陈铭铭

摘 要：本研究针对在应用建筑信息模型进行设计实践时，不同专业设计人员对于同一问题的理解会存在差异，因而容易引起信息传达的误解，降低建筑设计及施工的效率问题，提出了将VR与BIM相结合并实现移动端的应用，从而提高建筑交互的效率，在建筑设计及施工领域应用有着广泛的前景。本小组研究将BIM中的建筑信息转移到移动端的VR设备中去，进行一个Revit软件的二次开发，并且以开发出的软件进行建筑信息多人交互效率影响的检测从而验证此次软件二次开发的作用与影响。实验结果表明移动端VR在一定程度上能够提升建筑信息多人交互的效率和质量。

关键词：BIM模型;移动端;VR

1.课题背景：BIM和VR结合成为主流趋势

随着信息化时代的到来，建筑模型信息化也是一种不可扭转的趋势。因此BIM软件兴起，相对于传统的图纸，BIM能很好的呈现建筑设计和施工中的碰撞点，加强加快了不同的专业人士之间的交互。但是与真实感还是存在一定的差异，且建模文件一般只能在计算机上打开，而不能在移动端打开，这无疑阻碍了建筑信息的交互。在另一方面而随着科技的进步，虚拟现实已经不仅仅只是一个演示媒体 ，并且开始运用到社会的各个领域，包括医学、娱乐、航天航空等，然而在建筑领域还是有待研究。比如装修房屋之前你首先要做的事是对房屋的结构、外形做细致的构思，为了使之定量化，你还需设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人读懂，虚拟现实可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境，可以通过身体方位的变动自动切换视角实现沉浸式的体验。因此，将两个热门的技术结合成为了建筑信息交互中新的发展趋势。

同济大学孙澄宇博士面向三维模型的评论分享需求而开发的移动端交流工具“宇信”，它接受常见的OBJ格式，SMP格式模型，除了以不同的方式在三维空间中移动观察外，还支持语音控制的手机双目立体漫游，可以很好地理解三维模型的形态特点 。同时，它的用户可以通过在线交流的方式或离线传输的方式对模型的局部或整体进行各种评价，而所有的评价连同他们的观察位置与视角都可以以二维码或文本链接的形式分享，实现面向三维模型的有效交流。该工具可以用于建筑设计、城市设计、景观设计、工业设计等行业。然而一般的BIM模型无法导入宇信中，如现在比较热门的BIM软件revit。本项目目的是想将BIM模型导出并自动、转化成为移动端VR可读的格式，提升模型渲染效果，带给体验者更具象化的信息体验;搭建在线虚拟协同平台，利用平台在虚拟环境中实现不同专业人员远程多人协同设计，提高不同专业人士对于模型的沟通调整效率。

2.虚拟现实技术在建筑行业应用的现状分析

在国内方面，虚拟现实技术也逐渐开始在建筑、规划、景观等方面落地应用。有学者研究了虚拟现实在建筑设计及古建筑保护中的应用方法（朱宁克，邹越，2008; 肖海平，2013; 何成战，2013; 齐会娟，李德雄，刘佳，2016）;有学者研究了虚拟现实技术下的景观分析和景观创作方法及应用（李国松，杨柳青，2008; 季景涛，2014; 王圣霖，朱世范，胡海辉，2015; 黄文柳，裘斌，卓泳，2015）;也有学者将虚拟现实技术用到了样板房效果展示中（袁霄，袁莹，2008; 李莹，2009; 常洋，吕媛媛，韩应江，2014; 刘桐，2015）。

近年来随着支撑虚拟现实技术和增强现实技术的软硬件设施逐渐成熟，国外已经有学者开始尝试将BIM与VR及AR技术相结合，并应用与建筑行业实践，以进一步发挥BIM的协同作用。Yan等人研究了计算机游戏与建筑可视化及建筑教育结合的可能性，并创建了整合BIM和游戏的框架，并展示了基于该框架下实时的、可互动的虚拟用户漫游模型（Yan W， Culp C and Graf R，2011）。Wang等人认为通过增强现实技术可以将实现将BIM用于与现场人员的互动和实时沟通，并开发了一个概念框架来调查通过增强现实技术让BIM扩展到现场应用（WANG X， LOVE P E and DAVIS P R，2012）。基于用户设计导向的设计，Heidari等人提出智能BIM技术模型——产生一种虚拟建筑空间，能够让用户体验在空间中的日常，能够与虚拟智能设备互动，而设计师可以根据用户反馈来调整智能建筑的设计（Heidari M， Allameh E and de Vries B， et al.，2014）。Edward等研究将基于协同和交互设计的BIM技术与计算机游戏引擎结合，创造了一个基于设计师使用需求，符合开发稳定性和功能性的BIM系统，对系统的测试表明其可以支持更多的协同和互动设计进程（Edwards G， Li H and Wang B，2015）。

