基于虛擬現(xiàn)實(shí)的BIM在設(shè)施管理中的應(yīng)用研究

薛訓(xùn)明++汪飛++葉為全++陳凱++蘇明++時(shí)小麟++李盛++謝驥++唐皓辰++陸坤++石蘊(yùn)玉++王海英

摘要：傳統(tǒng)的設(shè)施管理方式效率低下，難以滿(mǎn)足煙廠的運(yùn)維需求。為提高設(shè)施管理水平，該文提出了一種基于BIM和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)施管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)施管理的數(shù)字化、實(shí)時(shí)化、可視化，為管理人員提供一種精準(zhǔn)、高效、直觀的設(shè)施管理模式與方法。

關(guān)鍵詞： BIM；虛擬現(xiàn)實(shí)；設(shè)施管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）06-0257-03

Research on the Application of BIM in Facility Management Based on Virtual Reality

XUE Xun-ming1，WANG Fei1，YE Wei-quan2，CHEN Kai1，SU Ming1，SHI Xiao-lin1，LI Sheng1，XIE Ji2，TANG Hao-chen1，LU Kun1，SHI Yun-yu 1，WANG Hai-ying1

（1.Hefei Cigarette Fatory of China Tobacco Anhui Industrial CO.，LTD，Hefei 230609， China； 2.China Tobacco Anhui Industrial CO.，LTD， Hefei 230086， China）

Abstract： The efficiency of the traditional mode of facility management is too low to meet the demand of the factory operation. In order to improve the management level of facilities， this paper presents a facility management system based on BIM and Virtual Reality. This system can realize the visualization of facilities management，which provide a precise and efficient way for the management of facilities management.

Key words：BIM；virtual reality； facility management

煙廠的設(shè)施類(lèi)型繁多，管理維護(hù)難度較大。低水平的設(shè)施管理水平，將會(huì)影響煙廠的正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。設(shè)施系統(tǒng)的有效管理可以?xún)?yōu)化設(shè)施的運(yùn)行情況，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，對(duì)煙廠的經(jīng)營(yíng)效益有重要的影響。通過(guò)易地技術(shù)改造項(xiàng)目，合肥卷煙廠將成為工藝先進(jìn)、技術(shù)領(lǐng)先、裝備精良的卷煙生產(chǎn)企業(yè)。這為合肥卷煙廠的設(shè)施管理提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)，然而傳統(tǒng)的設(shè)施管理方式工作量大，效率低。為提升煙草行業(yè)的信息化以及智能化水平，國(guó)家煙草專(zhuān)賣(mài)局提出了“數(shù)字煙草”的發(fā)展戰(zhàn)略，這也要求煙廠設(shè)施管理的技術(shù)水平有所提高。為此，在易地技改項(xiàng)目中合肥卷煙廠嘗試運(yùn)用BIM技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建基于BIM與虛擬現(xiàn)實(shí)的煙廠設(shè)施管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立了一個(gè)逼真的虛擬煙廠設(shè)施場(chǎng)景，管理人員可以在虛擬場(chǎng)景中獲取設(shè)施的各類(lèi)信息，對(duì)設(shè)施系統(tǒng)進(jìn)行可視化管理。

1 煙廠設(shè)施管理信息

1.1 煙廠設(shè)施管理信息的內(nèi)容

煙廠設(shè)施管理主要包括廠房建筑、公用生產(chǎn)設(shè)施、辦公設(shè)備設(shè)施等設(shè)施的管理。設(shè)施管理內(nèi)容較多，屬于煙廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的日?；顒?dòng)，在項(xiàng)目的全生命周期過(guò)程中處于運(yùn)維階段。設(shè)施管理的信息較多，它不僅需要本階段的信息還需要全生命周期中其他各階段的信息，主要包括：

1）廠房等建筑的幾何尺寸信息、空間信息、結(jié)構(gòu)信息等；

2）設(shè)施的幾何尺寸信息、空間位置信息、所屬房間信息等；

3）設(shè)備的性能參數(shù)信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)信息、維修數(shù)據(jù)信息等

4）建筑設(shè)施園區(qū)環(huán)境信息，包括綠化、停車(chē)場(chǎng)、景觀 等；

5）建筑設(shè)施的消防信息，包括逃生路線，安保管理?xiàng)l例等。

1.2 煙廠設(shè)施管理信息的特點(diǎn)

