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BIMVR(Building Information Modeling in Virtual Reality)是將BIM(建筑信息模型)和VR(虛擬現(xiàn)實)結(jié)合起來的一種技術(shù)手段[1]。
BIM工程師已經(jīng)可以在工程施工前就做出來非常真實的BIM模型了,但是目前這種可視化的三維模型有很大的局限性。將BIM與VR技術(shù)相結(jié)合,可以讓使用者不僅可以看到這個模型,還可以深入其中,身臨其境,真實的感受身處模型之中。無論是對于設(shè)計方還是施工方,都能夠得到充足的指導(dǎo),避免很多很可能發(fā)生的事故、問題,讓工程實施變得更加合理。AR、MR亦如是[2]。
BIM是建筑工程管理領(lǐng)域新的信息溝通載體,基于BIM的大量工具軟件和平臺應(yīng)用如雨后春筍,在逐漸替代傳統(tǒng)基于CAD圖紙的溝通方式。
VR/AR/MR,本質(zhì)上是新的溝通技術(shù),與之相關(guān)的軟硬件成為新的溝通工具; 它們也是繼電腦、手機等信息處理和溝通工具之后的新一代溝通與通信平臺。
BIM+VR/AR/MR所具備的價值潛力,對建筑業(yè)來講,將不單單是一個信息載體和工具的升級,其整個信息溝通范式都會隨著技術(shù)的深入發(fā)展而產(chǎn)生變革。圖1介紹了BIM與VR/AR/MR的關(guān)系。BIMVR/AR/MR有望成為建筑工程產(chǎn)業(yè)新的溝通范式(Communication Paradigm)[3],形成新的技術(shù)門類和跨界學(xué)科。
圖1 BIM與VR/AR/MR的關(guān)系
建筑業(yè)的生產(chǎn)效率及信息化水平,一直遠遠低于其他產(chǎn)業(yè),本質(zhì)源于其工程管理及溝通范式太陳舊落后,急需有更新的、更高效的溝通范式來對這一龐大產(chǎn)業(yè)進行革新,甚至顛覆。那么,BIMVR/AR/MR在建筑全生命期中具體有哪些應(yīng)用呢?后面分別介紹。
(1)BIM+VR應(yīng)用
BIMVR在建筑規(guī)劃與設(shè)計階段最基本的應(yīng)用是設(shè)計方案評審。將設(shè)計師、評審人員帶入VR場景中,基于VR的特性,便可實現(xiàn)常規(guī)看紙質(zhì)圖紙和透過屏幕看BIM模型所達不到的效果。特別是對于決策層以及一些非設(shè)計專業(yè)人士,VR的沉浸性讓他們也能參與進來,發(fā)表評價。
體驗者通過多種視角對項目進行全方位審視。比如通過飛行漫游視角,在VR場景中查看渲染過后1: 1的BIM模型場景,讓人們對未來區(qū)域的建筑規(guī)劃方案有更宏觀的感知和判斷。體驗者在漫游途中,還可通過豐富的VR交互手法,對方案進行全方位查看以及局部的修改調(diào)整。當(dāng)有多套建筑規(guī)劃設(shè)計方案供參考時,可通過VR體驗,直觀的進行方案的評審和比選。
目前針對建筑規(guī)劃設(shè)計階段,已經(jīng)有大量的BIMVR軟件供選擇。比如IrisVR、Enscape、Mars、TwinMotion、Lumion等。
(2)BIM+AR/MR應(yīng)用
與VR不一樣,AR/MR的體驗場景,不再局限于室內(nèi)體驗區(qū),而是去到了任何地方,比如項目實地現(xiàn)場。從BIM軟件中導(dǎo)出模型數(shù)據(jù),在項目現(xiàn)場,可通過AR手持設(shè)備和MR眼鏡等,將模型、圖紙等1: 1加載在現(xiàn)場。擁有現(xiàn)場臨場感的AR/MR體驗,對方案溝通效果更好。
