BIM+AR ＆ MR技術(shù)在建筑工程施工中的應(yīng)用

周吉林，朱詞恩，蘇前廣，程 源，李文建

（1、珠海十字門中央商務(wù)區(qū)建設(shè)控股有限公司 珠海 519030；2、中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司 武漢 430040）

1 BIM與AR ＆ MR概述

1.1 建筑信息模型（BIM）

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）是全生命周期工程項目或其組成部分物理特征、功能特性及管理要素的共享數(shù)字化表達(dá)，是集建設(shè)工程項目的設(shè)計、建造和運營全過程進(jìn)行管理和優(yōu)化的過程、方法和技術(shù)。BIM 是數(shù)字技術(shù)在AEC（Architecture，Engineering ＆ Construction）行業(yè)中的直接表達(dá)，在施工前先用電腦進(jìn)行模擬，盡可能多地發(fā)現(xiàn)設(shè)計、施工和組織協(xié)調(diào)方面的問題。BIM 技術(shù)正在引發(fā)建設(shè)行業(yè)的深刻變革，也為建設(shè)管理提供了新的范式［2，3］。

1.2 增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）是在虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新興計算機(jī)應(yīng)用和人機(jī)交互技術(shù)。與VR 讓用戶完全沉浸在虛擬環(huán)境中不同，AR 技術(shù)是將計算機(jī)生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息無縫地融合到用戶所看到的真實場景中，借助顯示設(shè)備對真實世界進(jìn)行景象增強(qiáng)，提高使用者對真實世界的感知能力［2，3］。AR 代表設(shè)備是Google Glass 和Project Tango 平板，具有運動跟蹤、區(qū)域識別和深度知覺三大核心技術(shù)。

1.3 混合現(xiàn)實（MR）

混合現(xiàn)實（Mixed Reakity，MR）是結(jié)合真實和虛擬世界創(chuàng)造了新的環(huán)境和可視化，物理實體和數(shù)字對象共存并能實時相互作用，用來模擬真實物體，混合了真實、增強(qiáng)現(xiàn)實、增強(qiáng)虛擬和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，其中還包含有增強(qiáng)現(xiàn)實和增強(qiáng)虛境。MR 主要代表設(shè)備是Magic Leap 和 Hololens 眼鏡，支持目光、手勢、語音、鍵盤和手柄的人機(jī)交互輸入，可實時空間建模、實時空間追蹤、播放空間聲音［4-6］。AR 和 MR 的區(qū)別如圖1所示。

圖1 AR 和MR 的區(qū)別Fig.1 The Difference between AR and MR

2 工程概況

橫琴國際金融中心大廈位于珠海十字門中央商務(wù)區(qū)橫琴金融島，臨海并與澳門隔水相望。該項目是集高端甲級寫字樓、商業(yè)、會展、餐飲與高端公寓等多種業(yè)態(tài)于一體的城市綜合體，建筑面積21.92 萬m2，地下4 層，地上69 層，建筑高度339 m。建筑造型寓意蛟龍出海，如圖2所示。

本工程在建設(shè)過程中，積極探索“互聯(lián)網(wǎng)+”、BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用，并先后引入增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（AR）和混合現(xiàn)實技術(shù)（MR），與BIM 技術(shù)結(jié)合進(jìn)行了深入研究和探索應(yīng)用。

圖2 橫琴國際金融中心大廈效果圖Fig.2 The Effect of Project

3 BIM+AR ＆ MR技術(shù)的功能特點及適用范圍

3.1 功能特點

3.1.1 虛擬管道檢查

機(jī)電管線隱蔽，用深度攝像頭的場景識別進(jìn)行模型的精確定位虛擬顯示管道，虛擬檢查管線走向，并直接調(diào)取相關(guān)構(gòu)件信息，實時更新。

3.1.2 虛擬隱蔽驗收

質(zhì)量檢測或隱蔽工程驗收時現(xiàn)場移動端與現(xiàn)實結(jié)合觀看鋼筋、復(fù)雜節(jié)點、機(jī)電管線、裝飾裝修的三維效果。

3.1.3 虛擬運維

后期運營維護(hù)時可以直接看到隱藏在內(nèi)部的管線走向，便于維護(hù)管理。

3.1.4 定位功能

具備實時定位功能，用二維碼進(jìn)行定位，可定座標(biāo)顯示控制選項、控制實際物聯(lián)網(wǎng)硬件。

3.1.5 通用性系統(tǒng)

所研發(fā)系統(tǒng)平臺具有通用性，即針對不同的工程項目間，項目內(nèi)可同時使用。

3.1.6 協(xié)同工作模式

MR 的協(xié)同工作方式為設(shè)計工作提供了一種全新高效的設(shè)計方式，設(shè)計效果實時呈現(xiàn)、設(shè)計信息實時溝通，簡化了設(shè)計流程，提高了設(shè)計階段的工作效率［1］。

