基于BIM＋MR的仿古建筑機(jī)電隱蔽應(yīng)用實(shí)踐

黃亦楠（上海建工四建集團(tuán)有限公司，上海 201103）

0 引 言

中國(guó)傳統(tǒng)古建筑多為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，受限于保護(hù)性質(zhì)無(wú)法更改構(gòu)造，增設(shè)的現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備難免外露，影響整體文化氛圍。新建的仿古建筑，考慮到建筑安全性和功能性，結(jié)構(gòu)形式多采用鋼混結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)木包鑲、干掛磚等現(xiàn)代工藝還原古建外觀，因此管道隱蔽有多種選擇。如何充分利用仿古建筑特點(diǎn)，在保證安全性、滿足功能性的基礎(chǔ)上兼顧美觀性，是仿古建筑機(jī)電隱蔽施工中的一大難題。

混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，簡(jiǎn)稱“MR”）是一種整合現(xiàn)實(shí)和虛擬世界的技術(shù)，能夠創(chuàng)建全新的可視化環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)物理和數(shù)字對(duì)象的共存及實(shí)時(shí)互動(dòng)。相比于虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱“VR”）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱“AR”），MR更加注重融合虛擬場(chǎng)景、現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和用戶之間的交互反饋。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和行業(yè)的普及推廣，MR在工程施工中的應(yīng)用日益成熟，形成了一套包括場(chǎng)景漫游、虛擬放線、三維交底、質(zhì)量驗(yàn)收等功能的施工管理系統(tǒng)。

本文主要闡述在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)踐中，引入BIM＋MR技術(shù)優(yōu)化仿古建筑中的機(jī)電隱蔽方案，并指導(dǎo)施工。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為上海市某新建仿古園林酒店，單體形式多樣，包括京式、蘇式、宋式、晉式等多種建筑風(fēng)格，地上結(jié)構(gòu)主要為鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)包鑲木套、干掛古建磚等工藝實(shí)現(xiàn)古建筑形式的還原[1]。作為高端定位的超星級(jí)酒店，本項(xiàng)目有較高的服務(wù)功能配置需求，同時(shí)，在外觀上要求最大程度地還原中國(guó)古代建筑的意境，隱蔽現(xiàn)代元素，實(shí)現(xiàn)山水園林的沉浸體驗(yàn)。

1.2 機(jī)電隱蔽應(yīng)用背景

本項(xiàng)目在機(jī)電隱蔽應(yīng)用中主要面臨以下難點(diǎn)。

（1）常規(guī)工業(yè)與民用建筑，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中更加注重機(jī)電系統(tǒng)的布局和安裝，而仿古建筑除此之外還追求傳統(tǒng)復(fù)古的外觀，既要保證功能性，又要講究美觀性，安裝和隱蔽更具挑戰(zhàn)性。

（2）本項(xiàng)目仿古建筑在結(jié)構(gòu)功能上趨向現(xiàn)代建筑，單體結(jié)構(gòu)形式主要為鋼結(jié)構(gòu)，而在外觀裝飾上又趨向古建筑，存在斗拱、藻井、枝條天花等特色構(gòu)件，機(jī)電隱蔽需要充分考慮古建筑特點(diǎn)，減少對(duì)外部形象的影響[2]。

（3）機(jī)電隱蔽涉及多個(gè)管線系統(tǒng)，若所有專業(yè)各自為政，缺乏統(tǒng)一管理，必然導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)凌亂無(wú)章，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。

（4）機(jī)電隱蔽工程需要在實(shí)現(xiàn)隱蔽性的同時(shí)，確保設(shè)備后期維修的可操作性，并在兩者之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。

（5）不同節(jié)點(diǎn)隱蔽做法不同，傳統(tǒng)施工多采用二維圖紙和人工校核的方式，效率低，出錯(cuò)率高，返工成本高。

為解決以上難點(diǎn)，項(xiàng)目利用BIM＋MR技術(shù)，施工前深化節(jié)點(diǎn)、視線分析，比選方案并優(yōu)化，施工后實(shí)景疊合、漫游復(fù)核，實(shí)現(xiàn)沉浸式驗(yàn)收。

