胡国建 毕振波

（浙江海洋学院数理与信息学院 浙江 舟山 316004）

0 引言

随着“数字地球”提出以来，在建筑领域，“虚拟建筑”或“数字建筑”等名词也应运而生。“虚拟建筑”是建筑学与信息科学相结合的产物，其本质是关于建筑领域里的数字化目标、数字化理论及技术支撑体系、数字化实施范围和基本步骤等战略性课题。就技术目的而言，“虚拟建筑”是为实现建筑领域的信息化、自动化、智能化、集成优化。其目的为适应数字化时代产业及经济格局、满足建筑全生命周期大量信息处理的要求，以及提高建筑的质量、运行效率、绿色、环保而采取的先进的建筑方法和技术体系；是关于数字化时代建筑策划、设计、建造、运行、使用、维护和废弃等整个生命周期的管理的理论、技术与方法的总称。

近年来，国内外有关虚拟建筑的理论和方法产生了很多，作为一个多学科交叉结合的产物，近些年“虚拟建筑”的相关技术和应用得到了迅速的发展。本文从“虚拟建筑”应用实现的角度，结合建筑全生命周期，探讨“虚拟建筑”系统实现中的关键技术。

1 “虚拟建筑”系统的特点

“虚拟建筑”并非是一个孤立的理论研究、技术开发或建筑科学应用项目，而是一种整体性和导向性的战略思想和科学远见的体现[1]。“虚拟建筑”系统主要包含三个方面的核心内容：BIM（Building Information Model,中文：建筑信息模型）理论基础、技术支撑体系和建筑科学数据库系统。三者的关系如图1所示。

图1 “虚拟建筑”系统的核心体系

从图1看，“虚拟建筑”系统的特点是很明显的：

（1）具有明确的服务对象。虚拟建筑系统是一个计算机系统，可以是一个庞大的功能全面的复杂的计算机系统，也可以是一个体量不太大、功能单一、专门处理某一类问题的计算机系统，但是它们服务的对象都是建筑学。

（2）具有严格的理论基础。由于“虚拟建筑”系统需要处理建筑过程中的各类数据，数据海量而复杂，单一的数据格式不可能表达所有类型的数据，因此需要一种统一的业内认可的符合一定标准的建筑信息模型来表达建筑过程中的类型各异的数据。

（3）系统的实现需要多种技术的支持。实现“虚拟建筑”系统主要依赖的技术是计算机技术，尤其数据库技术、网络技术、软件工程、人工智能、可视化和虚拟现实等，除此还需要各种数学优化、仿真、评价方法、传感器、智能控制等技术，涉及多种学科。

（4）海量信息的数据存储。如何快速、有效地把整个建筑过程的数据资料统一存储于系统中，方便各个过程共享，是涉及到技术、标准、管理和法律等诸多方面的难题。不仅要求存储设备有较大的存储容量，而且要求后台的数据库的规模和类型合适，能够方便集中与分布存式储管理。

（5）数据的分散和有效集中。“虚拟建筑”系统不是一个独立的数据库或存储仓库，它可以超出物理场所的限制，可以是一个以用户为中心、分布式的信息存储空间，也可以是一个集中的有序的数据中心，还能满足数据共享的非时空限制。

建筑过程中的数据特点[2]：

（1）动态性、模糊性。建筑过程每时刻都是变化的,虚拟建筑技术必须能够体现时空动态变化，要能解决长时间序列空间数据的存储、索引与操作分析等问题。建筑过程也是模糊的，如建筑的某些阶段没有明显的界限，在阶段上数据经常是重叠的、有跨度的，如果人为划出清晰边界，容易丢失信息。

（2）时空粒度与尺度。数据粒度不一,从许多建筑过程相关部门所有的数据来看,粗细差异较大,有些在时空上或属性上是高层次的概括的,大粒度,有些在时空上或属性上是低层次的详细的,细粒度。时间粒度,比如有以小时记录的数据,也有按天或周统计的数据。与数据粒度相连的是尺度现象。不同尺度的建筑现象需要用不同粒度的数据加以反映或描述。

