齊振鵬，王忠鑫，高 群，郭曉松，何麗微

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110015）

近年來，工程項(xiàng)目建設(shè)日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法已漸漸難以支撐現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)需要，從而BIM 設(shè)計(jì)逐漸被工程行業(yè)所應(yīng)用，并對(duì)工程在可視化方面有一定的提升。另一方面，VR 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)用也逐步開始得到應(yīng)用，在民用建筑的樣板間展示得到了較好的應(yīng)用，利用三維軟件進(jìn)行房間模型的建立導(dǎo)入720 云平臺(tái)，但此方法僅能設(shè)置多個(gè)熱點(diǎn)，使體驗(yàn)者在設(shè)定的位置進(jìn)行720°環(huán)視[1-3]。井工礦方面，VR 技術(shù)也得到了一定應(yīng)用，可以模擬井工礦或建立虛擬井工礦，在優(yōu)化巷道設(shè)計(jì)，促進(jìn)環(huán)境重建等方面取得了一定進(jìn)展[4]。

露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)工程具有專業(yè)結(jié)合多、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、工藝復(fù)雜、模型總體量大等特點(diǎn)[5-6]，BIM 技術(shù)和VR 技術(shù)為露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)可視化研究方面提供了更多的可能性，是實(shí)現(xiàn)透明礦山的一種全新思路[7-8]。針對(duì)露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)工程，單獨(dú)采用BIM 技術(shù)，僅能在顯示器、電腦等平面終端進(jìn)行展示，在可視化方面具有一定的限制；單獨(dú)采用VR 技術(shù)，需在工程設(shè)計(jì)全部完成后單獨(dú)進(jìn)行VR 模型的構(gòu)建，無法及時(shí)將設(shè)計(jì)成果在VR 中進(jìn)行呈現(xiàn)，另外，以常規(guī)的VR技術(shù)構(gòu)建露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)三維模型技術(shù)難度較大，模型元素?cái)?shù)量達(dá)上億級(jí)別，當(dāng)附加材質(zhì)及渲染效果，最終生成的VR 場景文件大小達(dá)幾十GB，對(duì)硬件水平要求極高，整體模型利用VR 呈現(xiàn)仍有大量難點(diǎn)。因此，針對(duì)BIM 技術(shù)與VR 技術(shù)進(jìn)行融合，提出“BIM+VR”系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建方法、“BIM+VR”模型制作流程，確定“BIM+VR”模型生成VR 場景的切分與組合原則，最終使露天礦生產(chǎn)工程在虛擬世界中得以優(yōu)質(zhì)的呈現(xiàn)。

1 系統(tǒng)平臺(tái)

1.1 軟件系統(tǒng)

鑒于露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)工程特點(diǎn)，露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)“BIM+VR”系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)軟件以Bentley 系列為主，可結(jié)合Revit 軟件所做的建筑結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)的模型建立，專業(yè)設(shè)計(jì)模型所用軟件包括：ProjectWise（協(xié)同管理平臺(tái)）、Openg Building Designer＼Revit（負(fù)責(zé)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專業(yè)模型的建立）、Open Plant Modeler（負(fù)責(zé)設(shè)備布置、暖通、給排水管道專業(yè)模型的建立）、Open Roads Desginer（負(fù)責(zé)道路、總圖模型的建立）、ElectricalDesigner（負(fù)責(zé)機(jī)電專業(yè)模型的建立）、LumenRT（負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)渲染、漫游及VR 場景制作）。為保證各專業(yè)模型高效、有序的整合與總裝，統(tǒng)一各專業(yè)軟件工作空間配置，相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)軟件需要與ProjectWise 設(shè)計(jì)協(xié)同管理平臺(tái)進(jìn)行集成?？傃b模型通過實(shí)時(shí)渲染軟件LumenRT 進(jìn)行VR 場景的設(shè)計(jì)與制作。

1.2 硬件系統(tǒng)

