VR、AR在建筑工程信息化领域的应用

2018-10-13

土木建筑工程信息技术 2018年4期

(万间科技(深圳)有限公司，深圳 518000)

1 BIMVR/AR理论基础

BIMVR(Building Information Modeling in Virtual Reality)是将BIM(建筑信息模型)和VR(虚拟现实)结合起来的一种技术手段[1]。

BIM工程师已经可以在工程施工前就做出来非常真实的BIM模型了，但是目前这种可视化的三维模型有很大的局限性。将BIM与VR技术相结合，可以让使用者不仅可以看到这个模型，还可以深入其中，身临其境，真实的感受身处模型之中。无论是对于设计方还是施工方，都能够得到充足的指导，避免很多很可能发生的事故、问题，让工程实施变得更加合理。AR、MR亦如是[2]。

BIM是建筑工程管理领域新的信息沟通载体，基于BIM的大量工具软件和平台应用如雨后春笋，在逐渐替代传统基于CAD图纸的沟通方式。

VR/AR/MR，本质上是新的沟通技术，与之相关的软硬件成为新的沟通工具；它们也是继电脑、手机等信息处理和沟通工具之后的新一代沟通与通信平台。

BIM+VR/AR/MR所具备的价值潜力，对建筑业来讲，将不单单是一个信息载体和工具的升级，其整个信息沟通范式都会随着技术的深入发展而产生变革。图1介绍了BIM与VR/AR/MR的关系。BIMVR/AR/MR有望成为建筑工程产业新的沟通范式(Communication Paradigm)[3]，形成新的技术门类和跨界学科。

图1 BIM与VR/AR/MR的关系

建筑业的生产效率及信息化水平，一直远远低于其他产业，本质源于其工程管理及沟通范式太陈旧落后，急需有更新的、更高效的沟通范式来对这一庞大产业进行革新，甚至颠覆。那么，BIMVR/AR/MR在建筑全生命期中具体有哪些应用呢？后面分别介绍。

2 VR/AR在建筑全生命期的应用

2.1 建筑规划与设计阶段

(1)BIM+VR应用

BIMVR在建筑规划与设计阶段最基本的应用是设计方案评审。将设计师、评审人员带入VR场景中，基于VR的特性，便可实现常规看纸质图纸和透过屏幕看BIM模型所达不到的效果。特别是对于决策层以及一些非设计专业人士，VR的沉浸性让他们也能参与进来，发表评价。

体验者通过多种视角对项目进行全方位审视。比如通过飞行漫游视角，在VR场景中查看渲染过后1： 1的BIM模型场景，让人们对未来区域的建筑规划方案有更宏观的感知和判断。体验者在漫游途中，还可通过丰富的VR交互手法，对方案进行全方位查看以及局部的修改调整。当有多套建筑规划设计方案供参考时，可通过VR体验，直观的进行方案的评审和比选。

目前针对建筑规划设计阶段，已经有大量的BIMVR软件供选择。比如IrisVR、Enscape、Mars、TwinMotion、Lumion等。

(2)BIM+AR/MR应用

与VR不一样，AR/MR的体验场景，不再局限于室内体验区，而是去到了任何地方，比如项目实地现场。从BIM软件中导出模型数据，在项目现场，可通过AR手持设备和MR眼镜等，将模型、图纸等1： 1加载在现场。拥有现场临场感的AR/MR体验，对方案沟通效果更好。

如图2所示，在项目现场定位点扫描BIM模型，然后加载模型，设计及评审人员，即可拿着iPad设备，实现AR漫游体验。去到任何一个位置，探查未来完工后的状态。通过MR眼镜也是同理，只是交互方式从触屏改为手势和语音交互。

图2 项目规划现场加载BIM模型的AR场景截图

鉴于ARKit和ARCore发布的时间并不长，且目前可用的AR和MR眼镜设备也很少，针对建筑规划与设计阶段，目前很少见有通用的BIMAR/MR软件。

Trimble公司基于微软HoloLens推出的Sketchup Viewer是一个例子，可以通过HoloLens浏览操作Sketchup创建的模型。不过大部分BIMAR的应用，在交互体验上还比较鸡肋，多数为定制开发的项目展示性质的定制型项目体验软件。

对于定制开发，目前可用的开发工具及软硬件平台如图3所示。

图3 当前BIMAR应用开发模式

2.2 工程施工阶段

工程管理的过程，是对管理人员经验和技术的发挥过程，传统工程管理人员依据的工程管理信息媒介是纸质图纸，如今正在逐渐转向电子化、三维模型化，甚至更进一步实现VR、AR化。