2 技術(shù)概述

2.1 隱蔽深化思路

本項(xiàng)目為地上仿古建筑與地下現(xiàn)代建筑相結(jié)合，在管線排布中應(yīng)充分利用地下空間，大型管道及機(jī)電設(shè)備優(yōu)先安裝在地下室[3]，降低安裝成本與節(jié)約時(shí)間，同時(shí)為地上仿古建筑打造傳統(tǒng)文化氛圍和觀感留出空間。地上部分，應(yīng)對(duì)管線密集部位重點(diǎn)深化，與管線綜合圖相結(jié)合，統(tǒng)籌布置，將管線、設(shè)備等事先隱藏在墻壁、地板、天花板和相關(guān)古建筑構(gòu)件內(nèi)部；針對(duì)無(wú)法隱藏的功能部件，可利用裝飾融合、材質(zhì)協(xié)調(diào)、遮擋分散等方式，盡可能削弱突兀感，在確保工程安全與質(zhì)量的基礎(chǔ)上、達(dá)到視覺(jué)隱蔽效果，實(shí)現(xiàn)建筑群整體的融合協(xié)調(diào)。

針對(duì)地上部分的機(jī)電管線隱蔽，隱蔽思路大致分為以下4點(diǎn)。

（1）內(nèi)藏：將機(jī)電設(shè)備安裝在建筑內(nèi)部的隱藏空間中，使其完全不可見(jiàn)或僅在特定角度可見(jiàn)。內(nèi)藏的優(yōu)點(diǎn)在于可以將設(shè)備融入建筑結(jié)構(gòu)中，不對(duì)建筑外觀產(chǎn)生明顯影響，并提供更好的空間利用率和設(shè)計(jì)靈活性。

（2）遮擋：使用一些匹配環(huán)境風(fēng)格的裝飾性元素，對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行物理遮擋，以減少其可見(jiàn)性。遮擋的目的是改變視線路徑和分散注意力，使人們從視覺(jué)上減少對(duì)機(jī)電設(shè)備的關(guān)注。

（3）與環(huán)境融合：選擇與建筑外觀和環(huán)境相匹配的材質(zhì)、顏色和紋理，使機(jī)電設(shè)備與周圍環(huán)境融為一體。進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和飾面處理，使設(shè)備外觀與建筑元素相協(xié)調(diào)，達(dá)到外觀形式上的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

（4）改變構(gòu)造：重新規(guī)劃、設(shè)計(jì)建筑的布局和構(gòu)造，將機(jī)電設(shè)備集成融入建筑結(jié)構(gòu)中，使其成為建筑的一部分。這樣不僅能夠保持建筑的整體美觀性，還可以提升空間的舒適度和功能性。

2.2 BIM深化思路

在機(jī)電施工前，針對(duì)出風(fēng)口、遮擋板等外觀形式和位置設(shè)置，建立節(jié)點(diǎn)BIM模型，運(yùn)用MR技術(shù)，通過(guò)佩戴MR眼鏡，疊合節(jié)點(diǎn)模型和現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用實(shí)景漫游、視線分析等功能，提前查看隱蔽效果，完成方案比選、反饋設(shè)計(jì)、調(diào)整深化的流程，并指導(dǎo)機(jī)電隱蔽方案的交底和施工，避免后期因效果不佳而導(dǎo)致的返工。

機(jī)電施工完成后，佩戴MR眼鏡，通過(guò)手勢(shì)交互切換視角、調(diào)節(jié)圖層顯隱，并結(jié)合測(cè)距、錄屏等功能，沉浸式復(fù)核驗(yàn)收，更直觀、準(zhǔn)確、高效地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出整改措施并落實(shí)到位。

2.3 技術(shù)路線

本項(xiàng)目機(jī)電隱蔽施工中BIM＋MR技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐的技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

（1）整合鋼結(jié)構(gòu)、土建、機(jī)電等多專業(yè)模型，在整合完成并輕量化處理后的新模型中，針對(duì)不同節(jié)點(diǎn)，選取合適的思路進(jìn)行隱蔽深化設(shè)計(jì)。

（2）將深化完成的BIM模型上傳至平臺(tái)，本地下載后導(dǎo)入到MR眼鏡中，通過(guò)掃碼匹配實(shí)現(xiàn)模型和實(shí)景的精準(zhǔn)疊合[4]。

（3）通過(guò)佩戴眼鏡，可以在真實(shí)環(huán)境中實(shí)時(shí)查看虛擬模型，基于虛實(shí)對(duì)比，在施工前視線分析，提前模擬查看效果，比選方案、確定最優(yōu)項(xiàng)并部署施工，若存在問(wèn)題，可提前反饋給相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)，修改優(yōu)化；在施工完成后，采用沉浸式復(fù)核驗(yàn)收的方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)電安裝進(jìn)行全面審查，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題則快速響應(yīng)、及時(shí)整改，從而實(shí)現(xiàn)建筑物、施工圖紙、深化模型的一致。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 給排水外管隱蔽深化

