BIM+VR技術在水電工程設計中的應用分析

費章貴

（安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥 230031）

1 BIM+VR技術在水電工程設計中的應用優(yōu)勢

1.1 優(yōu)化工程方案

VR技術能夠模擬出逼真的三維立體場景，其與BIM技術結合后，能夠?qū)崿F(xiàn)水電工程設計的全程可視。設計人員能夠通過對虛擬方案的觀察，找出其中的漏洞和缺陷，并結合BIM系統(tǒng)給出的自動診斷信息，對工程設計方案進行精確地調(diào)整和優(yōu)化。BIM技術與VR技術相互配合、相互補充，可將設計者頭腦中的想法、構思轉(zhuǎn)換為客觀存在的虛擬模型，以提高設計者對設備空間關系、電氣系統(tǒng)走向、材料物理性能等參數(shù)的敏感程度，提前發(fā)現(xiàn)設計風險并進行控制[1]。另外，在方案審核的過程中，透過工程虛擬模型也能讓工程參與者方更直觀、清晰地了解設計者意圖，從多角度分析設計方案的可行性，以便找到最佳水電工程建設方案。

1.2 促進信息交互

水電工程設計并不獨立存在，其需要取得施工部門、造價部門、勘察部門的積極配合。例如在以往的設計工作中，經(jīng)常因部門間信息交流受阻，導致返工或方案變更問題，造成額外的成本支出并影響施工進度。如何提高水電工程建設信息轉(zhuǎn)換的靈活性，保證部門間積極配合成為設計工作優(yōu)化關注的重點。基于BIM與VR技術的水利工程設計需在同一平臺內(nèi)完成，其中包括不同部門的功能模塊，將各專業(yè)信息、資料整合到同一平臺上進行處理和反饋，促進信息交互，因信息傳輸受阻而導致的設計失誤問題大幅度降低。

2 BIM+VR技術在水電工程設計中的應用方法

2.1 模型構建

構建水電工程三維立體模型，其中應涵蓋工程所在位置地形、交通布局、建筑布局等主體框架，還應涵蓋水力機械、電氣系統(tǒng)等細節(jié)。為保證最終呈現(xiàn)的模型盡量貼合水電工程實際情況，要求在模型構建過程中使用標準、統(tǒng)一的設計方法和命名方式。完成初步構建后，將模型導入到3Dmax或其他類似功能的平臺中，對三維模型做細化地處理。例如，對幾何面較多的模型進行簡化，以呈現(xiàn)出最佳視覺效果。

2.2 空間細化

利用專門的游戲引擎，對空間模型進行細節(jié)處理。該過程應結合水電工程現(xiàn)場勘查信息，對模型場景進行真實的還原。合理調(diào)整工程建筑、交通、自然環(huán)境之間的關系，完善空間元素，并對模型中的碰撞屬性進行調(diào)節(jié)。游戲引擎細化空間的優(yōu)點在于，能夠模擬場景中光線對實物的影響以及模型的質(zhì)感，引入美術學科知識，盡可能還原設計模型中事物的真實屬性，以便對模型進行觀察和分析。

2.3 角色引入

BIM與VR技術在水電工程設計中的應用實質(zhì)是，通過模擬模型的搭建，實現(xiàn)設計者與方案之間的互動交流，讓設計者在身臨其境的狀態(tài)下，對設計方案進行改進和完善。常用的視角包括第一視角、第三視角和漫游視角三種，不同角色對應不同視角。其中，第一視角指的是模擬角色眼睛的觀察角度；第三視角則是在角色周圍一定范圍內(nèi)設置攝像機，將角色作為拍畫面的主體；飛行視角被設置在模型上空，以俯視的方法對場景進行觀察和記錄[2]。

2.4 功能設計

進行場景漫游設計，對上文中的三個視角進行調(diào)控，賦予其相應的漫游功能。完善模型的交互功能，并通過UI設計，對水電工程場景進行美化，實現(xiàn)沉浸式漫游。例如，將電氣系統(tǒng)中各類設備、管線的相關信息整合到設計平臺中，通過直接點擊即可獲取到某一具體電氣設備的型號、廠家、性能參數(shù)、安裝指標等。工程參與人員通過VR技術的交互功能，即可對水電工程模擬場景進行觀察和漫游。