3.2 適用范圍

BIM+AR ＆ MR 技術(shù)適用于建設(shè)工程以及基礎(chǔ)設(shè)施道路、橋梁工程的設(shè)計協(xié)同、虛擬管道檢查、隱蔽工程驗收、輔助后期運維等方面。

4 BIM+AR技術(shù)的探索應(yīng)用

在主體施工階段，本項目探索了智慧工地的建設(shè)及BIM+AR 技術(shù)在建筑施工過程中的應(yīng)用。研發(fā)了基于BIM+AR 的施工運維管理系統(tǒng)，將BIM 模型和相關(guān)信息加載到移動終端中，利用二維碼進(jìn)行模型與現(xiàn)場匹配的精確定位，使用平板掃描二維碼，即可通過平板查看模型。在項目現(xiàn)場以真實的比例對建筑的結(jié)構(gòu)、空間、管道設(shè)計等進(jìn)行檢查。在運維階段，查看隱藏在墻后的管道模型，還可以通過在管道、電路中設(shè)置控制裝置，通過AR 界面虛擬控制管道、電路的開關(guān)，實現(xiàn)互通互聯(lián)［7］。

4.1 實施流程

⑴把BIM 模型轉(zhuǎn)換成fbx 或max 格式，將此格式的模型加載到BIM+AR APP 中。

⑵在測量點上精確放置QRCODE 碼（二維碼），該二維碼是用來進(jìn)行模型的精確定位（見圖3）。

圖3 二維碼位置設(shè)置Fig.3 Setting Two-dimensional Codes

⑶用平板掃描二維碼定位后，即可通過平板查看模型。

⑷在真實環(huán)境中看到虛擬的模型，可以直接看到隱藏在內(nèi)部的電線、水管，例如可以看電路的電流和電壓，我們甚至還可以在模型中通過物聯(lián)網(wǎng)的方式控制燈光的開啟和關(guān)閉、可以查看水管的流量和水壓等（見圖4）。

圖4 虛擬模型演示Fig.4 Virtual Simulation Demonstration

4.2 實現(xiàn)功能

4.2.1 定位漫游

BIM 模型通過AR 技術(shù)加載到現(xiàn)實環(huán)境中，給使用者一種全新的更加真實的模型漫游體驗，并區(qū)別于虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)給人的沉浸式的體驗（見圖5）。

4.2.2 運行展示

點擊BIM 模型中的構(gòu)件，構(gòu)件高亮顯示，可查詢BIM 模型構(gòu)件的名稱和一些性能參數(shù)（見圖6）。

點擊“操作”彈出操作界面，按照操作界面的引導(dǎo)順序依次點擊空調(diào)機(jī)房系統(tǒng)模擬的開啟流程，并按照正確順序依次關(guān)閉機(jī)電設(shè)備的模擬關(guān)閉流程。機(jī)電設(shè)備會根據(jù)操作指令真實反應(yīng)，模擬水流的流動方向和速度，水的色調(diào)暗示了水的不同溫度，色調(diào)越冷，水溫越低（見圖7）。

圖5 漫游界面Fig.5 Roaming Interface

圖6 信息查詢界面Fig.6 Information Query Interface

圖7 運行演示界面Fig.7 Running Demo Interface

4.2.3 水泵安裝

利用按鈕方式，可將水泵安裝的工序在AR 平板中進(jìn)行模擬演示，每道動畫完成會顯示工序關(guān)鍵信息及注意事項，可輔助現(xiàn)場施工和技術(shù)交底（見圖8）。

圖8 水泵安裝工序動畫Fig.8 Animation of Pump Installation Procedure

4.2.4 定位測量

工程前期，加載平面、立面和截面等二維圖紙，達(dá)到施工放線的目的。

施工過程中，加載平面、立面和截面等二維圖紙，對二維圖紙在其法線方向進(jìn)行平移，及時發(fā)現(xiàn)實際施工中尺寸上的問題，截圖并及時發(fā)送給相關(guān)人員，進(jìn)行整改落實。

工程完工后，管理人員利用AR 程序?qū)IM 模型疊加在實體構(gòu)件上，將兩者對比便能很快識別出缺陷和錯誤；發(fā)現(xiàn)問題后，可截圖，記錄發(fā)現(xiàn)的錯誤，并及時發(fā)送給相關(guān)施工人員進(jìn)行整改落實（見圖9）。

