基于MR+BIM 技術(shù)的信息化建筑工程應(yīng)用研究*

王曉亮，杜志芳（河北軟件職業(yè)技術(shù)學院 河北 保定 071000）

0 引言

將現(xiàn)實世界和虛擬世界相融合的可視化環(huán)境就是混合現(xiàn)實（MR）技術(shù)，運用計算機的信息處理能力，將虛擬數(shù)字信息疊加在現(xiàn)實環(huán)境中，做到現(xiàn)實世界和虛擬世界的相聯(lián)系[1]。通過空間定位、人機交互、全息投影以及傳感技術(shù)之間的結(jié)合聯(lián)系，實現(xiàn)混合現(xiàn)實技術(shù)，使用戶體驗有著實中有虛、虛中有實的感覺。用戶既能感知現(xiàn)實物理世界的實體事物，又能獲取該實體事物在虛擬數(shù)字世界中的信息，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界的實時交互，增強用戶的信息獲取能力。

BIM 全稱建筑信息模型，BIM 被國際標準組織設(shè)施信息委員會定義為：數(shù)字化的表現(xiàn)形式是物理設(shè)施、功能特性和相關(guān)項目生命周期信息的開放行業(yè)標準，其重要價值是為項目決策提供信息基礎(chǔ)和更好的完成項目[2]。多維設(shè)計的建筑信息模型已經(jīng)取代傳統(tǒng)建筑工程行業(yè)的2D 設(shè)計，更加直觀的展示建筑工程信息，提高了建筑工程各環(huán)節(jié)的工作效率。

MR+BIM 技術(shù)的信息化建筑工程應(yīng)用，即建筑信息模型中的數(shù)據(jù)與用戶的一系列操作進行同步交互，使建筑信息模型技術(shù)中的數(shù)字信息在混合現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上同步作用于現(xiàn)實物理世界中，實現(xiàn)BIM 技術(shù)的可視化。在建筑工程領(lǐng)域中，目前關(guān)于混合現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用研究并不成熟，大多數(shù)學者也只是在AR+BIM 的基礎(chǔ)上對建筑工程進行研究，然而MR 比AR 具有實時性、可視性、交互性的優(yōu)點，更能把建筑信息模型的實用價值體現(xiàn)出來。所以，要深入研究MR+BIM 技術(shù)結(jié)合的信息化建筑工程。

1 運用混合現(xiàn)實（MR）技術(shù)的優(yōu)勢

1.1 MR比VR、AR 更具優(yōu)勢

將MR 與VR 的進行比較，VR 技術(shù)使用戶沉浸在虛擬環(huán)境之中，而MR 技術(shù)則是把現(xiàn)實世界與虛擬世界相融合，用戶既能體驗現(xiàn)實物理世界的實體，還能得到該對象在虛擬數(shù)字世界中的信息，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界的實時交互，并且，MR 技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成熟，可以做到把小型計算機嵌入到移動設(shè)備中，用戶在使用過程中可以更靈活的活動。雖然，MR 技術(shù)和AR 技術(shù)的差別不大，但是，在信息呈現(xiàn)方式上，MR 技術(shù)的功能性更強大，給用戶的體驗感更真實，因為MR 技術(shù)的虛擬數(shù)字信息還能給用戶進行實時的交互反饋。總之，MR 技術(shù)是AR 與VR 技術(shù)的優(yōu)點集合，在多方面使用上的優(yōu)勢更明顯。

1.2 MR 技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用點

建筑工程領(lǐng)域要實現(xiàn)信息化施工，首先要建設(shè)好軟件層面，其次需要強大的硬件平臺作支撐。MR設(shè)備與AR、VR 設(shè)備相比，在交互性、可視性、實時性方面更具優(yōu)勢，強大的MR 技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域更具有實用性，主要的應(yīng)用點在以下3 個方面：

（1） MR 呈現(xiàn)的虛擬數(shù)據(jù)更加直觀、立體，三維的全息投影取代了二維的顯示屏；

（2） 設(shè)計效果同步呈現(xiàn)，方便專業(yè)人員交流設(shè)計信息、促進工作效率的提高；

（3） 建筑工程領(lǐng)域強大的生產(chǎn)工具是MR 計算能力，運用MR 設(shè)備對采集的數(shù)據(jù)進行實時處理并反饋。

2 運用建筑信息模型（BIM）的優(yōu)勢

2.1 可視化

傳統(tǒng)的建筑工程圖紙是平面的、抽象的，建筑信息模型可以把它轉(zhuǎn)化為立體的、直觀的，更能清晰的了解工程相關(guān)信息。在項目建設(shè)全過程，要實現(xiàn)可視化，就要運用建筑信息模型的優(yōu)勢，即一種能夠同構(gòu)建之間形成互動和反饋的可視[3]。所以，為了提高建筑工程項目的效率，就必須把設(shè)計初期到運營完成整套工作流程在可視化的監(jiān)視下完成。