（3）时间、空间和属性互动。建筑是时空上动态的,且是时空互动,比如建筑的能耗,必定是与一特定的时间和空间联系在一起的。建筑过程中必须表达属性、时间和空间三方面相互融的动态,充分体现建筑的多维特性。

（4）数据的冗余性。不同的建筑阶段需求，会导致不同的衍生数据，必然也会产生很多冗余数据。为了快速获取各种原始的与衍生的数据,将各种数据存储在虚拟建筑系统中,会使虚拟建筑系统臃肿混乱；同时需求各异,计算各异,在数据的组织上也会有困难,而不利于检索查询，也不利于虚拟建筑系统的版本更新。

上述建筑过程中数据的特性,决定着虚拟建筑系统的主要技术方法。

2 “虚拟建筑”系统实现中的关键技术

2.1 BIM

从全生命周期的角度看，建筑项目从策划开始，到项目的设计、建造、运行、管理乃至拆解过程，无不伴随着大量的物质、能源和信息的流动，而其中的信息流动最为关键。如何表达这些信息，目前在 “虚拟建筑”系统中最好的技术是BIM。国际标准组织设施信息委员会认为BIM是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命期信息以可计算/可运算的形式来表现，能为决策提供支持，且能更好地实现项目的价值。还强调BIM将所有的相关方面信息集成在一个连贯有序的数据组织中，相关的计算机应用软件在被许可的情况下可以获取、修改或增加数据。

有了BIM，“虚拟建筑”系统可以遵循一定标准实现BIM定义的可计算/可运算的能被相关软件获取、修改或增加数据的功能。BIM不仅解决了建筑信息的创建，更重要的是构筑起各专业协同工作的平台，为建筑全生命周期的实施提供了一种协调一致的信息管理和共享的方法[3]。BIM通过数字化技术，在计算机中建立一个虚拟建筑物，能为应用层提供一个单一的、一致的、完整的、逻辑的建筑信息库。可以说是CAD之后的一项具有划时代的建筑信息建模方法和技术，可以提供持续即时的整个周期的信息，可靠性强，集成程度高，能自我协调，不断更新，供各种终端用户访问[4]。

“虚拟建筑”系统实现中，需要注意BIM的本地化，建立适合地区的BCMM(BIM Capability Maturity Model，中文：BIM能力成熟度模型)，使BIM这一指导方法和技术适应国内的建筑行业。基于BIM的“虚拟建筑”系统解决方案可以有三种：“超级软件”模式,它包括了所有的建筑工程的功能模块，共享一个中央数据库，通过不同的接口，为不同建筑阶段的终端用户服务，但是管理的信息太多，要耗费大量的资源，可行性不强；以BIM建筑设计类软件为核心，其它软件通过某种数据格式和核心软件交互；三是通过一种统一的建筑数据格式，使其能支持建筑全生命周期的信息,然后所有的建筑软件都要能支持这种格式，则建筑软件间的数据交流就可以实现[5]。总之，BIM是未来建筑行业发展的趋势，是“虚拟建筑”系统实现的基础。

2.2 本体技术

在传统的建筑类软件中，数据格式多是独有的，不同软件间数据格式不统一，共享多是通过数据接口实现简单的交互，数据缺乏有效的关联，虽然有了方便的网络支持，软件的协同计算也不是太理想，使得信息和计算服务的效率不能最有效的全局性的发挥。从用户的需求看,他们希望“虚拟建筑”系统能灵活地识别、处理各个阶段的信息，关联知识，围绕用户信息需求活动来有效地组织数据资源和服务[6]。为此，引入本体技术，其最大好处在于共享和重用知识，是不同阶段、不同系统间交流、协定并可以共享理解的表示。本体借助概念、术语及其相互关系的描述规范化，给出某一领域的基本知识体系和描述语言。可以通过领域本体、问题求解模型和表示本体对建筑过程对象进行描述。

