BIM與AR定制化研發(fā)結(jié)合應用技術(shù)

李慶達，張嘯馳，齊圣鑫，楊佳佳

(1.中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430000；2.北京優(yōu)比智成建筑科技有限公司，北京 100102)

0 引言

隨著BIM技術(shù)在國內(nèi)不斷發(fā)展，越來越多的項目開始深度發(fā)掘BIM與新技術(shù)相結(jié)合的應用，如現(xiàn)階段較火熱的BIM+AR技術(shù)應用[1]。但在應用過程中常發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有新技術(shù)本身會存在一定的局限性，難以適應部分項目需求。例如，保密類項目一般要求在實施過程中軟件不能與公共網(wǎng)絡連接，以便保證項目信息數(shù)據(jù)安全。而傳統(tǒng)AR軟件則大多需聯(lián)網(wǎng)操作，這就需要企業(yè)根據(jù)項目實際應用需求進行AR軟件定制開發(fā)，使軟件能在局域網(wǎng)服務器下運行，以便滿足項目保密要求。同時，針對不同項目對軟件使用功能上的特殊化需求，也同樣需進行定制化開發(fā)才能得以實現(xiàn)。

1 BIM+AR技術(shù)應用概況

在傳統(tǒng)施工圖中，1個構(gòu)件需通過多張圖紙、文檔才能描述清楚，一方面造成信息傳遞和溝通效率低下，另一方面隨著工程進度推進，靠多文檔描述1個構(gòu)件的方式往往會產(chǎn)生信息偏差，產(chǎn)生較多施工質(zhì)量、進度問題[2-3]。當一個建筑對象用實體表達出來并對其增加信息屬性后，可潛在出現(xiàn)更多的應用場景。因此，建筑行業(yè)在此背景下誕生大量可視化軟件，而AR軟件就是其中之一。

AR技術(shù)是一種新型的人機交互技術(shù)，通過計算機將制作的虛擬場景、模型、音頻等信息借助現(xiàn)實設備無縫精確疊加至現(xiàn)實場景中，并對內(nèi)容進行視覺上的增強，同時還可賦予各種動作、信息。通過將這些數(shù)據(jù)融入現(xiàn)實場景，人員可看到各種形式數(shù)據(jù)，使輸出的場景內(nèi)容更加豐富。AR技術(shù)的出現(xiàn)擺脫了傳統(tǒng)施工中管理人員對圖紙的依賴，可有效提高管理人員工作效率，以達到解放人力的效果[4]。

而通過AR技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，可將BIM模型精準融合至現(xiàn)實環(huán)境中，并在視覺上進行增強?，F(xiàn)場工作人員攜帶智能手機或iPAD作為終端展示設備即可完成交互應用，在施工的全生命周期均發(fā)揮著重要作用。具體應用包括：將計劃施工進度和實際施工進度制作成對比動畫進行實時比較，把控實際施工進度；對比擬建模型與在建建筑，及時發(fā)現(xiàn)工程缺陷并對其整改，實現(xiàn)有效、快捷的質(zhì)量把控。

2 AR定制化研發(fā)流程

2.1 研發(fā)引擎

軟件研發(fā)是根據(jù)項目應用需求利用編程技術(shù)創(chuàng)建軟件或系統(tǒng)中部分軟件，以解決項目特殊的應用需求，提高工程質(zhì)量與經(jīng)濟效益[5]。AR應用開發(fā)一般是基于現(xiàn)有主流的開發(fā)引擎，通過其提供的API接口進行定制開發(fā)。目前市面上主要有Unity3D和Unreal兩大開發(fā)引擎，本研發(fā)采用Unity3D開發(fā)引擎。

Unity3D是一款專業(yè)的可視化開發(fā)引擎，操作簡便，擁有高效的圖形渲染。其適合虛擬現(xiàn)實世界的生成，廣泛應用于游戲、汽車、建筑行業(yè)的AR軟件開發(fā)。同時，Unity3D提供了諸多插件，可大大提高日常開發(fā)效率。例如，Unity3D中導入Vuforia SDK插件包和資源包后，即可實現(xiàn)模型放大、縮小等功能。

2.2 研發(fā)流程及內(nèi)容

使用Revit建造的模型在渲染效果方面略有不足，為提高其AR效果，需對BIM模型格式進行轉(zhuǎn)換及優(yōu)化。首先使用Revit導出dwg格式，再導入3ds Max軟件，即可有效減少實體的三角面數(shù)量，輕量化處理模型并提高其三維現(xiàn)實效果，之后將3ds Max導入Unity3D，刪除場景中多余的面。需注意導入時的構(gòu)件單位及需將模型命名改為英文，然后轉(zhuǎn)至Unity3D中創(chuàng)建AR項目，創(chuàng)建流程為：①新建Unity3D工程，導入Vuforia-unity3D數(shù)據(jù)包；②模型導入Unity3D場景中；③設置相關參數(shù)；④編寫相關腳本。最后將AR應用進行發(fā)布，將生成的APK安裝至安卓手機或iPad上即可運行。同時，也可依據(jù)項目實際需求增加特殊功能要求至APP中，還可制作對應的UI界面?；赨nity3D的AR軟件研發(fā)流程如圖1所示。