BIM與VR的结合成为建筑信息交互中新的发展趋势，但是现有技术下建筑信息的VR体验只在PC端较为普及，扮演而没有实现移动端（手机）的沉浸式体验。

3.技术路线：如何实现BIM与VR的结合

项目流程如图1所示，利用revit2017生成BIM模型后，导出可被宇信平台接受的.obj文件格式，在宇信平台上可以实现移动端的VR体验，也可以在此平台进行评论，标注信息，最后导出含有交互信息的.smp文件，将BIM模型在移动端可视化，从而提高了多人交互的效率。

然而宇信只能接受.obj格式，而revit不能直接导出obj格式文件，因此要进行二次开发，本小组通过在Revit2017菜单栏里面添加一个导出obj格式文件的附加模块。Revit2017提供API，所有数据都可以通过API读到，API提供了C#开发接口。在开发完成后，将设计一个对比试验来研究此成果对在建筑信息交互中的作用。

4.Revit2017二次开发计划和结果

4.1.Revit与.obj格式对比

4.1.1.Revit与.obj格式介绍

由于要使Revit导出.obj格式文件，首先得了解两个文件的格式特点。Revit是美国Autodesk公司开发的的软件，为建筑信息模型（BIM）构建的，可帮助建筑设计师设计、建造和维护质量更好、能效更高的建筑。

目前国内民用建筑BIM主要建模平台就是Revit，建完模型后，后续有很多的扩展运用，如运维，VR，AR等，Revit目前提供的接口如下：

Revit 原生格式：RVT、RFA、RTE、RFT

CAD 格式：DGN、DWF、DWG、DXF、IFC、SAT 、 SKP、FBX

图像格式：BMP、PNG、JPG、JPEG 和 TIF

其他格式：ODBC、HTML、TXT 和 gbXML

Revit提供API，所有数据都可以通过API读到，API提供了C#，VB.net，C++等开发接口，现详细分析C#的API，Revit API，所有的数据都存储到Revit.DB这个类中，如图2所示。

obj文件格式支持直线（Line）、多边形（Polygon）、表面（Surface）和自由形态曲线（Free-form Curve）。直线和多边形通过它们的点来描述，曲线和表面则根据它们的控制点和依附于曲线类型的额外信息来定义，这些信息支持规则和不规则的曲线，包括那些基于贝塞尔曲线（Bezier）、B样条（B-spline）、基数（Cardinal/Catmull-Rom）和泰勒方程（Taylor equations）的曲线。其他特点如下：

（1）OBJ文件是一种3D模型文件。不包含动画、材质特性、贴图路径、动力学、粒子等信息。

（2）OBJ文件主要支持多边形（Polygons）模型。虽然也支持曲线（Curves）、表面（Surfaces）、组材质（Point Group Materials）。

（3）OBJ文件支持法线和贴图坐标。在其它软件中调整好贴图后，贴图坐标信息可以存入OBJ文件中。

4.1.2.Revit与.obj格式差异

Revit中常用的模型元素通过层层继承关系，均为Element的子类;

元素的数据均封装在其各自的类中，而OBJ文件由一行行文本组成，有字的行都由一两个标记字母也就是关键字（Keyword）开头，关键字可以说明这一行是什么样的数据。

在Revit模型的编辑视图中，Revit使用项目基准点（Project base point、测绘点（Survey point）、真北方向（True North）、项目北方向（Project North）、位置（Location）、地点（Site）来形象刻画元素位置;在制作族的时候，族文件内的几何体具有自己的坐标系;当族文件被加载到Revit模型中时，族实例的几何体具有自己的坐标系;对于基于点的族实例，比如柱子，门窗，家具等。我们可以通过基于点的族实例的Location属性来返回一个LocationPoint对象，该对象刻画了插入点的位置坐标和旋转角度;对于基于线的族实例，比如梁。Revit API为我们提供了一个转换矩阵GeometryInstance.Transform，可通过它来把族文件中几何实体的坐标信息直接转成成族实例在模型文件坐标系中的坐标。而。Obj格式使用三个参数x， y， z来刻画位置;使用三个点来刻画一个面、以顶点坐标来刻画几何体等方式构建图形。

4.2.二次开发的计划

第一步：通过Revit API读入模型各元素（Element）数据

第二步：设计数据结构来保存各元素参数

第三步：实现从Revit坐标系向obj文件坐标系的转换

第四步：将Revit中所包含的元素实例（Instance）转化成obj文件所支持的元素类型

第五步：将上面所处理得到的数据写入obj文件中

4.3.二次开发的结果

目前已经成功完成了revit的二次开发，将revit中导出的文件如图3，在宇信平台打开后运行结果如图4。戴上一般VR眼镜之后，便可以实现沉浸式体验。

导出的obj格式文件：

5.实验设计和结果：验证二次开发成果在建筑领域的作用

5.1.效率对比实验的设计

实验一：BIM+VR 与传统图纸解读项目的对比

选取对象为土木或建筑专业的学生随机分为两组，一组用传统的图纸解读项目，并将碰撞点在图纸上表示，一组用revit2017排查后导入到移动端VR来解读项目，并在移动端上通过评论功能标出碰撞点，統计两组学生找出碰撞点的时间和正确的数量。

