費(fèi)章貴

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 BIM+VR技術(shù)在水電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 優(yōu)化工程方案

VR技術(shù)能夠模擬出逼真的三維立體場(chǎng)景，其與BIM技術(shù)結(jié)合后，能夠?qū)崿F(xiàn)水電工程設(shè)計(jì)的全程可視。設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)對(duì)虛擬方案的觀察，找出其中的漏洞和缺陷，并結(jié)合BIM系統(tǒng)給出的自動(dòng)診斷信息，對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行精確地調(diào)整和優(yōu)化。BIM技術(shù)與VR技術(shù)相互配合、相互補(bǔ)充，可將設(shè)計(jì)者頭腦中的想法、構(gòu)思轉(zhuǎn)換為客觀存在的虛擬模型，以提高設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)備空間關(guān)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(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行控制[1]。另外，在方案審核的過(guò)程中，透過(guò)工程虛擬模型也能讓工程參與者方更直觀、清晰地了解設(shè)計(jì)者意圖，從多角度分析設(shè)計(jì)方案的可行性，以便找到最佳水電工程建設(shè)方案。

1.2 促進(jìn)信息交互

水電工程設(shè)計(jì)并不獨(dú)立存在，其需要取得施工部門(mén)、造價(jià)部門(mén)、勘察部門(mén)的積極配合。例如在以往的設(shè)計(jì)工作中，經(jīng)常因部門(mén)間信息交流受阻，導(dǎo)致返工或方案變更問(wèn)題，造成額外的成本支出并影響施工進(jìn)度。如何提高水電工程建設(shè)信息轉(zhuǎn)換的靈活性，保證部門(mén)間積極配合成為設(shè)計(jì)工作優(yōu)化關(guān)注的重點(diǎn)。基于BIM與VR技術(shù)的水利工程設(shè)計(jì)需在同一平臺(tái)內(nèi)完成，其中包括不同部門(mén)的功能模塊，將各專(zhuān)業(yè)信息、資料整合到同一平臺(tái)上進(jìn)行處理和反饋，促進(jìn)信息交互，因信息傳輸受阻而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)失誤問(wèn)題大幅度降低。

2 BIM+VR技術(shù)在水電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法

2.1 模型構(gòu)建

構(gòu)建水電工程三維立體模型，其中應(yīng)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(yīng)涵蓋水力機(jī)械、電氣系統(tǒng)等細(xì)節(jié)。為保證最終呈現(xiàn)的模型盡量貼合水電工程實(shí)際情況，要求在模型構(gòu)建過(guò)程中使用標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法和命名方式。完成初步構(gòu)建后，將模型導(dǎo)入到3Dmax或其他類(lèi)似功能的平臺(tái)中，對(duì)三維模型做細(xì)化地處理。例如，對(duì)幾何面較多的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以呈現(xiàn)出最佳視覺(jué)效果。

2.2 空間細(xì)化

利用專(zhuān)門(mén)的游戲引擎，對(duì)空間模型進(jìn)行細(xì)節(jié)處理。該過(guò)程應(yīng)結(jié)合水電工程現(xiàn)場(chǎng)勘查信息，對(duì)模型場(chǎng)景進(jìn)行真實(shí)的還原。合理調(diào)整工程建筑、交通、自然環(huán)境之間的關(guān)系，完善空間元素，并對(duì)模型中的碰撞屬性進(jìn)行調(diào)節(jié)。游戲引擎細(xì)化空間的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠模擬場(chǎng)景中光線對(duì)實(shí)物的影響以及模型的質(zhì)感，引入美術(shù)學(xué)科知識(shí)，盡可能還原設(shè)計(jì)模型中事物的真實(shí)屬性，以便對(duì)模型進(jìn)行觀察和分析。

2.3 角色引入

BIM與VR技術(shù)在水電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)質(zhì)是，通過(guò)模擬模型的搭建，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者與方案之間的互動(dòng)交流，讓設(shè)計(jì)者在身臨其境的狀態(tài)下，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)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(duì)應(yīng)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?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)設(shè)置攝像機(jī)，將角色作為拍畫(huà)面的主體；飛行視角被設(shè)置在模型上空，以俯視的方法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行觀察和記錄[2]。

2.4 功能設(shè)計(jì)

進(jìn)行場(chǎng)景漫游設(shè)計(jì)，對(duì)上文中的三個(gè)視角進(jìn)行調(diào)控，賦予其相應(yīng)的漫游功能。完善模型的交互功能，并通過(guò)UI設(shè)計(jì)，對(duì)水電工程場(chǎng)景進(jìn)行美化，實(shí)現(xiàn)沉浸式漫游。例如，將電氣系統(tǒng)中各類(lèi)設(shè)備、管線的相關(guān)信息整合到設(shè)計(jì)平臺(tái)中，通過(guò)直接點(diǎn)擊即可獲取到某一具體電氣設(shè)備的型號(hào)、廠家、性能參數(shù)、安裝指標(biāo)等。工程參與人員通過(guò)VR技術(shù)的交互功能，即可對(duì)水電工程模擬場(chǎng)景進(jìn)行觀察和漫游。