工程管理的过程就是多个项目参与方不断沟通的过程。所以，BIMVR/AR/MR作为优秀的沟通工具，大有其用武之地。BIMAR/MR天然适合于施工现场的几乎所有沟通场景。相信再过不久，一系列的基于BIM和AR/MR的应用工具和平台软件将被开发出来，覆盖工程现场管理的方方面面。

2.2.1 BIM+VR应用

VR最早的工程领域应用，侧重在VR沉浸式体验上。通过VR的沉浸感、交互性来发挥其工程教育培训的价值。随着教育培训的不断普及，单纯的VR体验已经不再能满足工程需求，更多深入挖掘BIM和VR价值的应用会不断推向工程现场。常见的BIMVR应用架构如图4所示。

目前BIM+VR在工程施工阶段的应用主要集中在安全管理、质量控制、进度控制及组织协调方面。

(1)安全管理领域

VR安全管理及教育是工程施工阶段最早的落地应用。相比于传统安全培训，VR安全培训的优势不言而喻。将工人置身于施工场景中，依次去体验各类安全事故及应急抢险的流程，在VR中发生伤害、死亡等事故，通过视觉、听觉、触觉反馈，形成心理的震慑作用。

在VR工程安全教育上，国内市场需求更甚于国外，市场空间也更大。或许VR安全教育培训将成为工程现场的标配。部分研发型企业，深入工程管理，不再是停留在面子工程，做出的软件成果对一线工人来讲，有较大的实用价值。以万间SafetyVR为例，SafetyVR的体验流程详见图5。

图4 基于UE4开源引擎的BIMVR软件开发框架

图5 SafetyVR体验使用流程

SafetyVR除了常规的安全体验项目，为了让培训效果更具可见性，做了几项技术的集成创新：刷身份证的实名制管理系统、眼球及视线追踪技术精确记录考核分数、成绩管理及分数导出用于备案(图6)、多项目场景及事故抢险类别全覆盖。

图6 SafetyVR成绩导出界面截图

BIMVR安全管理的进一步落地，将具备将BIM数据实时导入VR场景、安全措施自动规划布置、安全计算功能，VR事故体验不再是必须的。VR场景BIM数据化，BIM场景VR化，BIM的数据价值将进一步挖掘并凸显。

(2)质量控制领域

VR应用于质量领域，首先也是用来做交底和培训考核。特别是对于大型工程的复杂施工部位，在现实场景中很难进行教育培训的。将BIM模型用来搭建VR场景，设置交互流程和考核标准后，即可用来进行培训。以万间SimVR Fab为例，一般的制作开发流程如图7所示。

图7 工艺质量BIMVR应用制作开发流程图

VR培训交底的深度，取决于BIM模型的精细程度，可以做出非常逼真的操作流程，甚至复制现实场景。一般配置的体验方式分为两种：教学模式、考核模式。

工程质量交底和培训是一项高粘性的工作。对于工程师和工人来说，每天都有这方面的需求。所以后面会出现大量信息交互流程更简单，一线BIM工程管理人员也能简单上手的BIMVR质量交底软件，提供给他们使用。除了输出VR体验成果，还可直接导出高清的流程动画视频、高清图(图8)，用于方案存档和其他沟通场景。

图8 干挂石材工艺VR培训截图

(3)进度控制领域

工程进度控制强调事前控制，VDC(Virtual Design and Construction)在国外已经是一个大的学科门类，在企业也是一个复合型的专业岗位。VDC工程师就是利用BIM模型和图纸，来进行施工进度的虚拟仿真、事前控制，排除所能察觉到的所有不合理项、问题点后，再去指导实际的现场施工，降低施工不确定性和返工的人力、资金、时间成本。

对于BIM工程师来说，他只需要将其搭建的BIM模型，导入VR场景，编排好施工进度顺序，做好和虚拟工期时间的精确挂接关系，即可在一个虚拟场景中，完整复现一个未来的施工场景了。管理人员不再仅仅依据自己的施工经验，而是依据BIM模型上精确的材料、成本、人员等数据，通过调节各类资源曲线，用线性规划的方式来寻找到最佳施工进度路线，让进度仿真达到优化施工方案，降低施工不确定性的目的。

图9 进度模拟仿真BIMVR应用操作流程图

VR进度模拟仿真的操作流程，详见图9。

进度流程仿真模拟的精细度，与BIM模型的精细度有关。随着各类信息资源的进一步挂接，可以实现更精确的数据驱动进度流程。同时，在搭建好进度仿真流程后，工程师可以戴上眼镜，进入到VR场景，去对流程的细节进行评审，看虚拟施工方案是否具备可实施性，防止出现局部的流程冲突。随着BIM和VR的进一步融合，通用化的BIMVR软件，将成为现场的工长、材料员等与进度密切相关的管理岗位人员的生产工具。