如圖2所示,在項目現(xiàn)場定位點掃描BIM模型,然后加載模型,設(shè)計及評審人員,即可拿著iPad設(shè)備,實現(xiàn)AR漫游體驗。去到任何一個位置,探查未來完工后的狀態(tài)。通過MR眼鏡也是同理,只是交互方式從觸屏改為手勢和語音交互。
圖2 項目規(guī)劃現(xiàn)場加載BIM模型的AR場景截圖
鑒于ARKit和ARCore發(fā)布的時間并不長,且目前可用的AR和MR眼鏡設(shè)備也很少,針對建筑規(guī)劃與設(shè)計階段,目前很少見有通用的BIMAR/MR軟件。
Trimble公司基于微軟HoloLens推出的Sketchup Viewer是一個例子,可以通過HoloLens瀏覽操作Sketchup創(chuàng)建的模型。不過大部分BIMAR的應(yīng)用,在交互體驗上還比較雞肋,多數(shù)為定制開發(fā)的項目展示性質(zhì)的定制型項目體驗軟件。
對于定制開發(fā),目前可用的開發(fā)工具及軟硬件平臺如圖3所示。
圖3 當(dāng)前BIMAR應(yīng)用開發(fā)模式
工程管理的過程,是對管理人員經(jīng)驗和技術(shù)的發(fā)揮過程,傳統(tǒng)工程管理人員依據(jù)的工程管理信息媒介是紙質(zhì)圖紙,如今正在逐漸轉(zhuǎn)向電子化、三維模型化,甚至更進一步實現(xiàn)VR、AR化。
工程管理的過程就是多個項目參與方不斷溝通的過程。所以,BIMVR/AR/MR作為優(yōu)秀的溝通工具,大有其用武之地。BIMAR/MR天然適合于施工現(xiàn)場的幾乎所有溝通場景。相信再過不久,一系列的基于BIM和AR/MR的應(yīng)用工具和平臺軟件將被開發(fā)出來,覆蓋工程現(xiàn)場管理的方方面面。
2.2.1 BIM+VR應(yīng)用
VR最早的工程領(lǐng)域應(yīng)用,側(cè)重在VR沉浸式體驗上。通過VR的沉浸感、交互性來發(fā)揮其工程教育培訓(xùn)的價值。隨著教育培訓(xùn)的不斷普及,單純的VR體驗已經(jīng)不再能滿足工程需求,更多深入挖掘BIM和VR價值的應(yīng)用會不斷推向工程現(xiàn)場。常見的BIMVR應(yīng)用架構(gòu)如圖4所示。
目前BIM+VR在工程施工階段的應(yīng)用主要集中在安全管理、質(zhì)量控制、進度控制及組織協(xié)調(diào)方面。
(1)安全管理領(lǐng)域
VR安全管理及教育是工程施工階段最早的落地應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)安全培訓(xùn),VR安全培訓(xùn)的優(yōu)勢不言而喻。將工人置身于施工場景中,依次去體驗各類安全事故及應(yīng)急搶險的流程,在VR中發(fā)生傷害、死亡等事故,通過視覺、聽覺、觸覺反饋,形成心理的震懾作用。
在VR工程安全教育上,國內(nèi)市場需求更甚于國外,市場空間也更大。或許VR安全教育培訓(xùn)將成為工程現(xiàn)場的標配。部分研發(fā)型企業(yè),深入工程管理,不再是停留在面子工程,做出的軟件成果對一線工人來講,有較大的實用價值。以萬間SafetyVR為例,SafetyVR的體驗流程詳見圖5。
圖4 基于UE4開源引擎的BIMVR軟件開發(fā)框架
圖5 SafetyVR體驗使用流程
SafetyVR除了常規(guī)的安全體驗項目,為了讓培訓(xùn)效果更具可見性,做了幾項技術(shù)的集成創(chuàng)新:刷身份證的實名制管理系統(tǒng)、眼球及視線追蹤技術(shù)精確記錄考核分數(shù)、成績管理及分數(shù)導(dǎo)出用于備案(圖6)、多項目場景及事故搶險類別全覆蓋。
圖6 SafetyVR成績導(dǎo)出界面截圖