1）處理的信息量大。煙廠設(shè)施管理不僅涉及設(shè)施的靜態(tài)信息，還涉及設(shè)備運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)信息。靜態(tài)信息又包括設(shè)施的幾何空間信息、物理屬性信息、性能參數(shù)信息等；動(dòng)態(tài)信息隨著設(shè)備的運(yùn)行不斷增加，信息量越來(lái)越大。

2）信息的來(lái)源較分散。從項(xiàng)目全生命周期的角度考慮，煙廠設(shè)施管理信息來(lái)自于設(shè)計(jì)、施工、竣工以及運(yùn)維等各個(gè)階段。從項(xiàng)目參與者的角度考慮，信息又來(lái)自于設(shè)計(jì)方、施工方、設(shè)施材料提供商以及煙廠自身等。

3）信息格式多樣，不易提取和存儲(chǔ)。根據(jù)信息的存儲(chǔ)方式，信息可分為結(jié)構(gòu)化信息、半結(jié)構(gòu)化信息和非結(jié)構(gòu)化信息。煙廠設(shè)施管理信息包含文字、圖片、視頻、確定的數(shù)字型信息等多種形式，既有結(jié)構(gòu)化信息，又有半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化信息。信息形式多種多樣，難以提取和存儲(chǔ)。

項(xiàng)目的生命周期可以劃分為規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維四個(gè)階段，四個(gè)階段是相互關(guān)聯(lián)的，前一階段的信息對(duì)后一階段的信息有一定的影響。設(shè)施管理信息來(lái)源于項(xiàng)目全生命周期的各個(gè)階段，把規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工階段的信息集成到運(yùn)維階段中，并確保各個(gè)階段的信息有效、準(zhǔn)確，集成信息可以作為設(shè)施管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 BIM與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)施管理中的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)的應(yīng)用

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)在項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維等各階段均有應(yīng)用，貫穿于工廠建設(shè)的整個(gè)生命周期。BIM不僅改變了建筑的設(shè)計(jì)和施工方式，也為建筑的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供了一種新的方式。BIM 竣工模型集成了大量信息，包括設(shè)計(jì)及施工階段的數(shù)據(jù)信息，這些信息可以作為設(shè)施管理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的重要組成部分。尹奎、王興坡等研究了通過(guò)建立基于BIM的設(shè)施管理信息系統(tǒng)，在物業(yè)管理和設(shè)施維護(hù)中利用二維碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的高效查詢(xún)和識(shí)別[1]。過(guò)俊、張穎研究了基于BIM的建筑空間與設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)，提出了一種整合BIM模型數(shù)據(jù)與設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)的方案[2]。汪再軍將BIM技術(shù)運(yùn)用到機(jī)場(chǎng)水務(wù)管網(wǎng)的運(yùn)維管理中，為機(jī)場(chǎng)的設(shè)施管理提供了一種新方法[3]。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

自1989年美國(guó)VPL公司的Jaron Lanier首次提出“虛擬現(xiàn)實(shí)”的概念，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸發(fā)展與成熟，研究應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，包括航空航天、軍事、醫(yī)療、教育、建筑等多領(lǐng)域。但虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)施管理方面的研究和應(yīng)用還不多。魯文構(gòu)建了一種非沉浸式虛擬維修仿真平臺(tái)，應(yīng)用于復(fù)雜設(shè)備的維修[4]。劉穎在設(shè)備的維護(hù)管理中利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)維護(hù)管理可視化[5]。高龍、李少華等研究設(shè)計(jì)了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的火電站設(shè)備管理系統(tǒng)，并在某電廠中得到實(shí)際應(yīng)用，提高了設(shè)備管理效率[6]。

傳統(tǒng)的二維、三維表達(dá)方式不能表現(xiàn)設(shè)施的所有信息，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將與設(shè)施相關(guān)的所有信息都與虛擬模型關(guān)聯(lián)起來(lái)，用戶(hù)可以在虛擬場(chǎng)景中查看這些信息，使設(shè)施管理更方便、快捷。

3 基于BIM與VR的設(shè)施管理系統(tǒng)的建立

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

BIM利用數(shù)字的形式來(lái)表示設(shè)施的物理特性和功能特性，除基本信息外，模型還集成了設(shè)施從構(gòu)思到拆除的所有信息。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，集成設(shè)施的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，使靜態(tài)的三維模型轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)的三維模型，搭建虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，可以對(duì)設(shè)施系統(tǒng)的內(nèi)外部空間及其功能進(jìn)行全方位的展示，為管理人員提供更直接和準(zhǔn)確的信息。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3.2數(shù)據(jù)層