圖9 二維圖紙加載選擇Fig.9 Loading Selection of Two-Dimensional Drawings

4.2.5 維修展示

后期運維階段，找到需要維修的設(shè)備，同時在材料庫中找到相應(yīng)的維修設(shè)備進(jìn)行維修，3 根手指放在屏幕上向下或者向上滑動可對模型的高度進(jìn)行調(diào)整。按照提示一步步進(jìn)行維修。當(dāng)每步操作正確的時候，該設(shè)備上方的紅色箭頭就會消失，然后進(jìn)行下一步操作，指導(dǎo)維修人員完成機(jī)電設(shè)備的日常維修工作，提高設(shè)備的巡檢、維修效率（見圖10）。

圖10 維修展示界面Fig.10 Maintenance Display Interface

5 BIM+MR技術(shù)的深度應(yīng)用

在機(jī)電安裝后期，本項目基于HoloLens 眼鏡開發(fā)了一款BIM+MR 施工驗收軟件：通過將BIM 模型等加載到微軟Hololens 可穿戴設(shè)備的軟件中，通過掃描二維碼進(jìn)行精確定位，與現(xiàn)實場景進(jìn)行結(jié)合，在現(xiàn)場直觀檢查構(gòu)件、設(shè)備、隱蔽工程的最終效果。

5.1 MR模型配準(zhǔn)

在開發(fā)程序中選擇虛擬模型中的二維碼放置點，通過Vuforia 開發(fā)平臺識別并調(diào)整模型與圖像的相對位置實現(xiàn)定位，然后在現(xiàn)場用掃描二維碼的方式將虛擬模型與現(xiàn)場場景重合，達(dá)到用模型來指導(dǎo)現(xiàn)場施工及檢查現(xiàn)場安裝準(zhǔn)確度的效果。還可以通過HoloLens自身的定位功能加微調(diào)的方式進(jìn)行定位，通過頭部的轉(zhuǎn)向確定模型方向，通過目光點控制模型的位置，對于大空間來說這種定位往往不能一次確定，需要輔助模型的微調(diào)命令實現(xiàn)定位功能（見圖11、圖12）。

圖11 選擇二維碼放置點Fig.11 Selection of Two-dimensional Code Placement Points

圖12 生成空間網(wǎng)格Fig.12 Generating Spatial Grid

5.2 MR動畫指導(dǎo)

利用手勢或者按鈕方式，可將安裝的工序在眼鏡中進(jìn)行模擬演示，每道動畫完成顯示工序關(guān)鍵信息及注意事項，并可通過手勢/菜單選擇性播放/暫停/重放動畫等，輔助現(xiàn)場施工和技術(shù)交底（見圖13、圖14）。

圖13 動畫菜單選擇Fig.13 Animation Menu selection

圖14 工序動畫播放Fig.14 Playing Process Snimation

5.3 MR現(xiàn)場問題檢查

通過自動識別技術(shù)，直接對比出實體與虛擬模型的偏差，以此作為質(zhì)量檢測的新手段；截屏或者錄像用戶畫面及數(shù)據(jù)，并可將現(xiàn)場的質(zhì)量、安全問題拍照錄像，回傳至電腦，數(shù)據(jù)信息可作為巡檢的輔助手段，提高質(zhì)量安全檢查的效率（見圖15）。

5.4 MR構(gòu)件交互檢查

通過Hololens 的射線與模型交互選擇模型組件，將組件虛擬模型放置于用戶面前，進(jìn)行位置調(diào)整、旋轉(zhuǎn)、隱藏、拆解或者組裝等交互手段，模擬構(gòu)件在現(xiàn)場施工的操作（見圖16）。

5.5 MR關(guān)鍵信息現(xiàn)場獲取

圖15 記錄現(xiàn)場問題Fig.15 Recording Site Issues

圖16 構(gòu)件平移旋轉(zhuǎn)縮放Fig.16 Component Translation，Rotation and Scaling

機(jī)電管道等模型可以顯示或添加相關(guān)構(gòu)件屬性信息（機(jī)電構(gòu)件類型、長度等信息）、施工過程信息（施工隊伍、負(fù)責(zé)單位等）以及服務(wù)器傳輸過來的詳細(xì)信息（如水壓、水量等），可以用于施工階段的上步工序的檢查和下步工序的施工指導(dǎo)，以及運維階段施工信息的追溯和構(gòu)件的運行維護(hù)（見圖17）。

圖17 工序信息現(xiàn)場查看Fig.17 On-site Inspection of Process Information

5.6 多機(jī)互聯(lián)