BIMVR安全管理的進一步落地,將具備將BIM數(shù)據(jù)實時導(dǎo)入VR場景、安全措施自動規(guī)劃布置、安全計算功能,VR事故體驗不再是必須的。VR場景BIM數(shù)據(jù)化,BIM場景VR化,BIM的數(shù)據(jù)價值將進一步挖掘并凸顯。
(2)質(zhì)量控制領(lǐng)域
VR應(yīng)用于質(zhì)量領(lǐng)域,首先也是用來做交底和培訓(xùn)考核。特別是對于大型工程的復(fù)雜施工部位,在現(xiàn)實場景中很難進行教育培訓(xùn)的。將BIM模型用來搭建VR場景,設(shè)置交互流程和考核標準后,即可用來進行培訓(xùn)。以萬間SimVR Fab為例,一般的制作開發(fā)流程如圖7所示。
圖7 工藝質(zhì)量BIMVR應(yīng)用制作開發(fā)流程圖
VR培訓(xùn)交底的深度,取決于BIM模型的精細程度,可以做出非常逼真的操作流程,甚至復(fù)制現(xiàn)實場景。一般配置的體驗方式分為兩種:教學(xué)模式、考核模式。
工程質(zhì)量交底和培訓(xùn)是一項高粘性的工作。對于工程師和工人來說,每天都有這方面的需求。所以后面會出現(xiàn)大量信息交互流程更簡單,一線BIM工程管理人員也能簡單上手的BIMVR質(zhì)量交底軟件,提供給他們使用。除了輸出VR體驗成果,還可直接導(dǎo)出高清的流程動畫視頻、高清圖(圖8),用于方案存檔和其他溝通場景。
圖8 干掛石材工藝VR培訓(xùn)截圖
(3)進度控制領(lǐng)域
工程進度控制強調(diào)事前控制,VDC(Virtual Design and Construction)在國外已經(jīng)是一個大的學(xué)科門類,在企業(yè)也是一個復(fù)合型的專業(yè)崗位。VDC工程師就是利用BIM模型和圖紙,來進行施工進度的虛擬仿真、事前控制,排除所能察覺到的所有不合理項、問題點后,再去指導(dǎo)實際的現(xiàn)場施工,降低施工不確定性和返工的人力、資金、時間成本。
對于BIM工程師來說,他只需要將其搭建的BIM模型,導(dǎo)入VR場景,編排好施工進度順序,做好和虛擬工期時間的精確掛接關(guān)系,即可在一個虛擬場景中,完整復(fù)現(xiàn)一個未來的施工場景了。管理人員不再僅僅依據(jù)自己的施工經(jīng)驗,而是依據(jù)BIM模型上精確的材料、成本、人員等數(shù)據(jù),通過調(diào)節(jié)各類資源曲線,用線性規(guī)劃的方式來尋找到最佳施工進度路線,讓進度仿真達到優(yōu)化施工方案,降低施工不確定性的目的。
圖9 進度模擬仿真BIMVR應(yīng)用操作流程圖
VR進度模擬仿真的操作流程,詳見圖9。
進度流程仿真模擬的精細度,與BIM模型的精細度有關(guān)。隨著各類信息資源的進一步掛接,可以實現(xiàn)更精確的數(shù)據(jù)驅(qū)動進度流程。同時,在搭建好進度仿真流程后,工程師可以戴上眼鏡,進入到VR場景,去對流程的細節(jié)進行評審,看虛擬施工方案是否具備可實施性,防止出現(xiàn)局部的流程沖突。隨著BIM和VR的進一步融合,通用化的BIMVR軟件,將成為現(xiàn)場的工長、材料員等與進度密切相關(guān)的管理崗位人員的生產(chǎn)工具。
另外,遠程多人同時在線的VR體驗,會更加普遍和實用。在VR場景中實現(xiàn)建設(shè)單位、施工承包單位、設(shè)計單位以及監(jiān)理單位的遠程多方協(xié)同溝通。不用去到同一個地方,在VR場景中完成會議或施工進度方案溝通,對工作效率提升、溝通成本節(jié)約的作用是極大的。
2.2.2 BIM+AR應(yīng)用
目前施工管理階段的BIMAR/MR應(yīng)用還不是很普遍,不過其與施工現(xiàn)場結(jié)合的場景優(yōu)勢,大有超越VR的趨勢。BIMAR/MR應(yīng)用,同樣可以應(yīng)用于工程現(xiàn)場管理的安全、質(zhì)量、進度及組織協(xié)調(diào)領(lǐng)域。其溝通的對象不再是純虛擬的BIM模型,而是BIM模型與現(xiàn)場環(huán)境的溝通,也不再是施工管理人員或者工人與模型的溝通,而是多方參與進來完成協(xié)調(diào)溝通。
