其在社会生产中也将发挥更加巨大的作用。本文通过研究以BIM为基础的设计绿色公共建筑虚拟现实系统，具备虚拟现实系统的三维立体成像、多感官人机交互、三维立体声音、高颜色分辨率等优势，减少了建筑成本，节约时间，避免许多不必要的危险发生。经过试验对传统虚拟系统和本文系统进行模型构建的对比，基于本文系统构建的模型与实体建筑的相似度逼近于100%，比传统二维平面图20%的相似度、基于物理构建的模型50%左右的相似度更具优势。

参考文献

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[12] 纪伟宁.基于BIM技术的绿色建筑材料管理体系探析[J].建设科技，2017，25（11）：68?69.

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