基于BIM 与VR 的建筑可视化设计研究

王 磊，李海铭

（甘肃建筑职业技术学院，兰州 730050）

在过去几十年里，我国建筑设计的方式经历了3个发展阶段：手工绘制平面图纸并辅以建筑模型；计算机二维CAD 制图辅以三维建模软件，如：Sketchup 或Rhino 等，形成二维图纸；以BIM 技术为代表的将二维图纸和三维立体建模相结合，形成了建筑的三维立体模型，可以覆盖建筑的设计到建筑的后期使用的全生命周期[1-2]。

20 世纪末以BIM 技术为代表的建筑三维立体建模技术逐渐应用于建筑的设计和施工，该技术的特点主要是通过赋予建筑上点面和实体的数据信卢，在虚拟的三维空间内呈现建筑信卢，也可以通过软件将三维立体模型映射至二维的图纸上。该设计方法可以立体呈现建筑效果、在设计阶段就可以完成各种管线的综合排布，设计的流程更为简洁流畅。BIM 技术通过可视化功能将建设项目从规划到交付的效果立体地呈现出来，有利于发现设计的矛盾点，提高设计质量，覆盖建筑的所有信卢，降低工程的总造价[3]。

与此同时，VR 技术在2016 年后迎来了爆发式的发展，将VR 技术和BIM 平台相结合可以向各个参建单位提供沉浸式的建筑体验，将建筑的光照、空间效果等几乎建筑的所有信卢都有所体现[4]。为了将BIM 技术和VR 技术进行有机结合并为建筑设计提供一条新的技术路径，本文就BIM＋VR 技术应用于建筑设计的基本流程和应用优势进行深入研究，达到推升设计的呈现效果和工程整体品质的目地。

1 传统设计方式面临的主要问题

目前，我国建筑设计还是采用原有的二维平面表现建筑信卢的形式。在如今数字信卢时代，面对着建筑的安装专业数量较多，设计多样性的要求，传统设计方式暴露出来的主要问题[5-6]包括以下内容。

1）建筑信卢的遗漏。二维图纸的设计是通过平面图、效果图和动画等方式，通过固定角度或路径的展示建筑信卢和效果，该方法无法完全反映建筑的信卢，导致业主、设计和施工之间信卢交流的遗漏，设计和实施效果之间误差较大。在工程实施阶段不可避免地会出现大量的设计变更或洽商，增加项目的投资。

2）无法提供建筑全寿命周期的服务。如今建筑所涉及的专业不仅包括结构和建筑，机电设备和装饰装修专业已经成为建筑重要的组成部分，这也是未来建筑日常运行中最依赖的专业内容，所以后期的维护和维修已经成为建筑在设计阶段不能忽视的一部分。二维图纸在机电和装饰装修中无法提供很详细的信卢，只是通过点和线的简单表现，后期业主在日常的维修和改造中由于人员专业背景和能力的不同，图纸发挥的作用并不明显。所以，图纸的作用只能在建设阶段发挥功能，在未来长达几十年里无法发挥很好的功能。

3）指导施工的效果欠佳。二维图纸在指导机电专业施工方面有着明显的劣势，尤其是在管线的综合排布、机房内设施设备的布局及装饰装修方面，以及各个专业的排布和安装方面，对施工的指导意义不大，必须要在施工单位进场后再根据专业内容和具体的标高和空间确定施工方案，不利于施工的进展。

为了更好地适应当今建筑设计的要求和发展，将BIM 建筑信卢立体模型技术和VR 可视化的沉浸式表达技术相结合用于建筑的设计，可以实现对不同人群建筑信卢的全面和准确表现。

2 BIM 技术应用于建筑设计的流程

BIM 技术已经在西方发达国家得到了广泛的应用，我国对该技术的应用处于早期阶段，对于是否选用BIM 技术，应该根据项目的规模、复杂程度和运营投入产出比等因素综合考虑[7]。在选择BIM 技术后，应该根据项目的具体情况，确定结构、机电及幕墙等专业的介入时间，一般来讲BIM 的设计流程如图1 所示。

与传统的CAD 平面化设计相比，如图1 所示，基于BIM 平台的设计具有很强的信卢整合能力，BIM 模型可以通过三维可视化的功能将工程从规划到竣工的全过程进行立体演示，有助于提前发现设计的矛盾点，便于不同专业之间的会审，体现建筑的效果和信卢，降低工程的总造价。

图1 BIM 的设计流程

3 VR 技术在建筑设计中的应用

VR 技术是将信卢和数据通过三维动态模型让参与者在虚拟现实中体验并实时互动的技术，在三维游戏、设计仿真及工业设计等领域已经取得了良好的使用效果。

3.1 VR 技术发展

在建筑设计中应用VR 技术，可以便于使用者阅读和理解建筑内部和外部空间信卢，明显提高认知效率。VR 技术的基本特征也伴随着技术的进步有所演化，从早期的计算机外部观测结果和通过街机式的多感知电影播放发展到现在，采用传感器与多维信卢的环境进行交互，让用户沉浸至计算机创造的趋近于真实的虚拟环境中，从定性和定量的环境中实现认知并深化概念或萌发新意的应用效果。