1）VR 套裝設(shè)備。VR 硬件系統(tǒng)可按輸入和輸出設(shè)備分為2 大類：①輸入設(shè)備主要有計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)頭盔、VR 手柄、位置跟蹤器等；②輸出設(shè)備主要為計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)頭盔、投影、電子屏等，也可按頭戴式顯示設(shè)備、主機(jī)系統(tǒng)、追蹤系統(tǒng)、控制器分為4 部分。VR設(shè)備可根據(jù)項(xiàng)目需求、設(shè)備參數(shù)進(jìn)行選擇。結(jié)合功能需求、設(shè)備參數(shù)及性價(jià)比等方面，選用HTC VIVE Pro 做為VR 套裝設(shè)備，單眼分辨率為1 440×1 600，體驗(yàn)區(qū)尺寸為6 m×6 m，主要部件包括：頭戴式設(shè)備（分別對(duì)左右眼屏幕顯示圖像，空間位置定位及反饋）、定位器（對(duì)空間位置定位及反饋）、三角支架（安裝、固定定位器）、操控手柄（追蹤用戶動(dòng)作及反饋）、串流盒（連接頭戴設(shè)備至電腦）。

2）主機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)系統(tǒng)主要用于連接VR 系統(tǒng)的終端，對(duì)性能指標(biāo)具有一定的要求，尤其要保證硬盤為固態(tài)硬盤，顯卡為獨(dú)立顯卡。主機(jī)系統(tǒng)主要參數(shù)：CPU i5-6500、內(nèi)存32 G、硬盤1T、顯卡8 G、顯示器21 寸。

2 BIM 模型

1）建筑物BIM 模型。建筑物的BIM 設(shè)計(jì)主要指建筑和結(jié)構(gòu)2 個(gè)專業(yè)的BIM 設(shè)計(jì)。利用Openg Building Designer 軟件，以軸網(wǎng)為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)BIM 建模員完成梁、柱、樓板、桁架等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建筑BIM 建模員完成墻、門、窗、樓梯、屋面等建筑設(shè)計(jì)。軟件數(shù)據(jù)庫中預(yù)置了梁、柱、窗等構(gòu)件，建模員在設(shè)計(jì)過程中可直接調(diào)用符合工程需求的構(gòu)件，但也存在項(xiàng)目中所需構(gòu)件在軟件數(shù)據(jù)庫中沒有涵蓋的情況，建模員可進(jìn)行自定義構(gòu)件，并賦予工程屬性，添加到軟件數(shù)據(jù)庫中用于以后的調(diào)用。

2）設(shè)備BIM 模型。項(xiàng)目中所含的各專業(yè)都有相應(yīng)的設(shè)備模型需要進(jìn)行BIM 設(shè)計(jì)。Open Plant Modeler 中包含了一些通用設(shè)備模型，主要包括立（臥）式容器罐、風(fēng)機(jī)、熱交換器、冷卻塔等，這些模型可通過修改設(shè)備尺寸來驅(qū)動(dòng)設(shè)備外形，相關(guān)建模員可直接調(diào)用軟件中符合項(xiàng)目要求的設(shè)備。當(dāng)項(xiàng)目所需的設(shè)備不在軟件的設(shè)備模型范圍內(nèi)，相關(guān)建模員可使用MicroStation 軟件按照設(shè)備的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)三維模型，并對(duì)該模型賦予屬性，通過Open Plant Modeler 軟件添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)BIM 設(shè)計(jì)設(shè)備模型的重用。當(dāng)各專業(yè)完成項(xiàng)目中所需設(shè)備模型后，各專業(yè)負(fù)責(zé)人將設(shè)備模型進(jìn)行匯總，以軸網(wǎng)為基準(zhǔn)，完成設(shè)備模型空間位置的布置。

3）非標(biāo)件BIM 模型。非標(biāo)件的BIM 設(shè)計(jì)主要指溜槽、支座、桶等的BIM 設(shè)計(jì)，利用Micro Station 軟件完成非標(biāo)件的設(shè)計(jì)并賦予工程屬性，再以軸網(wǎng)為基準(zhǔn)，完成非標(biāo)模型空間位置的布置。

4）管道BIM 模型。管道的BIM 設(shè)計(jì)涉及工藝、給排水、暖通專業(yè)，根據(jù)管徑、壓力等級(jí)等要求完成管道元件的選取與設(shè)計(jì)。常用的管路元件主要包括管道、彎頭、三通、閥門、法蘭等。建模員利用Open Plant Modeler 中管道三維設(shè)計(jì)功能，以工藝流程為基礎(chǔ)，結(jié)合管線隸屬車間、輸送介質(zhì)類別等信息，完成管線編號(hào)的創(chuàng)建。管線編號(hào)應(yīng)具有唯一性，布置管道應(yīng)與管線編號(hào)一致。