3 BIM+VR技術在水電工程設計中的應用案例

3.1 案例背景簡介

某水電工程項目總裝機容量40 MW，設計平均發(fā)電量在1.30 億kWh，其最大水頭為16.8 m。整個水電工程包括調(diào)蓄水庫、引水隧洞、廠房等結構，為當?shù)鼗A性水力發(fā)電項目，以發(fā)電為主，兼顧供水、灌溉及旅游。該水電工程功能相對復雜，電氣工程質(zhì)量要求較高，為保證工程運行效率和服務壽命滿足區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展需求，在電氣設計過程中引入BIM即VR技術，以確保工程電氣系統(tǒng)設計的合理性，避免給后期安裝、調(diào)試工作帶來不利影響。

3.2 電氣系統(tǒng)設計

（1）構建工程電氣系統(tǒng)三維模型。對水電工程進行1：1模擬，重點關注電氣設備、母線、電纜廊道與工程建筑結構之間的關系，該部分要求實現(xiàn)精細化模擬。為提高工程設計的空間協(xié)調(diào)性，同時合理減輕設計工作壓力，選擇對工程非核心范圍內(nèi)的自然環(huán)境進行低精度模擬。此外，考慮到平臺兼容性的要求，對模型信息進行壓縮處理，以確保模型能夠以stl格式被轉(zhuǎn)移到3Dmax軟件平臺當中進行簡化等進一步處理。

（2）經(jīng)3D max軟件平臺處理后的電氣系統(tǒng)模型被轉(zhuǎn)移至游戲引擎當中，對設計方案做進一步細化，提高方案的逼真程度。根據(jù)工程中電氣設備選型情況，還原設備及管線的真實質(zhì)感和光澤，并利用平臺數(shù)據(jù)庫及畫筆工具，對工程所處的空間環(huán)境進行完善，以放大環(huán)境對電氣系統(tǒng)正常運行的影響，方便設計改進。調(diào)節(jié)模型碰撞屬性，還原物理屬性，確保角色活動正常。

（3）本文重點研究該案例中電氣系統(tǒng)的設計過程，因此選取電氣設備安裝調(diào)試人員為原型進行角色設計，以水輪發(fā)電機組的安裝為例。在經(jīng)過多方案比較確定水輪發(fā)電機組選型后，結合水輪發(fā)電機組安裝的定位、預埋、預裝和總裝四項核心操作流程，設計角色的動作類型及活動流程。將設計結果導入到游戲引擎當中，實現(xiàn)設計、安裝人員交互功能。通過計算機操控終端，可通過相應的按鍵配合手柄調(diào)整角色的運動狀態(tài)，以完成流暢的水輪發(fā)電機組安裝模擬。結合攝像機位置信息，從第一、第三及飛行三個視角查看模擬場景。

（4）進行邏輯結構的搭建，以游戲引擎、C++等技術為依托，添加漫游、方案介紹、畫面截取、空間導航等功能。再通過UI設計，實現(xiàn)對整個水電工程的沉浸式漫游，觀察電氣系統(tǒng)內(nèi)各設備的型號、尺寸、性能參數(shù)等信息。

（5）輸出模擬設計方案。將虛擬場景以exe格式提取并輸出到HTC Vive Pro平臺中，相關人員通過專業(yè)設備即可實時對水電工程的漫游，觀察電氣系統(tǒng)是否存在碰撞點、各設備運行相互影響等[3]。在方案審核階段，各工程參與方通過VR設備，身臨其境對本水電工程電氣系統(tǒng)設計情況進行觀察，直觀、全面了解電氣相關信息，并從多角度給出優(yōu)化意見。水電工程中的電氣設計要考慮到系統(tǒng)本身的空間合理性，還要考慮設備與設備、設備與其他建筑構造之間的影響關系。基于BIM和VR技術的方案設計能夠精準、全面地描述出設計者的設計意圖，并將多方建議融入其中，電氣設計質(zhì)量明顯提升。

經(jīng)實踐驗證，本工程電氣系統(tǒng)安裝、調(diào)試工作嚴格依照設計方案進行，未發(fā)現(xiàn)任何碰撞點，施工活動順利完成，VR技術對水電工程設計的輔助作用發(fā)揮充分。

4 結語

BIM技術用于建模及參數(shù)化完善模型，而VR技術則用于解決可視化的問題。相較于BIM技術，VR技術在水電工程設計中的實踐經(jīng)驗更加有限。為應對未來更高的水電工程設計需求，BIM技術與VR技術相結合已成為一種必然的發(fā)展趨勢。要求相關人員在設計過程中積極引入VR技術，實現(xiàn)水電工程設計全程可視，降低BIM設計優(yōu)化工作壓力，不斷提高水電工程設計能力。