BIMAR/MR平臺軟件開發(fā)的路線如圖10所示。
圖10 BIMAR應(yīng)用平臺軟件開發(fā)路線
目前的BIMAR應(yīng)用主要是基于蘋果iOS系統(tǒng)之上ARKit接口開發(fā)的,適配蘋果最新的手機和iPad系列設(shè)備。而基于Android系統(tǒng)之上ARCore的應(yīng)用還很少,因為目前適配的機型還不多。不過相信過不久,就會有大量的手機和平板設(shè)備,都會支持流暢AR的功能,AR體驗的成本會大大降低。
而目前的BIMMR應(yīng)用主要是針對微軟HoloLens眼鏡而開發(fā)的,前不久新出的Magic Leap One,其在性能和體驗上均相對HoloLens有一定的提升,相信它在建筑工程上也會有一定的應(yīng)用。
以萬間Mr.BIM為例,BIMAR/MR在建筑工程施工管理階段的應(yīng)用點主要有以下幾方面。
(1)定位漫游
BIM模型二維碼初始定位設(shè)置(圖11),AR場景漫游及信息查看。
(2)虛擬測量放線
施工圖紙、模型分層增強顯示,虛擬放線定位,AR量尺準確測量(圖12)。
圖11 AR掃碼定位加載BIM模型
圖12 加載AR圖紙
(3)現(xiàn)場施工指導(dǎo)
施工安裝流程指導(dǎo),同步技術(shù)交底培訓(xùn)。
(4)質(zhì)量驗收
圖紙、模型與實體結(jié)構(gòu)位置校驗,發(fā)現(xiàn)并記錄質(zhì)量偏差。
VR/AR最早在建筑業(yè)的應(yīng)用便是項目營銷推廣,特別是地產(chǎn)類的項目,VR樣板間成為很多項目營銷中心的標配。國內(nèi)外均有大量的創(chuàng)業(yè)企業(yè)從事針對地產(chǎn)營銷的VR內(nèi)容定制開發(fā)服務(wù)。
VR/AR以其直觀的溝通表達能力,能清楚的將項目特點、優(yōu)勢傳達給非專業(yè)的客戶群體,且讓人耳目一新。對于還在施工前期但已開始銷售的項目,將BIM模型導(dǎo)入VR/AR引擎,經(jīng)過精細的渲染調(diào)節(jié),輔以一定的交互程序,完整再現(xiàn)建筑工程在完工后的運行狀態(tài),精確傳達給潛在客戶、業(yè)主以及廣大市民。
2.3.1 BIM+VR應(yīng)用
VR應(yīng)用主要是VR樣板間、VR樓盤、VR展覽展示等,將工程項目完工場景通過VR場景展示出來,傳遞給潛在客戶或消費者。
一般的應(yīng)用流程如圖13。
以常見VR樣板間為例,一般整個VR項目營銷展示系統(tǒng)包含區(qū)域規(guī)劃VR展示、樓盤VR展示、戶型VR交互展示、設(shè)計理念、精裝場景、家裝設(shè)計體驗等VR展示模塊,還與企業(yè)展示、平臺概覽、裝修清單、主材介紹、交房標準、服務(wù)體系等常規(guī)營銷內(nèi)容結(jié)合。比如,通過在VR場景中再現(xiàn)未來建筑內(nèi)的生活場景(如圖14,體驗智能冰箱的智能買菜功能的VR營銷案例),來達到準確營銷的目的。
圖13 營銷階段BIMVR應(yīng)用開發(fā)流程
圖14 海爾智能冰箱VR場景式營銷體驗
2.3.2 BIM+AR應(yīng)用
AR/MR在項目營銷中的應(yīng)用與VR類似。AR體驗一般是在手機移動應(yīng)用中集成AR模型展示的功能,通過掃碼,然后加載出模型和信息的方式?;趫D像識別的AR體驗,目前支持幾乎所有Android和iOS移動設(shè)備。
