基于BIM的結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索

1、    基于bim的結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索    劉燦【摘 要】文章介紹了bim和vr技術(shù)的概念，闡述了bim、vr及有限元的關(guān)系，討論了結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室在科研及教學(xué)工作上的優(yōu)勢(shì)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方向提供了嶄新思路?！娟P(guān)鍵詞】bim；vr；有限元；結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室【abstract】this paper introduces the concept of bim and vr technology，expounds the relationship between bim，vr and finite element， discusses

2、the advantages and future development trend of structural virtual laboratory in scientific research and teaching work，providing new ideas for the construction of structural virtual laboratory.【key words】bim；vr；finite element；structural virtual laboratory1 bim技術(shù)概述1.1 bim概念bim（building information mod

3、eling）即建筑信息模型，是繼cad技術(shù)后建筑行業(yè)又一項(xiàng)重要的發(fā)明。不同于傳統(tǒng)的cad或3d建模技術(shù)，bim是一個(gè)集成了建筑物從設(shè)計(jì)、施工到完建后運(yùn)營(yíng)、維修保養(yǎng)、直至回收處理的全壽命周期信息的三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)。項(xiàng)目各階段信息相輔相成，對(duì)項(xiàng)目任意數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，會(huì)引起與其相關(guān)聯(lián)的其他信息的變化。1.2 bim研究與應(yīng)用現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于bim的研究主要集中在三個(gè)方面：1）信息技術(shù)類研究，主要體現(xiàn)在完善bim軟件系統(tǒng)；2）理論指導(dǎo)類研究，主要體現(xiàn)在完善bim相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并以學(xué)術(shù)形式公開(kāi)研究成果；3）實(shí)際工程類研究，主要是關(guān)于bim技術(shù)如何在工程項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)的研究。bim技術(shù)在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較廣泛，涉

4、及規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)各個(gè)階段，但是國(guó)內(nèi)僅少數(shù)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用bim技術(shù)，如上海中心大廈、河北奧體中心、上海世博會(huì)德國(guó)館、天津港國(guó)際郵輪碼頭等，且應(yīng)用主要集中在設(shè)計(jì)和施工方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在全壽命周期的應(yīng)用。我國(guó)bim發(fā)展的主要問(wèn)題在于沒(méi)有完善的標(biāo)準(zhǔn)以及軟件系統(tǒng)。2 vr與bim的技術(shù)融合vr技術(shù)即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是通過(guò)電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維虛擬世界，提供給使用者如身臨其境般的全感官模擬。vr技術(shù)可與很多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉，研究?jī)?nèi)容涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感器學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、智能控制等1。其最早起源于美國(guó)，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家在軍事和航空方面的探索和應(yīng)用較多，亞洲的日本在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面處

5、于世界領(lǐng)先地位，其主要致力于大規(guī)模虛擬現(xiàn)實(shí)知識(shí)庫(kù)的研究，另外在虛擬現(xiàn)實(shí)游戲方面也做了不少工作2，日本的nec公司開(kāi)發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能讓操作者使用“代用手”去處理三維cad的物體模型3。vr技術(shù)能夠提供用戶全感官體驗(yàn)，但是暫時(shí)無(wú)法集成豐富的數(shù)據(jù)信息，bim技術(shù)正好彌補(bǔ)這一缺陷，使vr技術(shù)不僅僅局限于場(chǎng)景展示的單一功能；借助vr，又可以將通過(guò)bim系列軟件建立的三維模型渲染得分外逼真，給用戶展示幾近真實(shí)的建筑物。vr技術(shù)與bim技術(shù)互取優(yōu)勢(shì)，相得益彰。3 結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索事實(shí)上，融合bim與vr技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)三維模型的全真展示，但若進(jìn)一步融入有限元，并充分利用其后臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算功能

6、，建立特定的結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室，將能更好地為土木工程的教學(xué)及科研工作服務(wù)，主要體現(xiàn)在：1）科研方面其一，科研工作者在開(kāi)展真實(shí)試驗(yàn)之前，可以借助結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行預(yù)演預(yù)算，相比單一的有限元計(jì)算，由于感官體驗(yàn)的直觀性，有助于更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果預(yù)估預(yù)判，減少不必要的時(shí)間和材料浪費(fèi)；其二，虛擬實(shí)驗(yàn)室有助于完成一些危險(xiǎn)系數(shù)或者成本較高的試驗(yàn)項(xiàng)目；其三，科研工作者可借助虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)完成資源共享，于同一項(xiàng)目人員而言，意義體現(xiàn)在遠(yuǎn)程合作、協(xié)同試驗(yàn)。若試驗(yàn)有所成果，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以作為一個(gè)數(shù)字共享平臺(tái)，類似于各類數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)共享，作為一種全新的成果展示及共享方式，為世界各地研究人員的科研工作提供便利。2）教學(xué)方面結(jié)

7、構(gòu)試驗(yàn)耗材昂貴，即使是采取參觀或演示的方式進(jìn)行教學(xué)，對(duì)于大多數(shù)高校而言也是一筆不小的費(fèi)用，更不用說(shuō)讓每位學(xué)生動(dòng)手操作。若借助虛擬實(shí)驗(yàn)室，安全問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題均可以得到較好的解決，從而保障學(xué)生實(shí)踐能力得到鍛煉，提升工程學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量。4 結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)難點(diǎn)結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)難點(diǎn)在于bim建筑模型與vr虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互對(duì)接、vr虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與有限元軟件前后處理器的混合編程對(duì)接等，目前尚處于初步研究階段，并不成熟。其中，有限元軟件與bim&vr的交互，需注意的是，有限元需要將建筑物的三維幾何模型轉(zhuǎn)換為一個(gè)適當(dāng)抽象的模型，這往往通過(guò)減少模型幾何維數(shù)或刪減次要細(xì)節(jié)得到1，因此二者交互

8、急需實(shí)現(xiàn)的是將三維模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為有限元中的抽象模型。抽象模型生成后，由前處理器完成有限元網(wǎng)格劃分；分析每一個(gè)有限元網(wǎng)格，由后處理器完成可視化分析（應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D、位移云圖等）。最后通過(guò)vr平臺(tái)直觀地展示有限元分析結(jié)果。5 結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展趨勢(shì)1）bim&vr平臺(tái)與有限元前后處理器的自適應(yīng)交互將進(jìn)一步發(fā)展，有限元分析結(jié)果有望實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)即時(shí)顯示；2）雖然結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有成本低、效率高、功能全、協(xié)作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)4，但是真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境十分復(fù)雜，且可變性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確模擬困難程度高，因此未來(lái)的結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)室須做到更為準(zhǔn)確地模擬試驗(yàn)環(huán)境，以期獲得更準(zhǔn)確的試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果或者試驗(yàn)展示效果，更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。3）目前的虛擬實(shí)驗(yàn)室已能實(shí)現(xiàn)協(xié)作試驗(yàn)，未來(lái)的虛擬實(shí)驗(yàn)室可作為一個(gè)大型的數(shù)字共享平臺(tái)，不同于傳統(tǒng)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，以全新的形式完成研究成果共享，為世界各地研究人員提供便利。bim、vr、有限元的技術(shù)融合，具有巨大的發(fā)展?jié)撃?，虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的逐步發(fā)展，將為科研及教育方式帶來(lái)更重大的轉(zhuǎn)變?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1李道中.虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中有限元前后處理功能的實(shí)現(xiàn)d.遼寧：大連理工大學(xué)，20