江宇萌，潘衛(wèi)波，李 帥，劉佳男

（1.中交機(jī)電局有限公司，北京 100088；2.吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130000）

0 引言

隨著近幾年我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的大力發(fā)展，機(jī)電安裝中各項(xiàng)新型技術(shù)的應(yīng)用使得工程建設(shè)更加智能化、信息化，工程建設(shè)中施工管理的方式也更加高效和便捷。其中，通過建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)有效的整合信息，并建立可視化模型，在建筑領(lǐng)域機(jī)電工程中已成為新興的應(yīng)用技術(shù)［1]。然而，BIM 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，由于平臺(tái)工具不夠成熟，各類軟件間信息交互與共享性差，導(dǎo)致BIM工程師建立的3D 模型與現(xiàn)場(chǎng)施工管理無法建立銜接，一定程度上制約了BIM 技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。而混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）技術(shù)具有獨(dú)特的交互優(yōu)勢(shì)，能將虛擬中的3D模型在施工現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)實(shí)中完美呈現(xiàn)，從而巧妙的建起虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的橋梁。這一點(diǎn)恰好彌補(bǔ)了BIM技術(shù)在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的不足，利用新技術(shù)在開工前的工地上能直觀看到竣工后機(jī)電安裝的效果，使得現(xiàn)場(chǎng)工人在施工前有直觀的認(rèn)識(shí)，同樣便于管理人員更好卡控施工質(zhì)量與進(jìn)度。為進(jìn)一步提高M(jìn)R+BIM 技術(shù)的應(yīng)用能力，本文在地鐵機(jī)電項(xiàng)目駐地利用此項(xiàng)新技術(shù)來指導(dǎo)和輔助機(jī)電安裝，初步探討基于MR+BIM技術(shù)在機(jī)電安裝中的應(yīng)用價(jià)值，取得了良好的效果，為后續(xù)地鐵機(jī)電安裝開工后如何更好地利用此項(xiàng)新技術(shù)來提高施工管理人員的工作效率奠定基礎(chǔ)。

1 MR+BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

1.1 MR技術(shù)的特點(diǎn)

混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)又名介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一項(xiàng)合并現(xiàn)實(shí)和虛擬世界而產(chǎn)生的新的可視化環(huán)境的新技術(shù)。通過將虛擬的場(chǎng)景信息呈現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中，可在用戶、現(xiàn)實(shí)和虛擬世界間搭起一個(gè)信息交互反饋的回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。MR技術(shù)與增強(qiáng)型現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）更為接近，都是一半現(xiàn)實(shí)一半虛擬影像，但傳統(tǒng)AR 技術(shù)運(yùn)用棱鏡光學(xué)原理折射現(xiàn)實(shí)影像，視角不如虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）大，清晰度也會(huì)受到影響。MR 結(jié)合了AR 和VR 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)［2]，能更好地將AR 技術(shù)體現(xiàn)出來，相比下具有靈活性、交互性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)，因此MR 技術(shù)逐步成為各行各業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化、信息化的重要方式［3]。

目前全球從事MR領(lǐng)域的應(yīng)用較少，大多處于研究階段，依托的設(shè)備也基本是微軟的HoloLens 這一類。本文將依托Microsoft HoloLens 2這一款設(shè)備對(duì)機(jī)電工程的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究探討。

1.2 BIM技術(shù)的特點(diǎn)

機(jī)電工程施工中設(shè)備的裝配較為復(fù)雜，涉及專業(yè)眾多，需要多種工程互相配合協(xié)調(diào)。通過BIM 技術(shù)的應(yīng)用，使得施工之前的統(tǒng)籌規(guī)劃變得更加直觀［4]。施工前通過BIM技術(shù)來對(duì)施工方進(jìn)行三維可視化交底，能展現(xiàn)出預(yù)期的效果，并能突現(xiàn)出設(shè)計(jì)存在的問題從而加以優(yōu)化和改正。利用BIM技術(shù)進(jìn)行管道碰撞檢查，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決碰撞部位，有效降低了返工的成本，使得施工更加透明與標(biāo)準(zhǔn)化。BIM 技術(shù)應(yīng)用在機(jī)電安裝施工當(dāng)中，能夠更好地提高機(jī)電安裝的質(zhì)量和效率［5]。