实验二：移动端VR交互与传统图纸交互建筑信息的对比

找出碰撞点后，传统图纸组的同学通过图纸表达将碰撞点标记并将碰撞信息传递给负责设计的同学，负责设计的同学根据碰撞点提出修改意见。而移动端VR组的同学直接通过在移动端上添加评论并导出文件发送给负责设计的同学，负责设计的同学根据碰撞点提出修改意见。比较两种方式完成此次交互所用的时间以及修改意见的正确率。

此次试验模拟的是建筑活动中施工组在发现图纸上存在碰撞点时与设计组协同交互的情形如图5。

因条件限制，无法将二次开发的成果运用到实际项目中进行交互效率的分析，也无法选取专业设计团队和施工团队来进行实验，因此小组采用以上简化后的实验方案。实验设计及选取的管道模型如图6，水管和风管的部分碰撞点如图7。

5.2.实验结果及分析：

5.2.1.实验数据结果

共招募有效被试52人，其中男生35人，占总被试数的67.3%，女生17人，占总被试数的32.7%。全部来自土木和建筑专业学生。两人一组，一人扮演设计人员，一人扮演施工人员，总共分为26个小组，移动端VR方式和传统图纸方式各分配13个小组。负责施工的成员先完成实验一，以下为实验一结果如图8图9：

当施工人员完成实验一后和对应的设计人员共同完成实验二，以下为实验二结果如图10：

且设计人员提出修改意见当中，传统组仅有6组改进方案可行，而VR组有9组提出的改进方案可行。

5.2.2.实验结果的分析：

从实验一可以看出，移动端VR与BIM的结合与传统的图纸解读建筑信息相比，前者能更快的通过BIM分析直接找到碰撞点，并且在移动端显示的VR模型上找到标记，由于是BIM自动分析碰撞点，大大减小了出错，而通过我们二次开发的成果将模型直接导入移动端，方便直观的将信息记录在移动端上，宇信平台的自由切换视角以及评论功能，也方便了碰撞点的信息标记。通过实验表明，查找碰撞点的时间前者用的时间非常短，相比大多时间用在了标记信息上。而后者用传统的方法，时间大多用在了查找碰撞点，在各种剖面，平面图，立面以及详图中查找碰撞点，需要将各个方位对应，最后将碰撞点标记在一张平面图中，这样的查找出错率高，原因是管线和柱的重叠在单张图纸上无法显示，这就需要结合多个视角分析，花费了较长时间，但是图纸的标记速度较快，同时出错率也高。此实验表明了移动端VR与BIM的结合能够加强个人对建筑信息的提取和理解效率和质量。

从实验二可以看出，移动端VR与BIM的结合与传统的图纸在建筑信息交互方面，两者在同地同时交互时的效率，前者大大得到了提高。由于模型通过宇信平台可以随意切换视角，且通过实验一已添加的评论，可以加快沟通的效率，设计团队通过移动端VR也能更好的表达自己改进的方案。在信息交互方面，移动端VR和BIM大大提高了交互的效率和质量。而传统组在实验一中已经在碰撞点的排查方面大大落后，在实验二中传递碰撞信息时花费了较多时间，而设计人员在理解方面又容易出现偏差，因此交互的质量不高，最后给出的方案可行性也很低（此处的可行性只针对实验一中施工人员找出的正确碰撞点的改进）。

对于实验结果分析可总结为以下两个方面：

从交互的效率分析，移动端VR与BIM的结合能有效提高建筑活动中交互的效率，不论从个人对图纸的理解速度还是从信息的传递方面，其效率都大大提高了。但是在标记信息方面，移动端VR可能还有待提升，实验人员对于移动端VR的操作不熟练引起了效率的降低，但总体效率提升了。

从交互的质量分析，移动端VR与BIM的结合能够减少施工以及设计中的错误，避免一些容易忽略的碰撞点，以及传统图纸无法体现的碰撞点，在信息交互时，也能减少误解，增加沟通的便利性。此外对方案的改进和重新确立也起着非常重要的作用

6.研究结论：BIM与移动端VR结合提高建筑信息交互质量和效率

本研究通过revit2017的二次开发，实现了obj格式文件的导出，并将其导入到移动端的宇信平台，实现了BIM与移动端VR技术的结合，不仅解决了在建筑设计和施工时交互困难的问题，方便了交互，更提高了交互的质量和效率。而这正是此项目的目的和意义。除此之外，在建筑领域，VR技术的推广能给建筑设计师们更好的表达空间，更方便了与甲方的交流，避免了传统图纸表达不清产生的误解。移动端的应用更加跟上了时代的步伐，让VR技术不再只是停留在游戏室和笨重的头盔上，变得更加简洁方便。将虚拟现实与BIM相结合并普及化还有着更多的应有前景等待发掘。

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