另外，远程多人同时在线的VR体验，会更加普遍和实用。在VR场景中实现建设单位、施工承包单位、设计单位以及监理单位的远程多方协同沟通。不用去到同一个地方，在VR场景中完成会议或施工进度方案沟通，对工作效率提升、沟通成本节约的作用是极大的。

2.2.2 BIM+AR应用

目前施工管理阶段的BIMAR/MR应用还不是很普遍，不过其与施工现场结合的场景优势，大有超越VR的趋势。BIMAR/MR应用，同样可以应用于工程现场管理的安全、质量、进度及组织协调领域。其沟通的对象不再是纯虚拟的BIM模型，而是BIM模型与现场环境的沟通，也不再是施工管理人员或者工人与模型的沟通，而是多方参与进来完成协调沟通。

BIMAR/MR平台软件开发的路线如图10所示。

图10 BIMAR应用平台软件开发路线

目前的BIMAR应用主要是基于苹果iOS系统之上ARKit接口开发的，适配苹果最新的手机和iPad系列设备。而基于Android系统之上ARCore的应用还很少，因为目前适配的机型还不多。不过相信过不久，就会有大量的手机和平板设备，都会支持流畅AR的功能，AR体验的成本会大大降低。

而目前的BIMMR应用主要是针对微软HoloLens眼镜而开发的，前不久新出的Magic Leap One，其在性能和体验上均相对HoloLens有一定的提升，相信它在建筑工程上也会有一定的应用。

以万间Mr.BIM为例，BIMAR/MR在建筑工程施工管理阶段的应用点主要有以下几方面。

(1)定位漫游

BIM模型二维码初始定位设置(图11)，AR场景漫游及信息查看。

(2)虚拟测量放线

施工图纸、模型分层增强显示，虚拟放线定位，AR量尺准确测量(图12)。

图11 AR扫码定位加载BIM模型

图12 加载AR图纸

(3)现场施工指导

施工安装流程指导，同步技术交底培训。

(4)质量验收

图纸、模型与实体结构位置校验，发现并记录质量偏差。

2.3 项目营销阶段

VR/AR最早在建筑业的应用便是项目营销推广，特别是地产类的项目，VR样板间成为很多项目营销中心的标配。国内外均有大量的创业企业从事针对地产营销的VR内容定制开发服务。

VR/AR以其直观的沟通表达能力，能清楚的将项目特点、优势传达给非专业的客户群体，且让人耳目一新。对于还在施工前期但已开始销售的项目，将BIM模型导入VR/AR引擎，经过精细的渲染调节，辅以一定的交互程序，完整再现建筑工程在完工后的运行状态，精确传达给潜在客户、业主以及广大市民。

2.3.1 BIM+VR应用

VR应用主要是VR样板间、VR楼盘、VR展览展示等，将工程项目完工场景通过VR场景展示出来，传递给潜在客户或消费者。

一般的应用流程如图13。

以常见VR样板间为例，一般整个VR项目营销展示系统包含区域规划VR展示、楼盘VR展示、户型VR交互展示、设计理念、精装场景、家装设计体验等VR展示模块，还与企业展示、平台概览、装修清单、主材介绍、交房标准、服务体系等常规营销内容结合。比如，通过在VR场景中再现未来建筑内的生活场景(如图14，体验智能冰箱的智能买菜功能的VR营销案例)，来达到准确营销的目的。

图13 营销阶段BIMVR应用开发流程

图14 海尔智能冰箱VR场景式营销体验

2.3.2 BIM+AR应用

AR/MR在项目营销中的应用与VR类似。AR体验一般是在手机移动应用中集成AR模型展示的功能，通过扫码，然后加载出模型和信息的方式。基于图像识别的AR体验，目前支持几乎所有Android和iOS移动设备。

而需要依赖SLAM实时定位的AR体验，可选方案目前则较少，且对硬件设备性能有要求。所以目前主流且简单的AR应用多为基于图像识别的模式。比如基于Vuforia SDK开发的卡片识别式的AR模型展示体验。

基于苹果ARKit和谷歌ARCore的移动AR应用解决方案是一个主流方向。且有希望做出通用型的AR应用。已经有不少企业在做这方面的尝试，宜家的AR应用IKEA Place就是一个典型。IKEA Place有超过2 000个家具BIM模型(图15)，可以让用户充分发挥想象力，在AR中设计自己的空间。

图15 IKEA Place使用场景

2.4 运维管理阶段

建筑运维管理指建筑在竣工验收完成并投入使用后，整合建筑内人员、设施及技术等关键资源，通过运营充分提高建筑的使用率，降低它的经营成本，增加投资收益，并通过维护尽可能延长建筑的使用周期而进行的综合管理。