3.2 VR 设计的一般流程

将VR 技术应用于建筑设计，实际上是一个和建筑不同专业之间发生交互设计并不断反馈的过程。VR 的设计过程相对繁琐，涉及到的专业包括交互、程序和设计等，协同完成设计。VR 内容场景主要分为实景拍摄和3D 建模场景制作2 种，两者的工程量都较大，均需要设计人员、程序员、拍摄和后期制作团队的协同完成。

拍摄和制作VR 的工作流程：①设计师根据制作需求确定场景内容和场景的切换路径，输出策划文档；②摄制团队采用VR 全景摄像机拍摄全景视频，通过后期制作输出全景视频；③利用PS 或AI 等软件制作交互动画和VR 的2D 界面，输出交互动画的PNG 序列；④程序员通过计算机代码实现交互逻辑输出可以交互的VR 内容，并采用VR 头显进入设计的VR 场景进行测试，完善整个设计内容；⑤制作团队不断地修改和完善，形成最终成果。

4 BIM＋VR 技术在建筑设计中的应用

4.1 BIM＋VR 技术的软件应用和设计流程

BIM＋VR 技术是建筑行业中BIM 和VR 技术的融合体，现阶段有很多软件支持该功能的应用，常用的软件包括：720 全景、Mars、enscape 和Fuzor 等，软件的功能各有侧重点。总体而言，BIM＋VR 技术是基于VR 的引擎技术来承载BIM 建筑模型的数据，以更贴近现实的可视化方式实现各种BIM 的应用，完成管道碰撞检测、日照分析、风向分析等，明显地增强BIM 模型的应用效果。用户可以通过PC 端、移动手机、高逼真全景VR 及交互式全卢投影等体验方式体验VR 效果。

本文根据实际的工程经验和软件的应用效果，选择Modelo 和Mars 进行BIM＋VR 技术的建筑可视化设计，提炼出相应的设计流程，如图2 所示。

根据图2 可以得到，BIM＋VR 技术在建筑设计中，对原有设计的工作流程发生了根本性的变革。原有基于CAD 的设计是首先完成建筑的结构设计，然后各专业在此基础上做深化设计，该设计经常发生的问题是各专业范畴内的设计都是正确无误的，但是整合后经常发生冲突，增加了工程实施过程中时间和经济成本。

图2 BIM＋VR 技术的建筑可视化设计流程图

在BIM＋VR 技术环境下，通过VR 技术将建筑的BIM 模型全面地呈现在设计、业主、施工方面前，让各参建方都能够身临其境的深度参与前期方案的修改，提出各自意见，提高了项目设计的质量。

4.2 BIM＋VR 技术应用于建筑设计的效果

BIM 和VR 技术相结合可以应用在建筑设计的全过程，每一个阶段的应用效果见表1。

表1 BIM＋VR 技术应用于建筑设计各阶段的效果

4.3 BIM＋VR 技术与传统设计方法的对比

传统的CAD 二维设计呈现的是相对孤立和平面化的建筑数据图；BIM 技术可以呈现系统化的立体建筑信卢；而基于VR 的BIM 技术可以实现建筑的可视化，让用户在工程建设前身临其境地感受建筑的效果。3 种设计方法的对比见表2。

表2 BIM＋VR 技术和传统设计的对比

BIM 不仅可以呈现3D 的建筑模型，更重要的是体现建筑的结构和功能组件的信卢，用于设计的会审和建筑全寿命周期的管理。将BIM 模型转换为VR体验后为设计、施工和业主方提供了一个具有较强洞察力的平台，使用户在设计阶段就能够体验到设计的效果。

另外依托BIM＋VR 技术可以让用户选择多视角和多流线感受设计的效果和意图，对不同意见和想法的区域进行标注，让用户提前体验设计的成果。该技术在特殊人群和特殊环境的设计中有着明显的优势。在满足特殊人群的需求方面，例如：老人、儿童和残疾人等人群的需求方面，设计可以在虚拟现实环境中通过不同视角高度、流线和移动速率体验设计的效果，多角度地验证自己的设计。在特殊环境的设计方面，设计师可以体验一些新奇和超前的设计产品，如地下空间、海底世界等，通过虚拟现实体验提升设计的效果；在施工前，可以模拟施工过程的关键过程和危险节点，指导后续的施工，减小施工的风险。

5 结束语

BIM 技术已经在建筑设计领域取得了良好的设计效果，同时，VR 技术也在工业设计和医学教育及游戏体验中凭借其沉浸式的体验效果凸显了该技术巨大优势，将两者进行有机的结合，应用于建筑设计领域可以预见并取得更好的设计效果。

本文在梳理了传统设计存在的主要问题的基础上，总结了BIM 和VR 技术应用的一般流程，结合实际的设计经验，就BIM＋VR 技术应用在建筑设计的一般流程、价值体现及使用优势进行深入研究，并明确了现阶段该技术在应用方面面临的主要问题，以期为该技术的应用提供有力的支持。