3.2.1數(shù)據(jù)選取

數(shù)據(jù)層中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括三部分：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和BIM模型數(shù)據(jù)。其中從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)執(zhí)行信息，用于維修維護(hù)計(jì)劃、設(shè)施狀態(tài)管理等設(shè)施管理業(yè)務(wù)，需要從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取能源計(jì)量信息和物聯(lián)網(wǎng)信息，用于故障診斷分析和實(shí)時(shí)信息展示等業(yè)務(wù)。BIM模型數(shù)據(jù)主要來(lái)自于BIM竣工模型，主要是與設(shè)施管理相關(guān)聯(lián)的信息。BIM竣工模型的信息量龐大，有些信息（如施工質(zhì)量和施工進(jìn)度信息）對(duì)于設(shè)施管理來(lái)說(shuō)是沒(méi)有價(jià)值的。直接使用完整的竣工BIM模型會(huì)降低數(shù)據(jù)處理速度，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率，因此需要對(duì)BIM竣工模型輕量化處理，進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的選取。

3.2.2數(shù)據(jù)集成

雖然BIM模型數(shù)據(jù)主要來(lái)自于竣工模型，但是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則來(lái)自于多種渠道，數(shù)據(jù)格式有多種類(lèi)型，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和共享，因此首先需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。IFC（Industry Foundation Classes）為建筑行業(yè)提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換接口，系統(tǒng)通過(guò)IFC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和共享。如果數(shù)據(jù)支持IFC標(biāo)準(zhǔn)，可以通過(guò)IFC文件解析器進(jìn)行讀寫(xiě)，并能與兼容IFC標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。對(duì)于不支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)信息交換和共享[7]，其原理如圖2所示。

3.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層分為兩部分，虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)和各應(yīng)用功能模塊。

3.3.1虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的構(gòu)建

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的搭建主要包括兩部分：場(chǎng)景模型的建立與場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)。目前較為常用的模型建立工具有3dsMax、Maya及Creator等。與其他軟件相比，3dsMax建模功能更強(qiáng)大，制作流程簡(jiǎn)捷高效，具有豐富的插件，本系統(tǒng)選擇3dsMax進(jìn)行場(chǎng)景模型的建立。場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)則需要虛擬現(xiàn)實(shí)引擎工具，目前比較常見(jiàn)的有：Vrml、Quest3D、Converse3D、Java 3D、Cult3D及Unity3D等。綜合比較各種引擎工具，Unity3D引擎開(kāi)發(fā)過(guò)程技術(shù)要求高，但是其高級(jí)渲染效果和用戶(hù)定制支持遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他引擎，適合工業(yè)產(chǎn)品三維虛擬展示交互訪問(wèn)和逼真表現(xiàn)的要求，本系統(tǒng)選擇Unity3D作為場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)工具。

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)是卷煙廠設(shè)施管理系統(tǒng)表示層的內(nèi)核，它提供三維場(chǎng)景的渲染、光影效果、漫游、動(dòng)畫(huà)、信息展示等功能。

3.3.2 應(yīng)用功能模塊

根據(jù)卷煙廠實(shí)際業(yè)務(wù)需求，在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，搭建設(shè)施管理的應(yīng)用功能模塊，主要包塊：煙廠模型管理、設(shè)施位置管理、設(shè)施系統(tǒng)分析、設(shè)施信息管理、設(shè)施故障管理、二維三維關(guān)聯(lián)等。

3.4 客戶(hù)端

設(shè)置三種不同類(lèi)型的用戶(hù)：普通用戶(hù)、管理人員和主管人員，不同類(lèi)型的用戶(hù)擁有不同的系統(tǒng)操作權(quán)限。

4 實(shí)際應(yīng)用

在基于BIM與虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)施管理系統(tǒng)中，用戶(hù)可以在虛擬煙廠中漫游，根據(jù)工作需要，查看建筑空間、設(shè)備、能源等信息，搜索查閱設(shè)施設(shè)備的全生命周期資料，維修保養(yǎng)計(jì)劃、查看設(shè)備操作手冊(cè)，觀看檢修模擬動(dòng)畫(huà)等。本文具體介紹設(shè)施位置管理和設(shè)施系統(tǒng)分析模塊的應(yīng)用。