5）電纜橋架BIM 模型。機(jī)電專業(yè)利用Open Plant Modeler 軟件完成電纜橋架的設(shè)計(jì)，可調(diào)用軟件提供的托盤式、梯式、槽式的橋架類型，結(jié)合橋架設(shè)計(jì)尺寸，通過變通、三通、四通的自動(dòng)連接，完成電纜橋架的敷設(shè)。也可采用通過拾取路徑線條的轉(zhuǎn)化為橋架的設(shè)計(jì)方式，使電纜橋架的布置智能、高效。

3 “BIM+VR”模型的切分與組合

3.1 模型切分與組合需求

用于展示VR 場景的計(jì)算機(jī)主要依靠顯卡的性能作為支撐，目前主流的顯卡顯存為2～8 GB。以目前的硬件條件，將露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)所含全部專業(yè)的模型制作成1 個(gè)VR 場景來展示，存在如下問題：

1）加載時(shí)間過長。經(jīng)測試，以目前主流顯卡啟動(dòng)1 個(gè)10 GB 以上的VR 場景，軟件的加載時(shí)間將長達(dá)或超過30 min，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)無法打開或者未知錯(cuò)誤導(dǎo)致VR 場景加載失敗。

2）VR 交互反應(yīng)時(shí)間較長。正常情況下，使用者通過VR 頭顯和控制手柄，可以隨心所欲的在場景中進(jìn)行瀏覽，完成移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、場景跳轉(zhuǎn)等交互動(dòng)作。如果場景過大，雖然已經(jīng)發(fā)出交互指令，但在顯示終端會(huì)有明顯的滯后時(shí)間，動(dòng)作執(zhí)行過程不流暢。

3）VR 感觀不理想。一般情況下，VR 場景可以控制顯示效果等級(jí)，范圍從無星級(jí)至五星級(jí)，星級(jí)越高視覺效果越最好，包括光照、陰影、植物、清晰程度等方面。各個(gè)星級(jí)的顯示效果可根據(jù)不同的用途進(jìn)行設(shè)定，星級(jí)較低時(shí)，VR 體驗(yàn)視覺效果相對(duì)較差，但對(duì)系統(tǒng)的資源量占用較小，在交互動(dòng)作、場景切換的流暢度方面較好，尤其是在VR 場景的制作過程中，需要進(jìn)行場景的修改與設(shè)計(jì)，而此階段對(duì)場景的顯示效果并無要求；星級(jí)較高時(shí)，VR 體驗(yàn)視覺效果相對(duì)較好，占用系統(tǒng)的資源量會(huì)增加很多，在交互動(dòng)作、場景切換的流暢度方面會(huì)有所下降，尤其當(dāng)VR場景非常大的時(shí)候，在五星級(jí)顯示效果時(shí)，還會(huì)存在卡頓甚至無響應(yīng)的情況。

3.2 模型切分與組合原則

將露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)全專業(yè)的BIM 模型做為1個(gè)整體的VR 模型是不利于VR 場景瀏覽的，合理的對(duì)BIM 模型進(jìn)行分解與組合在制作VR 場景時(shí)十分重要。針對(duì)不同VR 體驗(yàn)需求，可按以下原則進(jìn)行BIM 模型的切分與組合。

1）專業(yè)整體性原則。根據(jù)需要對(duì)某個(gè)專業(yè)進(jìn)行VR 瀏覽體驗(yàn)時(shí)，場景焦點(diǎn)在于專業(yè)的系統(tǒng)完整性。此時(shí)可將該專業(yè)的模型進(jìn)行總裝，其他專業(yè)模型不進(jìn)行總裝。此原則可以在保證某專業(yè)的完整性的前提下，最大程度保障VR 場景可以順利的進(jìn)行體驗(yàn)。特點(diǎn)是專業(yè)完整性好，但與其他專業(yè)的關(guān)聯(lián)性較差。