2.2 協(xié)調(diào)性

建筑工程工作人員溝通不暢是在工程領(lǐng)域常見的問題，當需要協(xié)調(diào)溝通時，就要將相關(guān)人員組織起來開會協(xié)調(diào)，找出問題的原因，及時采取對應(yīng)的解決措施。在整個過程中，不僅浪費了大量的人力、物力、時間成本，最重要的是延緩項目進度和影響了工程建設(shè)完成的效率。使用建筑信息模型技術(shù)是解決協(xié)調(diào)性問題的有效方法。例如，在項目工程啟動時，首先搭建建筑信息模型共享數(shù)據(jù)庫，然后統(tǒng)一管理，各方在使用時的所有數(shù)據(jù)信息都在建筑信息模型中顯示出來，所有工程人員都可以查看最新的項目數(shù)據(jù)，最后在各方的配合下，實現(xiàn)高度協(xié)同管理。

2.3 優(yōu)化性

要優(yōu)化好BIM 建筑工程從設(shè)計初期到運營維護等各環(huán)節(jié)。BIM 為工程人員提供了建筑的全方位信息，在此信息基礎(chǔ)上進行綜合分析，找到科學合理的方案[4]。建筑信息模型技術(shù)可以使建筑工程全過程的數(shù)據(jù)信息保持一致，將三維模型參數(shù)化的優(yōu)勢，可以在項目前期就修改工程信息，還不影響建筑工程所有信息保持一致。

3 BIM 信息化技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用表現(xiàn)

3.1 基于BIM 信息化技術(shù)的數(shù)據(jù)集成

在工程項目剛啟動時，要運用建筑信息模型建立一個工程數(shù)據(jù)源，把所有數(shù)據(jù)信息收集起來，統(tǒng)一管理，解決信息封閉的問題。在項目全過程中，所有參與人員使用的是同一個工程數(shù)據(jù)源，可以確保數(shù)據(jù)信息的一致性。建筑信息模型包含了項目全部的信息，并且所有關(guān)鍵信息各方都可以實時獲得，并進行信息交流、共享。從而提高工程項目進度，從而解決傳統(tǒng)平面模式信息交流的不對稱和應(yīng)用系統(tǒng)的信息孤立的問題。

3.2 基于BIM 信息化技術(shù)的協(xié)同辦公

提高建筑工程的工作效率和質(zhì)量有賴于協(xié)同設(shè)計的實現(xiàn)，在統(tǒng)一的集成平臺上進行數(shù)據(jù)信息的協(xié)同辦公，各參與方在同一集成平臺下進行項目設(shè)計。將BIM 三維模型的虛擬數(shù)據(jù)交互于現(xiàn)實物理世界中，避免在建筑工程中的重復，優(yōu)化設(shè)計方案，及時調(diào)整工程項目的設(shè)計。

3.3 基于BIM 信息化技術(shù)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及邏輯整合

根據(jù)建筑信息三維模型所生成的圖文信息，將圖文信息與模型關(guān)聯(lián)，該模型的信息變動會影響與之關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的更新。例如，在項目設(shè)計過程中，創(chuàng)建一個對象，它與該模型存在關(guān)聯(lián)，所以該對象發(fā)生變動，其關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)也會發(fā)生變化。從各專業(yè)的統(tǒng)一信息模型中，獲取相關(guān)的設(shè)計參數(shù)及信息，對應(yīng)的信息被修改，隨之相關(guān)的信息也會更新，避免重復錄入數(shù)據(jù)，減少在低價值上的重復勞動，集中精力在項目的關(guān)鍵問題上。

3.4 基于BIM 信息化技術(shù)的施工及管理

在工程施工階段，BIM 信息化技術(shù)提供的信息比傳統(tǒng)建筑工程更多，且優(yōu)化了建筑質(zhì)量、加快進度、節(jié)省成本等。利用BIM 技術(shù)進行施工管理，實現(xiàn)了動態(tài)集成管理及可視化模擬管理。項目各方進行有效溝通，將施工運營成本降到最低，優(yōu)化施工規(guī)劃，改善時間與資金的不足。最終促進工程質(zhì)量的提高，施工的順利完成。

4 MR+BIM 在信息化建筑工程中的應(yīng)用研究

4.1 協(xié)同化模型設(shè)計

在工程建設(shè)過程中，通常以計算機圖紙來完成設(shè)計流程，各專業(yè)設(shè)計人員遇到問題時，交流的手段有限，只能傳遞圖文信息，信息傳遞沒有實現(xiàn)實時、立體性，這嚴重阻礙了我國建筑行業(yè)的高效發(fā)展。隨著BIM 模型的廣泛應(yīng)用，節(jié)省了設(shè)計流程的時間，促進工作效率的提高，所有的數(shù)據(jù)信息都可以通過三維模型來傳遞，信息呈現(xiàn)實時、立體。基于在同一個建筑信息模型數(shù)據(jù)庫工作，各專業(yè)人員對數(shù)據(jù)庫的一系列操作，數(shù)據(jù)信息同步更新，基本實現(xiàn)協(xié)同辦公。但是，不管是BIM 技術(shù)設(shè)計，還是CAD 技術(shù)設(shè)計，兩者都存在一個難以解決的問題，即三維數(shù)據(jù)模型在BIM 中雖然也可以實現(xiàn)，但顯示手段仍為二維顯示屏，假如建筑工程的規(guī)模特別大，那么就會有大量的項目信息需要顯示，直觀的呈現(xiàn)大量信息是傳統(tǒng)二維顯示技術(shù)無法做到的，這導致整體的工作效率無法提高。