將局域網(wǎng)下的多臺MR 設(shè)備聯(lián)機(jī)，在協(xié)同狀態(tài)下操作和查看模型。HoloLens 在掃描實體空間時創(chuàng)建多個空間錨點，當(dāng)設(shè)備移動時，錨點做出相應(yīng)變化進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)整，虛擬模型的位置與錨點相對位置保持固定，保證了遠(yuǎn)距離的頭顯設(shè)備追蹤精度。通過設(shè)置服務(wù)器，將一臺HoloLens 掃描出的錨點傳給另一臺后，兩臺HoloLens 具有相同的錨點即可實現(xiàn)多機(jī)互聯(lián)，在大空間內(nèi)多人漫游、操作。

6 BIM+AR ＆ MR技術(shù)的優(yōu)點和缺點

6.1 優(yōu)點

6.1.1 軟件具備BIM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入的功能

軟件具備BIM 模型導(dǎo)入的功能（接口），可將BIM模型轉(zhuǎn)換格式后，通過軟件提供的接口將BIM 模型導(dǎo)入軟件中，可以導(dǎo)入整個標(biāo)準(zhǔn)層、甚至是整棟樓的BIM 模型。

6.1.2 實時定位功能

通過GPS 或者標(biāo)記與特征點結(jié)合的配準(zhǔn)方法進(jìn)行定位。標(biāo)記與特征點結(jié)合的配準(zhǔn)方法即在實際場景中粘貼2D 圖片標(biāo)記（如二維碼、公司標(biāo)識等），在BIM 模型中也標(biāo)記出標(biāo)記圖片，虛實兩個2D 圖片標(biāo)記配準(zhǔn)進(jìn)行定位。

6.1.3 虛擬運維交互式顯示BIM 構(gòu)件信息

模型導(dǎo)入軟件后，可繼承BIM 模型的信息。在軟件上虛擬顯示管道，虛擬檢查管線定位以及走向，并直接調(diào)取相關(guān)BIM 構(gòu)件信息，實時更新，具備交互式顯示BIM 構(gòu)件信息功能。

6.1.4 定位功能軟件具備隱藏、顯示功能

軟件具備按專業(yè)、按類別、按構(gòu)件等選擇性的隱藏、顯示模型的功能。

6.2 缺點

⑴需要專門的設(shè)備即開發(fā)者版的Project Tango平板，前面也介紹了Tango 的特點。正是因為這些特點，模型的室內(nèi)精確定位才變得如此容易，但是需要專門的設(shè)備才能實現(xiàn)AR。

⑵軟件對BIM 模型信息的繼承性不是很好，模型中并不是所有的構(gòu)件都有信息，只有一些特定構(gòu)件選中了才會有信息。

⑶軟件運行消耗電量比較快，同時運行需要占用大量內(nèi)存，導(dǎo)致機(jī)身發(fā)燙，軟件運行不夠穩(wěn)定。

⑷HoloLens 眼鏡的視野太窄，顯示器能夠覆蓋的畫面只占用戶整個視野中間很小的一部分，顯著影響佩戴者使用HoloLens 的體驗。

⑸HoloLens 在使用過程中，模型會出現(xiàn)“飄移”現(xiàn)象，模型“漂移”的程度由用戶運動路線上推移產(chǎn)生的累計誤差所決定，用戶運動路線越長，產(chǎn)生的模型漂移越嚴(yán)重。

7 結(jié)語

本工程先后采用增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）技術(shù)與建筑信息模型（BIM）結(jié)合，研究和探索了BIM+AR ＆ MR 技術(shù)在項目設(shè)計協(xié)同、虛擬管道檢查、隱蔽工程驗收、輔助后期運維等方面的應(yīng)用。得到如下結(jié)論［8］：

⑴硬件限制。從AR 到MR 首先是硬件的升級革新，當(dāng)然目前MR 設(shè)備HoloLens 尚存在一些硬件局限，內(nèi)存不足，大模型顯示出現(xiàn)延遲，視角過小，體驗感不好等。

⑵數(shù)據(jù)延遲。MR 要求用戶能夠?qū)崟r與系統(tǒng)進(jìn)行交互，系統(tǒng)延遲將直接影響交互效率和任務(wù)表現(xiàn)。

⑶位置感知。深度錯誤、方位錯誤、遮蔽錯誤等注冊技術(shù)上出現(xiàn)的錯誤會影響用戶對虛擬物體的位置判斷，如果注冊誤差很大或者只能實現(xiàn)部分注冊（固定視角或無法交互），則將降低用戶體驗和交互效率。

⑷真實感。虛擬物體的光線、紋理、材質(zhì)等因素的真實感會極大影響用戶對虛實融合環(huán)境的認(rèn)知能力，如果虛擬物體的顯示效果非常不真實，也會降低用戶體驗和交互效率。

⑸疲勞。許多頭戴式顯示器容易造成用眼疲勞，不適合長期使用，手持式顯示器的長時間使用也會出現(xiàn)一些問題。