淺析VR 技術(shù)在管綜深化設(shè)計中的應(yīng)用

程定富 王樹昂 張 強 董春龍

中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司工程研究院 上海 201512

管綜深化設(shè)計，無論在核電領(lǐng)域，還是石油化工、精細化工、醫(yī)藥工程等領(lǐng)域，都是常見且容易給設(shè)計和施工單位造成困難的工序。因此，亟待提高深化設(shè)計能力，增強深化設(shè)計的準確性，為業(yè)主、設(shè)計、施工和運維等各方帶來便利，從而提高施工效率，保障工廠運行的安全性。本文通過對虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)原理及應(yīng)用進行全面分析，利用其直觀性、交互性和構(gòu)想性等特點，為施工過程中的管綜深化設(shè)計提供解決方案，從三維立體到虛擬現(xiàn)實，更直觀地展現(xiàn)設(shè)計中存在的錯漏碰缺等問題，將BIM 技術(shù)應(yīng)用提升至新高度，從而大大提升業(yè)主對項目的管控，減少設(shè)計與現(xiàn)場的反復(fù)溝通，降低施工單位的返工率，促進項目高質(zhì)量、高效率、高安全的施工建設(shè)。

1 緒論

1.1 研究背景

美國是VR 技術(shù)的發(fā)源地，其VR 技術(shù)水平也基本代表了國際VR 的發(fā)展水平。目前美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件4 個方面，主要應(yīng)用領(lǐng)域為軍事航天、影視藝術(shù)、3D 游戲等，特別是NASA 已經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護VR 訓(xùn)練系統(tǒng)，以及空間站VR 訓(xùn)練系統(tǒng)，并且也已建立了可供全國使用的VR 教育系統(tǒng)，但在建筑安裝行業(yè)的應(yīng)用較少。

與發(fā)達國家相比，我國的VR 技術(shù)起步較晚，但國內(nèi)各大高校包括哈工大、清華大學(xué)、浙大、北航等，都已開展相關(guān)研究，并取得了一定成果。2018 年12 月25日，工信部官網(wǎng)發(fā)布了《工業(yè)和信息化部關(guān)于加快推進虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》。該意見指出，全球VR產(chǎn)業(yè)正從起步培育期向快速發(fā)展期邁進，到2020 年，我國VR 產(chǎn)業(yè)鏈條基本健全，打造一批可復(fù)制、可推廣、成效顯著的典型示范應(yīng)用和行業(yè)應(yīng)用解決方案。

目前,VR 技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域為娛樂、軍事航天、藝術(shù)、教育、文物古跡和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域等。建筑安裝行業(yè)的VR 技術(shù)應(yīng)用主要集中在建筑竣工模擬漫游、房地產(chǎn)銷售用視覺漫游等，安裝行業(yè)中的應(yīng)用還相對較少。

1.2 研究目的

管線綜合深化與優(yōu)化，是包括核電、石油化工、精細化工、醫(yī)藥和市政工程等在內(nèi)的行業(yè)施工痛點，依據(jù)項目的復(fù)雜程度，其對凈高要求、管線分布、管間距離、美觀性等都有不同要求。現(xiàn)階段，應(yīng)用BIM 技術(shù)已對此問題作出了巨大改善，但對于碰撞量較大、空間較為狹小、管線排布緊湊等位置，BIM 優(yōu)化仍存在操作困難、排布不合理等問題。

針對以上問題，目前建筑安裝行業(yè)暫無合適的解決辦法，本文擬通過VR+BIM 的方式，利用VR 技術(shù)的可視化、可操作性等特點，對管線綜合進行優(yōu)化與深化，以提高深化設(shè)計水平，提高施工效率。

2 VR技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

VR 的實現(xiàn)主要基于視覺原理和跟蹤原理。VR 技術(shù)原理圖見圖1。

2.1.1 視覺原理——VR 眼鏡

人在看周圍世界時，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在大腦里融合起來，最終形成了一個關(guān)于周圍世界的整體景象，這個景象中包括了距離遠近的信息。在VR 系統(tǒng)中，應(yīng)用雙目立體視覺作用，用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的不同產(chǎn)生的視差即立體感。

2.1.2 跟蹤原理——虛擬現(xiàn)實頭套

在傳統(tǒng)的計算機圖形技術(shù)中，視場的改變是通過鼠標或鍵盤來實現(xiàn)的，用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)是分離的。而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，感覺更逼真。同時，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環(huán)境，而且可以通過頭部的運動去觀察環(huán)境。

圖1 VR技術(shù)原理圖

2.2 技術(shù)特點

2.2.1 沉浸性

沉浸性是VR 技術(shù)最主要的特征，就是讓用戶成為并感受到自己是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)造環(huán)境中的一部分。VR 技術(shù)的沉浸性取決于用戶的感知系統(tǒng)，當(dāng)使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺和運動感知等，便會產(chǎn)生思維共鳴，造成心理沉浸，感覺如同進入真實世界。

2.2.2 交互性

交互性是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。當(dāng)操作者進入虛擬空間，VR 技術(shù)可以將操作者與當(dāng)前環(huán)境內(nèi)物體進行虛擬交互；當(dāng)操作者與物體進行互動時，周圍的環(huán)境和物項也會做出某種反應(yīng)。例如，若使用者手部接觸到虛擬空間中的物體，其手部應(yīng)該有感覺；若使用者對物體有所動作，物體的位置和狀態(tài)也應(yīng)發(fā)生改變。