BIM技術(shù)雖已成熟應(yīng)用于施工建設(shè)的各個(gè)階段，并解決各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)問題，但主要應(yīng)用還是停留在現(xiàn)場(chǎng)觀摩上，并未結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)的情況遠(yuǎn)沒有想象中理想，許多實(shí)際問題依然得不到很好的解決。

1.3 MR+BIM技術(shù)的綜合優(yōu)勢(shì)

BIM技術(shù)成熟應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，使得施工更加信息化與智能化，在此基礎(chǔ)上也給予各高新技術(shù)更便捷的應(yīng)用空間。虛擬現(xiàn)實(shí)中的MR技術(shù)結(jié)合BIM 技術(shù)能碰觸出更耀眼的科技火花，MR技術(shù)強(qiáng)大的人機(jī)交互能力恰好能彌補(bǔ)BIM 模型與施工現(xiàn)場(chǎng)銜接困難的問題，極大地提高了BIM 的應(yīng)用價(jià)值。通過MR+BIM 技術(shù)，可以提前解決潛在問題，實(shí)現(xiàn)信息完整的互聯(lián)互通，信息數(shù)據(jù)更能契合到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體施工部位減少或杜絕將施工部位信息傳遞的錯(cuò)誤，確保設(shè)計(jì)信息在施工現(xiàn)場(chǎng)的完整表達(dá)。建立BIM+MR平臺(tái)能有效的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，實(shí)現(xiàn)全景下的沉浸式施工、吊裝施工模擬，在小空間實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)、立體化、同平臺(tái)作業(yè)，使機(jī)電施工更安全、精確，通過模擬分析對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，完成現(xiàn)場(chǎng)模擬、演示、技術(shù)和安全交底等工作，以提高工作效率［6]。

2 MR+BIM技術(shù)在機(jī)電安裝中的應(yīng)用要點(diǎn)

MR+BIM技術(shù)在機(jī)電安裝中應(yīng)用的流程圖如圖1 所示，在BIM 建模的基礎(chǔ)上，利用MR 技術(shù)結(jié)合AI 系統(tǒng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)提取，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目規(guī)劃與施工輔助等功能，并能在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行智能檢測(cè)，人機(jī)交互以保證各類軟件流通順暢，操作流程可視化且清晰透明，現(xiàn)場(chǎng)與后臺(tái)亦可實(shí)時(shí)溝通。

圖1 MR+BIM整體流程圖

2.1 MR+BIM機(jī)電可視化模型的創(chuàng)建

首先依據(jù)施工藍(lán)圖進(jìn)行BIM機(jī)電模型的創(chuàng)建，從CAD中的二維平面圖轉(zhuǎn)換為REVIT 中的立體3D 圖，然后將REVIT端設(shè)計(jì)的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、提取、組合和封裝，導(dǎo)出模型和數(shù)據(jù)屬性，并保存為引擎可識(shí)別的格式。

將上述導(dǎo)出的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，依據(jù)Microsoft HoloLens 2 設(shè)備來構(gòu)建BIM + MR 信息管理平臺(tái)，并在可視化管理數(shù)據(jù)庫（Visualized Managing Database）中進(jìn)行整合［7]，使數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，互相索引，最終形成整體模型。

圖2和圖3所示分別為參照?qǐng)D紙創(chuàng)建的機(jī)電管線和消防泵BIM模型，圖4和圖5所示分別為BIM模型結(jié)合MR技術(shù)后建立的機(jī)電可視化模型。通過對(duì)比可看出，MR +BIM 技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)建立的可視化模型具備更好的人機(jī)交互和信息交互能力訓(xùn)練。