2）單體建筑整體性原則。根據(jù)需要對(duì)某個(gè)單體建筑進(jìn)行相關(guān)全專業(yè)的模型進(jìn)行VR 瀏覽體驗(yàn)時(shí)，場景焦點(diǎn)在于此單體建筑內(nèi)部的全部專業(yè)模型之間的干涉關(guān)系、各專業(yè)在此單體內(nèi)布置是否合理等方面。此時(shí)僅需將該單體內(nèi)的如建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、給排水等全部專業(yè)進(jìn)行總裝，其他不在該單體范圍內(nèi)的模型不進(jìn)行總裝與展示。此原則可以在保證單體建筑內(nèi)專業(yè)完整性的前提下，最大程度保障VR 場景可以順利的進(jìn)行體驗(yàn)。特點(diǎn)是針對(duì)單體內(nèi)各專業(yè)整體性好，但針對(duì)具體某個(gè)專業(yè)系統(tǒng)性較差。

3）單體建筑與外部系統(tǒng)結(jié)合原則。考慮以上2個(gè)原則的特點(diǎn)，在硬件條件允許的前提下，將二者進(jìn)行結(jié)合，可按需求選擇某單體建筑物的全部專業(yè)進(jìn)行總裝，再將與總體相關(guān)的總圖、道路、室外給排水與機(jī)電、暖通的室外管網(wǎng)、其他單體的建筑模型進(jìn)行總裝。此原則結(jié)合了專業(yè)整體性及單體建筑整體性的優(yōu)點(diǎn)，在瀏覽單體建筑內(nèi)全部專業(yè)的基礎(chǔ)上，也兼顧了與之相關(guān)的專業(yè)，在一定意義上保證了專業(yè)的整體性。

4 “BIM+VR”模型的構(gòu)建與發(fā)布

“BIM+VR”場景的構(gòu)建及發(fā)布流程如圖1。以已構(gòu)建的BIM 模型為基礎(chǔ)，基于“BIM+VR”模型的切分與組合原則，將BIM 模型在PW 平臺(tái)上進(jìn)行整合與總裝，利用Openg Building Designer 將總裝后的BIM 模型載入到LumenRT 引擎中。

圖1 “BIM+VR”場景的構(gòu)建及發(fā)布流程

1）場景設(shè)計(jì)。場景主要是指體驗(yàn)者進(jìn)入VR 場景后對(duì)周圍環(huán)境、地表情況、氣候等情況的感知，場景設(shè)計(jì)需要將模型設(shè)定在較為合適的場景下，應(yīng)遵循設(shè)計(jì)的場景與露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目所在地保持一致的原則。

2）地理位置、時(shí)間及日期調(diào)整。場景設(shè)置后，應(yīng)將場景按工程實(shí)際位置時(shí)間及日期進(jìn)行VR 場景的調(diào)整，包括經(jīng)緯度、時(shí)區(qū)、月份、時(shí)間等，也可直接按工程所在位置的城市進(jìn)行快速的設(shè)定。地理位置的調(diào)整將影響后續(xù)的光照、植物的季節(jié)變換等。

3）模型材質(zhì)調(diào)整。BIM 模型一般情況下在導(dǎo)入VR 場景前都會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)賦予一定的材質(zhì)，但在設(shè)計(jì)過程中往往對(duì)材質(zhì)的關(guān)注度較底，在做VR 場景設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)相應(yīng)的材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整用以達(dá)到工程的實(shí)際需求。VR 場景材質(zhì)調(diào)整一般是根據(jù)設(shè)計(jì)模型的圖層按層調(diào)整的，在BIM 設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)遵守同類材質(zhì)模型按同一圖層進(jìn)行建模的原則。

4）“BIM+VR”模型的發(fā)布。當(dāng)VR 場景設(shè)計(jì)完成后，可發(fā)布成可執(zhí)行文件用于最終VR 成果的交付，以此方法可將VR 成果交付在顯示終端的主機(jī)系統(tǒng)上，無需安裝VR 場景的設(shè)計(jì)軟件通過硬件系統(tǒng)即可進(jìn)行露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)沉浸式體驗(yàn)。

5 結(jié)語

通過平臺(tái)搭建、制作流程及原則方面進(jìn)行“BIM+VR”技術(shù)應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了通過BIM 設(shè)計(jì)模型及時(shí)的進(jìn)行VR 場景體驗(yàn)，保證了VR 體驗(yàn)的觀感質(zhì)量，在露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)可視化方面提供了一種新的解決辦法。