“虚拟建筑”的核心就是建立建筑领域本体，是虚拟建筑中各种语义互操作不可缺少的工具，其建立需要一批不同建筑过程的能够跨学科的专家对建筑领域知识达成共识，由于专家对不同建筑领域知识的共识会有差异,这需要通过部分先遵照标准，比如大家都遵循IFC，开始可允许“兼容模式”办法先部分后全局地解决。建筑领域知识模型是对建筑领域信息结构化和图形化的一种表达方式，其构建过程也是对建筑过程领域知识提炼和抽象的过程。通过对建筑过程重要实体、属性、过程及其相互关系的发现和甄别，就可以建立建筑过程的中的领域本体，可以先以建筑过程中某个阶段领域本体为基础构建一个集成框架，逐步实现建筑某阶段虚拟再现过程中利用自然语言与CAD系统的交互[7]。建筑领域知识模型是对建筑领域信息结构化和图形化的一种表达方式，其构建过程也是对建筑过程领域知识提炼和抽象的过程。通过对建筑过程重要实体、属性、过程及其相互关系的发现和甄别，就可以建立建筑过程的中的领域本体，可以先以建筑过程中某个阶段领域本体为基础构建一个集成框架，逐步实现建筑整个过程的领域知识模型[7]。

2.3 数字摄影测量

数字摄影测量是基于数字影像和摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对像以数字方式表达的几何与物理信息，包括了计算机辅助测图（常称为数字测图）与影像数字化图。影像数字化测图可利用计算机对数字影像或数字化影像进行处理，用计算机视觉（其核心是影像匹配与影像识别）代替人眼的立体量测与识别，完成影像几何与物理信息的自动提取。该方法可通过专业软件处理采集好的照片来得到待测点的三维坐标，这些照片可用CCD数字相机或高精度的专业相机通过在不同的位置和方向，对同一建筑物或与建筑相关的实体进行拍摄获取，用专业软件会处理这些照片，通过图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标，处理完毕,被测对象的三维数据将会进入到坐标系统中，如以前测量过或处理过一样。

在“虚拟建筑”系统中往往要建立真实建筑物的模型或真实场景，或进行建筑设计，尤其要恢复那些被毁掉的建筑物或者保护现存的古建筑，利用数字摄影测量就可以建立建筑物的几何和物理模型，对工程测量和城市规划也有重要意义。文献[8]利用数码影像与透视图的成像原理相同，即同属于中心投影，通过建筑二维影像，借助透视原理和几何关系计算影像的内外方位元素，反求建筑相关基本体素的三维坐标，在三维空间中重新构建建筑物外形。这对“虚拟建筑”系统的快速实现具有重要的借鉴意义。

2.4 建筑虚拟现实技术

虚拟现实在建筑行业的应用已经很久，最早主要是用来逼真的三维可视化建筑物的内外场景。随着信息技术在建筑领域应用的日益深入和成熟，建筑空间或相关建筑要素虚拟表现需要借助虚拟现实，而且要同后天的海量数据建立联系,在此基础上同一定的真实感建立对应，则有助于建筑相关计算和理解。“虚拟建筑”系统除了功能上的强大，数据的表现还需人性化和具有高逼真的可视化，尤其对于不可建立环境，如极恶劣的自然环境,可以利用系统的虚拟现实功能对其进行虚拟表现[9]。因此，现在和未来很长一段时间，虚拟现实技术仍将是 “虚拟建筑”系统中一项重要的需要继续深入研究的技术，其关键是如何与后台数据建立联系并能快速表现。

2.5 参数化设计技术

“虚拟建筑”系统要能参数化计算或参数化设计，关于参数化设计是工具还是思维的争论较多，争论的焦点主要是考虑到建筑设计及相关过程的复杂性，基于参数化设计的软件系统体系庞大复杂，且牵涉到建造、与社会工艺等结合的许多问题。多数人认为要做的工作繁多，简直不可想象，认为是一种指导建筑软件发展的思维方式而已，不可能实现[10]。但本文认为随着行业对“虚拟建筑”加深认识，借助高速发展的相关技术及BIM的实施，其必将作为“虚拟建筑”系统中的一项关键技术，在未来完全是可以实现的。