例如，在傳統(tǒng)的BIM 設(shè)計中，設(shè)計人員分散在不同的辦公地點，無法統(tǒng)一在同一模型內(nèi)進行一系列的操作。MR 設(shè)備的工程應(yīng)用為建筑工程項目提供了一個三維的顯示平臺，各專業(yè)設(shè)計人員即使在不同的地點辦公，MR 設(shè)備也能使他們在同一虛擬數(shù)字環(huán)境中，對工程項目建設(shè)進行同步辦公。MR 設(shè)備實現(xiàn)了虛擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)實環(huán)境的交互，解決了BIM 技術(shù)的核心問題，即二維顯示轉(zhuǎn)變?yōu)槿S全息投影，使得項目問題更加直觀、立體。同時，甲方與乙方可以借助MR 設(shè)備對項目施工的難疑點進行實時的交流討論，及時的采取措施，提高了工作效率。

4.2 信息化現(xiàn)場施工

AR 技術(shù)不能處理復雜多變的施工環(huán)境，因為此技術(shù)只能將虛擬數(shù)字信息簡單的作用在現(xiàn)實物理世界的實體上，無法完成人機的實時交互。基于AR、BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過實地調(diào)查施工環(huán)境進行分析研究，總結(jié)出一套完整的指導現(xiàn)場施工的方法[5]。首先在MR 設(shè)備上呈現(xiàn)虛擬數(shù)字信息，作用于現(xiàn)實物理世界，實現(xiàn)人機的同步交互。然后，在施工時，每位工程人員佩戴一套MR 設(shè)備，該設(shè)備相當于小型的BIM 數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的虛擬信息與現(xiàn)場施工狀況的查看，每位工程人員隨時都可以調(diào)用、比較，接著再根據(jù)現(xiàn)場施工情況對數(shù)據(jù)庫中的虛擬信息進行修改，實現(xiàn)了現(xiàn)實世界和虛擬世界的交互。MR 設(shè)備既可以接收虛擬數(shù)字信息，還是將采集到的數(shù)據(jù)進行反饋，由此可見MR 設(shè)備強大的交互能力。保存項目重要的信息以及運用MR+BIM 工具是信息化施工的核心目標。

4.3 高效化運營維護

在項目運營維護階段，建筑信息模型技術(shù)使得工程人員擺脫了雜亂無章的數(shù)據(jù)手冊，數(shù)據(jù)信息在該模型中是以直觀、立體的方式呈現(xiàn)，有利于運營維護工作的開展。但由于虛擬數(shù)據(jù)信息量巨大，現(xiàn)今仍無法實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)與真實物理世界的同步交互，而且虛擬數(shù)據(jù)無法直觀的展示存在的問題，使得該技術(shù)在工程運行維護方面還較少的使用。由此可知，MR 設(shè)備其實是運營維護建筑信息模型數(shù)據(jù)和真實世界同步交互的一條通道。在實際工程項目運營維護的過程中，專業(yè)維修人員利用MR 設(shè)備調(diào)用建筑信息模型云數(shù)據(jù)庫中的虛擬數(shù)據(jù)信息，并查看相關(guān)數(shù)據(jù)信息，然后將同等比例的實體空間放置在該模型中，專業(yè)維修人員可以直觀的找到問題原因所在，方便采取合理的維修方式。專業(yè)維修人員只需要一臺MR 設(shè)備就可以對設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行處理，實時監(jiān)控設(shè)備運行數(shù)據(jù)的狀態(tài)，有利于信息獲取能力的提高。

5 結(jié)語

中國的工程建設(shè)規(guī)模是全球最大的，工程建設(shè)規(guī)模的擴大導致結(jié)構(gòu)形式的復雜性，運用好MR+BIM 技術(shù)可使企業(yè)在建設(shè)超大型工程時規(guī)避一些不必要的技術(shù)風險、管理風險。BIM 技術(shù)奠定了MR 設(shè)備在信息化建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用地位，MR 設(shè)備又挖掘了BIM 的應(yīng)用潛力，二者相互促進、相互成就。MR+BIM 技術(shù)的結(jié)合為信息化建筑工程領(lǐng)域帶來無限的可能，積極探索MR+BIM技術(shù)的應(yīng)用研究，為我國建設(shè)工程項目帶來變革，滿足工程市場的巨大需求。