竣工后的建筑或工程物进入长达几十甚至上百年的使用期，都涉及到运营、维护保修、更新等内容。特别是对于机房、工厂等设备密集型建筑，一旦建筑设施发生故障，就需要及时进行维护保修。但由于存在大量的隐蔽工程，且历史的图纸存档资料很难查找，这时候，基于建筑工程的BIM数据的VR/AR/MR应用价值就凸显出来了。

2.4.1 BIM+VR应用

(1)试运行仿真培训

项目在竣工后，交付试运行阶段，可以通过BIMVR场景来进模拟仿真运行的场景，即试运行模拟(VR Commissioning)。以一个生产工厂为例，可以通过VR来精确模拟各类设备运行时的工况。试运行模拟仿真的内容包括：设备运行工况模拟、消防应急演练模拟、典型设备故障应急演练模拟等。

图16 VR+IoT应用流程示意图

(2)VR+IoT远程操作

VR技术结合建筑工程设施的物联网硬件，可将设备运行的数据，实时在VR场景中可视化。还可以通过在VR场景中操作虚拟硬件设施，将指令传递给建筑中的实际硬件控制器，实现远程控制，如图16所示。对于一些操作危险性较高的设备区域，在VR场景中远程操作，除了提高安全性，还非常简单、直观、便捷。

图17是钢材工厂中通过VR远程操作机床设备的案例。体验者手持控制器，在VR场景中操作虚拟设备，实际控制的却是跟虚拟设备一致的实体建筑设备。且设施设备的实时运行数据，也能够在VR场景中查看，操作员只需要在控制室体验区，即可对整个建筑内所有联机的设备进行控制。

图17 某工厂通过VR远程控制车间设备

图18 ThyssenKrupp基于HoloLens的AR应用

2.4.2 BIM+AR应用

以一个典型案例来介绍AR/MR应用。全球知名电梯厂商ThyssenKrupp基于微软HoloLens开发了专门针对其企业的一个BIM+MR运维检修管理系统。将电梯运行的设备数据联网，并在MR眼镜显示出来，指导现场维修人员，提高工作效率，如图18所示。

维修人员接收到维修通知，打开MR设备，查看待维修的电梯设备信息及故障状态。然后去到设备所在建筑进行维修操作。

在维修过程中，维修人员不需要带任何图纸，所有模型和文档数据信息，均通过MR眼镜增强显示在空间中，所有的隐蔽工程信息也增强显示出来。遇到不能判断的问题时，还可寻求远程协助，将头盔摄像头画面同步给其他人员。

维修完成后，设备运行的实时信息、工单信息都可通过MR眼镜实时查看，并同步到服务器端。整个过程，维修人员通过MR进行信息增强辅助，让传统基于图纸、检测设备和经验的检修流程大大缩短，极大提高工作效率。

类似ThyssenKrupp的BIMMR创新应用可拓展到建筑工程运维管理的各个方面，让AR/MR技术辅助运维人员进行高效率的工作。运维阶段的建筑工程BIM数据是在实时更新的，它们是一套数字虚拟资产，VR/AR/MR提供了管理人员、业主与数据资产沟通交互的媒介，让数据资产在运维管理全生命期发挥价值。

3 BIMVR/AR的发展趋势分析

3.1 发展趋势

BIMVR/AR/MR在建筑全生命期都有非常重要的应用，在一些沟通密集领域，它们有机会成为替代性或者颠覆性的沟通管理技术。当然，BIMVR/AR/MR技术还不够成熟，技术的进一步落地，还需要大量的创新研发和探索。建筑业新的管理沟通范式的形成，也不是一蹴而就的。

图19 BIMVR/AR/MR发展路线

BIMVR/AR/MR发展路线如图19所示。对于建筑业来讲，特别是工程施工阶段，AR/MR的应用场景，远远高于VR场景。但凡需要沟通的地方，几乎都可以用到AR/MR代替传统低效率的沟通方式。当前，BIMVR的发展已经具备一定的成熟度，BIMAR应用正在崛起，BIMMR应用则还才少量试点型应用。BIMMR是最方便便捷的应用方式，随着软件开发成本降低，MR硬件逐渐成熟和大众化，BIMMR应用或许将统治整个施工现场，MR穿戴设备或将跟安全帽一样，成为建筑业工程人员的标配。

在AR/MR硬件成本降低、性能提升后，应用的分发也将更加简单。随着5G通信技术的普及，BIM模型数据的实时传输不再是问题，BIMAR/MR也从早期的单机软件应用，到后面不断云化，用户通过纯Web应用，即可完成现场的沟通体验流程，形成小前端(AR/MR设备端)、大后台(云端)的应用模式。

会有越来越多的工具级BIMVR/AR/MR软件及平台出现，覆盖到工程的各个细分领域，特别是这些与基于BIM模型的沟通密切相关的领域。