3 BIM+VR技術(shù)在水電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例

3.1 案例背景簡(jiǎn)介

某水電工程項(xiàng)目總裝機(jī)容量40 MW，設(shè)計(jì)平均發(fā)電量在1.30 億kWh，其最大水頭為16.8 m。整個(gè)水電工程包括調(diào)蓄水庫(kù)、引水隧洞、廠房等結(jié)構(gòu)，為當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)性水力發(fā)電項(xiàng)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(duì)復(fù)雜，電氣工程質(zhì)量要求較高，為保證工程運(yùn)行效率和服務(wù)壽命滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，在電氣設(shè)計(jì)過(guò)程中引入BIM即VR技術(shù)，以確保工程電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，避免給后期安裝、調(diào)試工作帶來(lái)不利影響。

3.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）構(gòu)建工程電氣系統(tǒng)三維模型。對(duì)水電工程進(jìn)行1：1模擬，重點(diǎn)關(guān)注電氣設(shè)備、母線、電纜廊道與工程建筑結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，該部分要求實(shí)現(xiàn)精細(xì)化模擬。為提高工程設(shè)計(jì)的空間協(xié)調(diào)性，同時(shí)合理減輕設(shè)計(jì)工作壓力，選擇對(duì)工程非核心范圍內(nèi)的自然環(huán)境進(jìn)行低精度模擬。此外，考慮到平臺(tái)兼容性的要求，對(duì)模型信息進(jìn)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(tái)當(dāng)中進(jìn)行簡(jiǎn)化等進(jìn)一步處理。

（2）經(jīng)3D max軟件平臺(tái)處理后的電氣系統(tǒng)模型被轉(zhuǎn)移至游戲引擎當(dāng)中，對(duì)設(shè)計(jì)方案做進(jìn)一步細(xì)化，提高方案的逼真程度。根據(jù)工程中電氣設(shè)備選型情況，還原設(shè)備及管線的真實(shí)質(zhì)感和光澤，并利用平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)及畫(huà)筆工具，對(duì)工程所處的空間環(huán)境進(jìn)行完善，以放大環(huán)境對(duì)電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響，方便設(shè)計(jì)改進(jìn)。調(diào)節(jié)模型碰撞屬性，還原物理屬性，確保角色活動(dòng)正常。

（3）本文重點(diǎn)研究該案例中電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，因此選取電氣設(shè)備安裝調(diào)試人員為原型進(jìn)行角色設(shè)計(jì)，以水輪發(fā)電機(jī)組的安裝為例。在經(jīng)過(guò)多方案比較確定水輪發(fā)電機(jī)組選型后，結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)組安裝的定位、預(yù)埋、預(yù)裝和總裝四項(xiàng)核心操作流程，設(shè)計(jì)角色的動(dòng)作類(lèi)型及活動(dòng)流程。將設(shè)計(jì)結(jié)果導(dǎo)入到游戲引擎當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、安裝人員交互功能。通過(guò)計(jì)算機(jī)操控終端，可通過(guò)相應(yīng)的按鍵配合手柄調(diào)整角色的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以完成流暢的水輪發(fā)電機(jī)組安裝模擬。結(jié)合攝像機(jī)位置信息，從第一、第三及飛行三個(gè)視角查看模擬場(chǎng)景。

（4）進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)的搭建，以游戲引擎、C++等技術(shù)為依托，添加漫游、方案介紹、畫(huà)面截取、空間導(dǎo)航等功能。再通過(guò)UI設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水電工程的沉浸式漫游，觀察電氣系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的型號(hào)、尺寸、性能參數(shù)等信息。

（5）輸出模擬設(shè)計(jì)方案。將虛擬場(chǎng)景以exe格式提取并輸出到HTC Vive Pro平臺(tái)中，相關(guān)人員通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備即可實(shí)時(shí)對(duì)水電工程的漫游，觀察電氣系統(tǒng)是否存在碰撞點(diǎn)、各設(shè)備運(yùn)行相互影響等[3]。在方案審核階段，各工程參與方通過(guò)VR設(shè)備，身臨其境對(duì)本水電工程電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行觀察，直觀、全面了解電氣相關(guān)信息，并從多角度給出優(yōu)化意見(jiàn)。水電工程中的電氣設(shè)計(jì)要考慮到系統(tǒng)本身的空間合理性，還要考慮設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與其他建筑構(gòu)造之間的影響關(guān)系?；贐IM和VR技術(shù)的方案設(shè)計(jì)能夠精準(zhǔn)、全面地描述出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，并將多方建議融入其中，電氣設(shè)計(jì)質(zhì)量明顯提升。

經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，本工程電氣系統(tǒng)安裝、調(diào)試工作嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，未發(fā)現(xiàn)任何碰撞點(diǎn)，施工活動(dòng)順利完成，VR技術(shù)對(duì)水電工程設(shè)計(jì)的輔助作用發(fā)揮充分。

4 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)用于建模及參數(shù)化完善模型，而VR技術(shù)則用于解決可視化的問(wèn)題。相較于BIM技術(shù)，VR技術(shù)在水電工程設(shè)計(jì)中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)更加有限。為應(yīng)對(duì)未來(lái)更高的水電工程設(shè)計(jì)需求，BIM技術(shù)與VR技術(shù)相結(jié)合已成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。要求相關(guān)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中積極引入VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水電工程設(shè)計(jì)全程可視，降低BIM設(shè)計(jì)優(yōu)化工作壓力，不斷提高水電工程設(shè)計(jì)能力。