而需要依賴SLAM實時定位的AR體驗,可選方案目前則較少,且對硬件設(shè)備性能有要求。所以目前主流且簡單的AR應(yīng)用多為基于圖像識別的模式。比如基于Vuforia SDK開發(fā)的卡片識別式的AR模型展示體驗。
基于蘋果ARKit和谷歌ARCore的移動AR應(yīng)用解決方案是一個主流方向。且有希望做出通用型的AR應(yīng)用。已經(jīng)有不少企業(yè)在做這方面的嘗試,宜家的AR應(yīng)用IKEA Place就是一個典型。IKEA Place有超過2 000個家具BIM模型(圖15),可以讓用戶充分發(fā)揮想象力,在AR中設(shè)計自己的空間。
圖15 IKEA Place使用場景
建筑運維管理指建筑在竣工驗收完成并投入使用后,整合建筑內(nèi)人員、設(shè)施及技術(shù)等關(guān)鍵資源,通過運營充分提高建筑的使用率,降低它的經(jīng)營成本,增加投資收益,并通過維護盡可能延長建筑的使用周期而進行的綜合管理。
竣工后的建筑或工程物進入長達幾十甚至上百年的使用期,都涉及到運營、維護保修、更新等內(nèi)容。特別是對于機房、工廠等設(shè)備密集型建筑,一旦建筑設(shè)施發(fā)生故障,就需要及時進行維護保修。但由于存在大量的隱蔽工程,且歷史的圖紙存檔資料很難查找,這時候,基于建筑工程的BIM數(shù)據(jù)的VR/AR/MR應(yīng)用價值就凸顯出來了。
2.4.1 BIM+VR應(yīng)用
(1)試運行仿真培訓(xùn)
項目在竣工后,交付試運行階段,可以通過BIMVR場景來進模擬仿真運行的場景,即試運行模擬(VR Commissioning)。以一個生產(chǎn)工廠為例,可以通過VR來精確模擬各類設(shè)備運行時的工況。試運行模擬仿真的內(nèi)容包括:設(shè)備運行工況模擬、消防應(yīng)急演練模擬、典型設(shè)備故障應(yīng)急演練模擬等。
圖16 VR+IoT應(yīng)用流程示意圖
(2)VR+IoT遠程操作
VR技術(shù)結(jié)合建筑工程設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)硬件,可將設(shè)備運行的數(shù)據(jù),實時在VR場景中可視化。還可以通過在VR場景中操作虛擬硬件設(shè)施,將指令傳遞給建筑中的實際硬件控制器,實現(xiàn)遠程控制,如圖16所示。對于一些操作危險性較高的設(shè)備區(qū)域,在VR場景中遠程操作,除了提高安全性,還非常簡單、直觀、便捷。
圖17是鋼材工廠中通過VR遠程操作機床設(shè)備的案例。體驗者手持控制器,在VR場景中操作虛擬設(shè)備,實際控制的卻是跟虛擬設(shè)備一致的實體建筑設(shè)備。且設(shè)施設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù),也能夠在VR場景中查看,操作員只需要在控制室體驗區(qū),即可對整個建筑內(nèi)所有聯(lián)機的設(shè)備進行控制。
圖17 某工廠通過VR遠程控制車間設(shè)備
圖18 ThyssenKrupp基于HoloLens的AR應(yīng)用
2.4.2 BIM+AR應(yīng)用
以一個典型案例來介紹AR/MR應(yīng)用。全球知名電梯廠商ThyssenKrupp基于微軟HoloLens開發(fā)了專門針對其企業(yè)的一個BIM+MR運維檢修管理系統(tǒng)。將電梯運行的設(shè)備數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng),并在MR眼鏡顯示出來,指導(dǎo)現(xiàn)場維修人員,提高工作效率,如圖18所示。
維修人員接收到維修通知,打開MR設(shè)備,查看待維修的電梯設(shè)備信息及故障狀態(tài)。然后去到設(shè)備所在建筑進行維修操作。