圖2 管線BIM機(jī)電模型

圖3 消防泵BIM機(jī)電模型

圖4 管機(jī)線電模MR型+BIM可視化

圖5 消防泵MR+BIM可視化模型

2.2 MR+BIM應(yīng)用要點(diǎn)分析控制

在機(jī)電安裝施工前，結(jié)合工程實(shí)際情況做好項(xiàng)目規(guī)劃，通過MR+BIM 強(qiáng)大的人機(jī)互動(dòng)和虛實(shí)結(jié)合特點(diǎn)，可將施工中信息融入到可視化模型中，在施工現(xiàn)場(chǎng)讓施工方能直觀地進(jìn)行實(shí)地考察。并能基于可視化模型，識(shí)別質(zhì)量控制點(diǎn)，將施工工藝工法融入到數(shù)據(jù)庫中，為施工過程中關(guān)鍵點(diǎn)的質(zhì)量卡控和竣工后的質(zhì)量驗(yàn)收提供一定的參考價(jià)值。在現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境中利用可視化模型，可更直觀有效地對(duì)施工技術(shù)和管理人員進(jìn)行培訓(xùn)，利用多通道人機(jī)自然交互技術(shù)，可多人實(shí)時(shí)互動(dòng)，并參與指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的安裝與調(diào)試，培訓(xùn)的內(nèi)容交互性強(qiáng)，使培訓(xùn)者能完美結(jié)合實(shí)時(shí)交流與實(shí)物仿真操作［8]，在一定程度上提高了培訓(xùn)的質(zhì)量和效率。

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行空間定位后便可將MR +BIM 技術(shù)用于施工輔助，例如檢測(cè)輔助功能，可在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)電設(shè)備和管線間的水平距離和垂直距離，并且可實(shí)時(shí)進(jìn)行拍攝和錄音，在施工過程中更好地監(jiān)控質(zhì)量和留下記錄痕跡，在施工流程中提供輔助提示指導(dǎo)。通過虛擬放線可基于空間定位點(diǎn)，將模型實(shí)時(shí)投射到施工現(xiàn)場(chǎng)，提前觀測(cè)到設(shè)備設(shè)施的空間形態(tài)，并提供設(shè)備設(shè)施的安裝輔助，如孔位信息、設(shè)備位置調(diào)整、間距實(shí)時(shí)量測(cè)等。

通過新技術(shù)的實(shí)時(shí)交互特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)智能協(xié)作。在施工的混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)時(shí)溝通，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)與后臺(tái)遠(yuǎn)程交流，后臺(tái)能快速定位并進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，現(xiàn)場(chǎng)與后臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的前后端一體化協(xié)同辦公。

3 結(jié)束語

目前國(guó)內(nèi)外將MR +BIM 技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際施工場(chǎng)合的案例依然較少，仍處于前期探索階段。本文在項(xiàng)目駐地應(yīng)用此項(xiàng)新技術(shù)來指導(dǎo)和輔助機(jī)電工程施工，取得良好的實(shí)際效果，實(shí)現(xiàn)了幾點(diǎn)重要的應(yīng)用價(jià)值。但受目前技術(shù)開發(fā)人員的研發(fā)能力、施工管理人員的接受度、硬件軟件的兼容性等條件制約，其應(yīng)用價(jià)值可實(shí)現(xiàn)的程度還有極大的提升空間，有待進(jìn)一步開發(fā)與改進(jìn)。在將來地鐵機(jī)電正式開工后將繼續(xù)應(yīng)用此項(xiàng)新技術(shù)，創(chuàng)新開發(fā)出更多實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。相信隨著成功應(yīng)用的案例逐步增加，社會(huì)的普及度持續(xù)提升，科技創(chuàng)新前進(jìn)的腳步不斷邁進(jìn)，MR+BIM技術(shù)必將在機(jī)電工程施工領(lǐng)域引起重大的影響，為未來機(jī)電工程領(lǐng)域采用機(jī)械化、自動(dòng)化來預(yù)制和安裝提供了一個(gè)更真實(shí)的平臺(tái)。