圖1 基于Unity3D的AR軟件研發(fā)流程

區(qū)別于常規(guī)AR軟件，AR軟件定制化開發(fā)研究產(chǎn)生如下創(chuàng)新功能。

1)增加了修改BIM模型材質(zhì)及顏色的功能，并創(chuàng)建自主UI界面，左上角滑塊可調(diào)整模型中的顏色及材質(zhì)。

2)使用iPad掃描圖紙出現(xiàn)模型后，選擇UI界面呈現(xiàn)的虛擬界面即可實現(xiàn)交互操作及測量等功能應用。

3 項目實際應用

3.1 圖紙掃描及AR展示

通過將項目BIM模型上傳至AR軟件，將分層、分區(qū)域模型與施工圖紙進行掛接，再通過iPad端掃描項目紙質(zhì)版圖紙，即可實現(xiàn)在現(xiàn)實圖紙上呈現(xiàn)BIM三維模型的增強效果。管理人員可對模型進行剖切查看，查閱模型構(gòu)件信息參數(shù)，充分利用BIM可視化優(yōu)勢更加直觀形象地展示圖紙內(nèi)容，輔助管理人員日常工作。

3.2 各專業(yè)模型瀏覽

項目管理人員可直接利用AR軟件查看各樓層建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)，機電的暖通專業(yè)、電氣專業(yè)、給排水專業(yè)的BIM模型(見圖2)，便于管理人員更好地理解模型及施工內(nèi)容?，F(xiàn)場施工人員也無須安裝BIM建模軟件，通過移動端掃描圖紙的方式，即可隨時查閱BIM模型及信息參數(shù)，加深對圖紙的理解，輔助日常管理工作高效開展。

圖2 各專業(yè)模型瀏覽及查看

3.3 可視化施工管理

將實施過程中產(chǎn)生的各種BIM視頻文件(如進度模擬、施工方案模擬等)集合至AR軟件中，輔助可視化施工管理工作。管理人員可攜帶iPad直接進行可視化施工交底，與傳統(tǒng)的工作模式相比更直觀、高效。如項目中存在多個高支模區(qū)域，管理人員即可通過iPad完成施工指導及部署，大大提高管理人員工作效率。施工方案模擬視頻展示如圖3所示。

圖3 施工方案模擬視頻展示

但此項應用也存在局限性，如視頻文件不宜過大，需使用視頻壓縮軟件進行壓制，不宜存放過多的視頻文件，否則軟件使用過程中將引起卡頓。

3.4 精裝修方案體驗

基于Unity3D進行AR漫游體驗系統(tǒng)自主開發(fā)，其中包含建筑內(nèi)部360°全景展示、室內(nèi)裝修效果交互展示及通過撥動輪盤在模型內(nèi)進行漫游。通過自行選擇切換建筑表面材質(zhì)、顏色交互等功能，輔助不同精裝修方案的展示與比選工作，最大限度地發(fā)揮BIM可視化優(yōu)勢。室內(nèi)漫游及方案比選如圖4所示。

圖4 室內(nèi)漫游及方案比選

4 應用效益分析

施工過程中，BIM技術(shù)人員可利用建模軟件制作BIM三維模型，對于特殊復雜的施工節(jié)點可制作相關節(jié)點模型，之后利用AR技術(shù)將虛擬BIM模型疊加至真實場景中展現(xiàn)，呈現(xiàn)出一種靈活可變的建筑虛擬效果，輔助現(xiàn)場質(zhì)量交底工作，以便更好地使現(xiàn)場人員了解施工內(nèi)容，實現(xiàn)基于AR技術(shù)的質(zhì)量管理[6-7]。

利用AR技術(shù)可有效輔助施工后的質(zhì)量檢查工作。管理人員既可通過單一構(gòu)件進行檢查，也可通過施工后的整體空間關系進行檢查，所有構(gòu)件信息及其空間關系均可通過AR技術(shù)關聯(lián)在一起。管理人員攜帶手機或iPad即可進行現(xiàn)場檢查工作，避免了傳統(tǒng)工作中需攜帶圖紙、圖集進入現(xiàn)場等諸多不便，有效提升工作效率。

5 結(jié)語

在智慧建造日益多樣化的今天，工程師僅依靠既有的一些通用軟件功能已較難滿足項目多樣化需求，進行軟件定制化開發(fā)很有必要。本研究通過基于實際應用需求的軟件定制化研發(fā)，實現(xiàn)了基于BIM+AR技術(shù)的各類應用，在提供更形象的可視化展示效果的同時，也可將BIM+AR技術(shù)應用貫穿于整個施工管理過程中，輔助全過程信息化管理。但在實施過程中同樣存在一些難題，如軟件無法承載過多的BIM模型及信息；對硬件設備需求較高，無法大面積開展應用等問題。隨著行業(yè)內(nèi)對先進技術(shù)的不斷研究與探索，這些難題將逐一被攻克，進而更好地推進建筑行業(yè)信息化改革進程。