4.1 煙廠模型管理

根據(jù)煙廠設(shè)施的空間位置和功能區(qū)域，對(duì)模型進(jìn)行版本管理和分類(lèi)管理，按照管理需求組織模型目錄，進(jìn)行文件命名和編號(hào)調(diào)整，建立滿(mǎn)足煙廠設(shè)施管理需要的模型體系。在虛擬空間中，瀏覽檢索各子項(xiàng)模型，將廠房建筑和各種設(shè)施都以三維圖像的形式展現(xiàn)出來(lái)。用戶(hù)根據(jù)其視角在虛擬模型環(huán)境中漫游并查看設(shè)施信息，如圖3所示。

4.2 設(shè)施位置管理

在煙廠虛擬場(chǎng)景中，對(duì)建筑進(jìn)行空間分區(qū)，定義每一分區(qū)的名稱(chēng)、大小以及空間位置。根據(jù)設(shè)施實(shí)際安裝位置，定義設(shè)施模型在虛擬空間環(huán)境中的位置，將設(shè)施模型與空間分區(qū)關(guān)聯(lián)起來(lái)。根據(jù)煙廠實(shí)際信息流和物流，定義各系統(tǒng)的設(shè)施設(shè)備、管線及接插件的鏈路關(guān)系。設(shè)施位置的管理不僅包括煙廠中的可見(jiàn)設(shè)施，還包括吊頂、地下部分、墻體中等隱蔽工程。

4.3 設(shè)施系統(tǒng)分析

煙廠模型存儲(chǔ)了設(shè)施設(shè)備和管線的鏈路關(guān)系，由設(shè)施設(shè)備和管線構(gòu)成的鏈路與專(zhuān)業(yè)子系統(tǒng)或子系統(tǒng)的一部分相對(duì)應(yīng)，在系統(tǒng)中建立三維可視化的卷煙廠各專(zhuān)業(yè)子系統(tǒng)的有向圖數(shù)據(jù)模型。管理人員通過(guò)本功能在三維可視化環(huán)境中瀏覽各專(zhuān)業(yè)子系統(tǒng)，并進(jìn)行關(guān)聯(lián)性和影響性分析，結(jié)合卷煙廠模型集成的資料和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)施設(shè)備的精細(xì)化管理。

5 結(jié)論

目前，BIM與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)施管理中的應(yīng)用與研究還不多，本系統(tǒng)結(jié)合合肥卷煙廠異地技術(shù)改造項(xiàng)目進(jìn)行了有益的探索與實(shí)踐?；贐IM與虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)施管理系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)模擬世界中建造一個(gè)融入了空間信息，與物理卷煙廠相對(duì)應(yīng)的虛擬煙廠。虛擬煙廠集成了設(shè)施系統(tǒng)的大量信息，具備真實(shí)性、系統(tǒng)性。設(shè)施管理人員可以在虛擬煙廠中直觀、快速地查看所需要的信息，提高了管理效率。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)的應(yīng)用不斷成熟，設(shè)施管理可以利用這些技術(shù)進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，為提高煙廠數(shù)字化水平、實(shí)現(xiàn)智能工廠打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹奎，王興坡，劉獻(xiàn)偉，胡振中.基于BIM的機(jī)電設(shè)備設(shè)施管理系統(tǒng)研究[J].施工技術(shù)，2013，42（10）：86-88.

[2] 過(guò)俊，張穎.基于BIM的建筑空間與設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2013，5（3）：41-49.

[3] 汪再軍. BIM技術(shù)在機(jī)場(chǎng)水務(wù)管網(wǎng)運(yùn)維管理中的應(yīng)用[J].給水排水，2015，41（2）：80-83.

[4] 魯文. 非沉浸式虛擬維修仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)[D]. 武漢： 武漢理工大學(xué)，2010.

[5] 劉穎. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)備可視化維護(hù)管理[J].制造業(yè)信息化，2015（4）：116-118.

[6] 高龍，李少華，車(chē)德勇，等. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的火電站設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014，31（12）：116-120.

[7] 張建平，張洋，張新.基于IFC的BIM及其數(shù)據(jù)集成平臺(tái)研究[C].合肥：第十四屆全國(guó)工程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2008：227-232.