2.2.3 構(gòu)想性

構(gòu)想性也稱想象性。操作者在虛擬空間中，可以與環(huán)境內(nèi)物項進行動作、語言交互，從而延展認知范圍。操作者還可以根據(jù)自己的感覺與思維認知能力理解場景內(nèi)容，發(fā)散拓寬思維，創(chuàng)立新的概念和環(huán)境。

2.2.4 多感知性

多感知性表示計算機技術(shù)應(yīng)該擁有很多感知方式，比如聽覺、觸覺和嗅覺等。理想的VR 技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前大多數(shù)VR 技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺和運動等有限的幾種。

3 管綜深化設(shè)計

3.1 深化設(shè)計范圍

機電管線綜合深化設(shè)計，是指將同一區(qū)域內(nèi)的機電管線進行綜合，根據(jù)不同管線的不同性質(zhì)、不同功能，以及不同的施工要求，結(jié)合建筑裝修的要求，進行統(tǒng)籌的管線位置排布。

3.2 深化設(shè)計難點

設(shè)計院給排水、工藝介質(zhì)管道、動力與照明、通風(fēng)與空調(diào)、弱電、土建和結(jié)構(gòu)等各專業(yè)設(shè)計人員各自布置管線和出圖，彼此配合不足，甚至部分專業(yè)系多家設(shè)計院設(shè)計，加之施工過程受到現(xiàn)場情況、專業(yè)協(xié)調(diào)、物資供應(yīng)和技術(shù)差異等因素的影響，不可避免地存在一些局部、隱性、不可預(yù)見的問題，導(dǎo)致一些設(shè)備及管線會在建筑平面、立面位置上相互交叉發(fā)生沖突，延緩施工進度，增加施工成本，甚至影響建筑物的正常使用。

4 VR技術(shù)在管綜深化設(shè)計中的應(yīng)用

以核電站常規(guī)島管綜為例，詳細闡述管綜深化設(shè)計過程，特別對設(shè)計不明、碰撞等問題，提供解決方案。

4.1 全專業(yè)模型

（1）對設(shè)計文件進行梳理，主要包括需深化設(shè)計管線相關(guān)的設(shè)計圖紙、流程圖，以及項目相關(guān)的要求文件，如技術(shù)規(guī)格書和設(shè)計說明等。另外，要梳理需要深化的管線及其附件的設(shè)計要求，如規(guī)格、尺寸、材質(zhì)、壓力溫度等級、壁厚和材料標準等。

（2）應(yīng)用BIM 軟件，結(jié)合各專業(yè)二維施工圖紙，根據(jù)設(shè)計文件要求確定深化設(shè)計基準坐標系，保證各專業(yè)管線模型建模的準確性。

（3）應(yīng)用BIM 軟件對設(shè)計模型進行碰撞檢查，生成碰撞檢查報告，并在模型上做出標記，將模型轉(zhuǎn)化為通用格式，以在VR 軟件中備用。

圖2 為核電站常規(guī)島的模型圖。

4.2 全景沉浸式模型

應(yīng)用VR 專用軟件，將常規(guī)島全專業(yè)模型導(dǎo)入至軟件中，同時對場景、關(guān)卡設(shè)計、地形設(shè)計、材質(zhì)貼圖、空間音效、粒子特效、動畫效果和全局照明等進行編輯設(shè)置。

項目文件建立完成后，開啟VR 支持，場景中的主攝像機可以直接渲染場景內(nèi)容至頭戴顯示器（HMD）中，同時頭部跟蹤信息將自動應(yīng)用于攝像機，攝像機的位置、旋轉(zhuǎn)等屬性將由跟蹤信息提供（圖3）。

圖3 相機位置、視角設(shè)定

4.3 深化與優(yōu)化管線路徑

深化設(shè)計原則包括專業(yè)內(nèi)管線避讓原則（圖4）和專業(yè)間管線避讓原則（圖5）。

圖5 專業(yè)間管線避讓原則

應(yīng)用VR 沉浸式可視化特點，可直觀地在廠房內(nèi)部進行漫游，對已確定的碰撞點進行交互性操作（圖6）；可查看各專業(yè)管線屬性，自由操作管線走向、確定管線長度，以及選用相對應(yīng)的管道組件（圖7）。對于室內(nèi)、地下管廊的凈空優(yōu)化，以同樣的方式，依據(jù)深化原則和凈空要求，可便捷地操作各專業(yè)管線，最大限度地提高凈空值。修改完成后的模型，可通過BIM 軟件抽取管道ISO 圖（圖8）或者平面布置圖，與設(shè)計人員進行溝通確認。

圖6 可操作修改碰撞橋架方向

圖7 可操作修改管線路徑

5 總結(jié)

隨著時代的發(fā)展，新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，建筑安裝行業(yè)的施工痛點、難點將逐步得到解決。應(yīng)用VR+BIM技術(shù)，綜合兩種新技術(shù)的直觀性、交互性、可操作性和可出圖性的特點，對管線綜合深化設(shè)計和凈空優(yōu)化起到了關(guān)鍵性作用。將其應(yīng)用于施工準備階段和實施階段，可極大地減少因錯漏碰缺造成的施工工期延長和施工成本的增加，同時提高了與設(shè)計、業(yè)主的溝通效率，以及各單位間的協(xié)同工作效率。

圖8 管道施工ISO圖