参数化设计的成功依赖于一些规则和逻辑的制定，这些规则的制定应由有素养的建筑师对建筑问题的分析得出，当前的应用实现可以借鉴犀牛脚本之类的工具。参数化设计本质上是一种构件组合设计，借助人工智能的逻辑、推理、筛选和判断等方法，先对已经建好的构件（为族）设置相应的参数，使参数可以调节，进而驱动构件形体发生改变，自动生成，满足设计要求[4][10]。这种方式将建筑构件的各种真实属性通过参数的形式进行模拟，还便于相关数据统计和计算，建筑构件不仅仅是虚拟的视觉构件，而且可以模拟除几何形状以外的一些非几何属性，如材料的强度、材料的传热系数、构件的造价、采购信息、受力状况等。对参数定义属性的意义在于可进行各种统计分析，如材料表统计，在“虚拟建筑”系统中是完全自动化的，而参数化更重要的功能是可进行结构、经济、节能、疏散等方面的计算和统计，甚至能进行建造过程的模拟，最终实现虚拟建造。这与3DS MAX建立的模型，如墙与梁具有本质的的差别，它们只是建筑师在视觉上假设的墙与梁，它们无法参与到数据统计分析中，更不能用来进行各种信息处理。“虚拟建筑”系统中参数化设计仍需要做的一项工作是构件关联设计，将参数关联起来可实现关联设计[10-11]。

3 结语

“虚拟建筑”系统实现中的关键技术其实还有很多，如大规模数据库技术、多媒体处理技术、计算机网络和通信技术、智能搜索与运算分析技术、时空过程可视化技术、信息安全技术、多源信息的一体化集成显示技术、分布式和协同技术等。但由于这些技术在其他学科相对成熟，与建筑结合相对容易，故本文重点对上述 “虚拟建筑”系统实现中需要深入研究的几种与建筑密切相关的关键技术进了探讨。需要说明的是，“虚拟建筑”系统未来实现后，虽然方便易用，但不等于不懂建筑的人也能进行建筑设计和分析，并可完全取代建筑师；当然，“虚拟建筑”系统的实现在当前和未来仍需要克服许多的技术和非技术的困难，这取决于社会的大分工体系，能有一个社会构架和一些相关的标准化体系作为前提[10]，但是现在可以局部地和分阶段地实现“虚拟建筑”系统。

［1］郑彦鹏,刘保华,梁瑞才,等.“数字海底”系统建模中的关键技术研究[J].海洋学报,2007,29(1):81-85.

［2］苏奋振,杜云艳,裴相斌,等.中国数字海洋构建基准与关键技术[J].地球信息科学,2006,8(1):12-15,20.

［3］陶敬华.BIM技术和BLM理念及其在海洋工程结构设计中的应用研究[D].天津:天津大学,2008.

［4］龙文志.建筑业应尽快推行建筑信息模型（BIM）技术[J].建筑技术, 2011,42(1):9-14.

［5］曾旭东,谭洁.基于参数化智能技术的建筑信息模型[J].重庆大学学报:自然科学版.

［6］刘成山,刘怀亮.基于语义网的数字图书馆[J].情报杂志,2008,1:49-54.

［7］王茹,邢毓华.古建筑领域本体构建研究//首届工程设计高性能计算(HPC)技术应用论坛论文集[C].上海,2007:206-211.

［8］王茹,邢毓华.一种从二维照片重建建筑物三维CAD模型的方法//第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集 [C].杭州,2008: 175-179.

［9］赵西安.浅谈数字建筑仿真技术专业方向建设[J].测绘通报,2007,2: 75-78.

［10］“数字建筑”沙龙活动[J].建筑与文化,2009,9:38-44.

［11］傅筱.从二维走向三维的信息化建筑设计[J].世界建筑,2006,9: 153-156.