給排水外管具有管徑較大、不易隱藏的特點(diǎn)，對(duì)古建筑外觀影響大。其大部分位于地下，連接市政排水管道，對(duì)于地面以上的外立管，需要對(duì)建筑體內(nèi)部空間進(jìn)行精心規(guī)劃和布局，確保有足夠的空間容納外管，實(shí)現(xiàn)完全隱蔽。因此，給排水外管的隱蔽遵循“內(nèi)藏”思路。

本項(xiàng)目仿古建筑外墻采用的是加氣塊外掛古建磚的形式，通過(guò)U型箍、鋼筋網(wǎng)片和不銹鋼掛件的組合，實(shí)現(xiàn)兩者之間的牢固拉結(jié)。以該工藝為基礎(chǔ)，給排水外管埋藏在古建磚墻與加氣混凝土砌塊墻體的空隙中，充分利用古建磚干掛的空間，灌漿后同時(shí)解決管道的固定問(wèn)題，保證排水系統(tǒng)的可靠性（如圖2所示）。

圖2 給排水外管節(jié)點(diǎn)的“內(nèi)藏”隱蔽

3.2 強(qiáng)弱電管線隱蔽深化

強(qiáng)弱電管線管徑較小，可選的隱蔽方式較多，應(yīng)提前規(guī)劃，預(yù)埋隱藏；對(duì)于一些無(wú)法預(yù)埋的后做節(jié)點(diǎn)，也應(yīng)盡可能做到視覺(jué)隱蔽。在處理強(qiáng)弱電管線的隱蔽時(shí)，采用“內(nèi)藏＋遮擋”思路，以確保隱蔽效果。

結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)包鑲工藝，利用工字鋼空隙、包鑲空隙、樓板預(yù)埋管道等構(gòu)造預(yù)留空隙，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電管線的內(nèi)藏；對(duì)于包鑲完成后新鋪設(shè)的管線，加設(shè)裝飾性遮擋板，裝飾風(fēng)格與周圍元素相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、美觀的視覺(jué)隱蔽效果（如圖3所示）。

圖3 強(qiáng)弱電管線節(jié)點(diǎn)的“遮擋”隱蔽

3.3 暖通風(fēng)管隱蔽深化

風(fēng)管體積較大，水平向和豎向均需要實(shí)現(xiàn)隱蔽，難度較大；出風(fēng)口作為空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)等的末端設(shè)施，其位置、形狀、尺寸等的設(shè)置需在確保功能性之余，盡可能滿足和建筑環(huán)境的外觀協(xié)調(diào)性。為了解決這些難題，暖通風(fēng)管的隱蔽采取“改變構(gòu)造”思路。

通過(guò)適當(dāng)調(diào)整墻體與屋面構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)風(fēng)管的水平向和豎向隱蔽。對(duì)于水平向風(fēng)管，增設(shè)枝條天花或海墁天花進(jìn)行藏匿；對(duì)于豎向風(fēng)管，將其嵌入到加厚墻體中，實(shí)現(xiàn)完全藏匿，并適當(dāng)調(diào)整主房和耳房的墻厚比例。出風(fēng)口利用斗拱、梁枋彩繪等定制設(shè)計(jì)，打造成獨(dú)特的藝術(shù)品，使其脫離單純的功能設(shè)施而成為建筑的一部分。在滿足功能的前提下，增加藝術(shù)特色，達(dá)到視覺(jué)隱蔽效果[5]。

3.4 消防和安防設(shè)備隱蔽深化

針對(duì)消防、安防設(shè)備中的功能部件，如噴淋頭、火災(zāi)報(bào)警器、監(jiān)控?cái)z像頭等，考慮各自的功能需求和覆蓋范圍，只能進(jìn)行視覺(jué)隱蔽設(shè)計(jì)，與周圍環(huán)境應(yīng)盡可能融合，以避免突兀感；對(duì)于設(shè)備中一些次要的非功能部件，則通過(guò)巧妙的安裝、在適當(dāng)位置設(shè)置遮擋板或隱藏盒，最大程度地進(jìn)行隱藏。因此，消防和安防設(shè)備的隱蔽遵循“與環(huán)境融合＋遮擋”思路。