在維修過程中,維修人員不需要帶任何圖紙,所有模型和文檔數(shù)據(jù)信息,均通過MR眼鏡增強顯示在空間中,所有的隱蔽工程信息也增強顯示出來。遇到不能判斷的問題時,還可尋求遠程協(xié)助,將頭盔攝像頭畫面同步給其他人員。
維修完成后,設(shè)備運行的實時信息、工單信息都可通過MR眼鏡實時查看,并同步到服務(wù)器端。整個過程,維修人員通過MR進行信息增強輔助,讓傳統(tǒng)基于圖紙、檢測設(shè)備和經(jīng)驗的檢修流程大大縮短,極大提高工作效率。
類似ThyssenKrupp的BIMMR創(chuàng)新應(yīng)用可拓展到建筑工程運維管理的各個方面,讓AR/MR技術(shù)輔助運維人員進行高效率的工作。運維階段的建筑工程BIM數(shù)據(jù)是在實時更新的,它們是一套數(shù)字虛擬資產(chǎn),VR/AR/MR提供了管理人員、業(yè)主與數(shù)據(jù)資產(chǎn)溝通交互的媒介,讓數(shù)據(jù)資產(chǎn)在運維管理全生命期發(fā)揮價值。
BIMVR/AR/MR在建筑全生命期都有非常重要的應(yīng)用,在一些溝通密集領(lǐng)域,它們有機會成為替代性或者顛覆性的溝通管理技術(shù)。當(dāng)然,BIMVR/AR/MR技術(shù)還不夠成熟,技術(shù)的進一步落地,還需要大量的創(chuàng)新研發(fā)和探索。建筑業(yè)新的管理溝通范式的形成,也不是一蹴而就的。
圖19 BIMVR/AR/MR發(fā)展路線
BIMVR/AR/MR發(fā)展路線如圖19所示。對于建筑業(yè)來講,特別是工程施工階段,AR/MR的應(yīng)用場景,遠遠高于VR場景。但凡需要溝通的地方,幾乎都可以用到AR/MR代替?zhèn)鹘y(tǒng)低效率的溝通方式。當(dāng)前,BIMVR的發(fā)展已經(jīng)具備一定的成熟度,BIMAR應(yīng)用正在崛起,BIMMR應(yīng)用則還才少量試點型應(yīng)用。BIMMR是最方便便捷的應(yīng)用方式,隨著軟件開發(fā)成本降低,MR硬件逐漸成熟和大眾化,BIMMR應(yīng)用或許將統(tǒng)治整個施工現(xiàn)場,MR穿戴設(shè)備或?qū)⒏踩币粯?,成為建筑業(yè)工程人員的標配。
在AR/MR硬件成本降低、性能提升后,應(yīng)用的分發(fā)也將更加簡單。隨著5G通信技術(shù)的普及,BIM模型數(shù)據(jù)的實時傳輸不再是問題,BIMAR/MR也從早期的單機軟件應(yīng)用,到后面不斷云化,用戶通過純Web應(yīng)用,即可完成現(xiàn)場的溝通體驗流程,形成小前端(AR/MR設(shè)備端)、大后臺(云端)的應(yīng)用模式。
會有越來越多的工具級BIMVR/AR/MR軟件及平臺出現(xiàn),覆蓋到工程的各個細分領(lǐng)域,特別是這些與基于BIM模型的溝通密切相關(guān)的領(lǐng)域。
VR/AR/MR在建筑業(yè)的發(fā)展障礙是多方面的,主要有以下幾方面:
(1)行業(yè)從業(yè)群體素質(zhì)較低,對新技術(shù)采納緩慢;
(2)BIM技術(shù)發(fā)展緩慢,BIMVR/AR/MR的普及應(yīng)用,或多或少會受到BIM落地緩慢的影響;
(3)VR/AR/MR硬件技術(shù)及成本離普及應(yīng)用尚有較大差距。
建筑業(yè)利潤率普遍很低,如果新技術(shù)的引入,能給項目管理降費、提質(zhì)、增效帶來價值,整個行業(yè)都會欣然接受新技術(shù)。BIMVR/AR/MR的普及應(yīng)用突破點有兩個:
(1)VR/AR/MR硬件成本的降低和性能提升;
(2)剛需型、易用型BIMVR/AR/MR應(yīng)用軟件出現(xiàn)。