針對(duì)必須外露的功能設(shè)備，前期材料采購(gòu)時(shí)優(yōu)先選擇與建筑外觀相匹配的款式，并結(jié)合建筑的色彩和風(fēng)格進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，以減少其對(duì)整體外觀的干擾。例如消防噴淋管，采用沿坡屋面斜向上覆蓋的方式，設(shè)置在屋面木椽間，通過(guò)將其刷成與梁枋同色，削弱視覺(jué)上的突兀感。

對(duì)于功能配件以外的其他配件，可以通過(guò)合理布局、嵌入式設(shè)計(jì)或設(shè)置遮擋等方式，能隱藏的盡量隱藏，保持整體的美觀性和一致性。

3.5 BIM＋MR綜合應(yīng)用實(shí)踐

針對(duì)上述利用“與環(huán)境融合”“遮擋”思路進(jìn)行隱蔽深化的節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用BIM＋MR技術(shù)，在施工前視線分析、優(yōu)化方案，在完成后疊合復(fù)核、漫游驗(yàn)收。BIM＋MR技術(shù)具有交互性強(qiáng)、驗(yàn)收直觀、反饋高效等優(yōu)勢(shì)，技術(shù)流程主要包括模型處理、平臺(tái)處理、設(shè)備處理和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施4個(gè)步驟。

（1）模型處理。為便于對(duì)比分析，需將機(jī)電模型和結(jié)構(gòu)模型分別上傳至Trimble Connect平臺(tái)。

（2）平臺(tái)處理。在上傳至平臺(tái)后，為方便后續(xù)漫游分析，模型與實(shí)景需貼合配準(zhǔn)。通過(guò)自定義擴(kuò)展，加載定位二維碼，在模型中選取3個(gè)以上位置設(shè)置定位標(biāo)記，并在實(shí)際結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置布置相同二維碼[6]。

（3）設(shè)備處理。MR的人、機(jī)、模、景協(xié)同交互，主要通過(guò)佩戴HoloLens眼鏡實(shí)現(xiàn)。本地下載模型，通過(guò)二維碼配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)模型與實(shí)景的快速疊合。與常規(guī)通過(guò)手柄調(diào)整擬合的做法相比，利用二維碼配準(zhǔn)，既節(jié)約單位調(diào)整時(shí)間，又降低人工操作誤差，更加精準(zhǔn)高效。

（4）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。完成匹配后，利用手勢(shì)交互，通過(guò)選擇定位、切換視角等進(jìn)行漫游，主要功能包括：①通過(guò)調(diào)整不同模型的圖層可見(jiàn)性，配合視角切換，方便分專業(yè)、多角度與實(shí)景進(jìn)行對(duì)比分析，促進(jìn)協(xié)同工作和決策；②利用手勢(shì)交互，直接測(cè)量實(shí)際空間中的距離、直徑、長(zhǎng)度等信息并標(biāo)記，通過(guò)與模型數(shù)據(jù)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，方便質(zhì)量驗(yàn)收[7]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目與傳統(tǒng)仿古建筑項(xiàng)目相比，在機(jī)電管線隱蔽施工中創(chuàng)新應(yīng)用了BIM＋MR技術(shù)，針對(duì)各類節(jié)點(diǎn)隱蔽進(jìn)行策劃、深化、驗(yàn)收，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可復(fù)制推廣至其他同類仿古建筑項(xiàng)目中。總結(jié)該技術(shù)在應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)及價(jià)值，如下。

（1）在結(jié)構(gòu)施工后機(jī)電施工前，可通過(guò)MR眼鏡視線分析、提前模擬，查看機(jī)電隱蔽效果，如發(fā)現(xiàn)隱蔽不全或亟待優(yōu)化的位置，可通過(guò)MR眼鏡及時(shí)記錄，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，輔助隱蔽節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)、方案比選和反饋修改，既能有效降低糾偏成本，又能展現(xiàn)更好的仿古效果。

（2）與傳統(tǒng)二維圖紙或單純模型相比，利用BIM＋MR輔助深化、配合交底，更加直觀高效，可減少返工。與未采用新方法的相同體量工程進(jìn)行對(duì)比，深化效率、交底效率均提高50%以上，現(xiàn)場(chǎng)出錯(cuò)率和返工率降低67%，至少能節(jié)約20%的成本。

（3）在機(jī)電完成后，可通過(guò)MR眼鏡沉浸漫游、復(fù)核驗(yàn)收，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可直接錄屏截圖，生成整改單，與通過(guò)查看圖紙、手動(dòng)測(cè)量、人工對(duì)比的傳統(tǒng)做法相比，利用MR驗(yàn)收具有操作便捷、覆蓋全面、節(jié)點(diǎn)細(xì)致和反饋及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。