BIM+VR技术在水电工程设计中的应用分析

费章贵

（安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230031）

1 BIM+VR技术在水电工程设计中的应用优势

1.1 优化工程方案

VR技术能够模拟出逼真的三维立体场景，其与BIM技术结合后，能够实现水电工程设计的全程可视。设计人员能够通过对虚拟方案的观察，找出其中的漏洞和缺陷，并结合BIM系统给出的自动诊断信息，对工程设计方案进行精确地调整和优化。BIM技术与VR技术相互配合、相互补充，可将设计者头脑中的想法、构思转换为客观存在的虚拟模型，以提高设计者对设备空间关系、电气系统走向、材料物理性能等参数的敏感程度，提前发现设计风险并进行控制[1]。另外，在方案审核的过程中，透过工程虚拟模型也能让工程参与者方更直观、清晰地了解设计者意图，从多角度分析设计方案的可行性，以便找到最佳水电工程建设方案。

1.2 促进信息交互

水电工程设计并不独立存在，其需要取得施工部门、造价部门、勘察部门的积极配合。例如在以往的设计工作中，经常因部门间信息交流受阻，导致返工或方案变更问题，造成额外的成本支出并影响施工进度。如何提高水电工程建设信息转换的灵活性，保证部门间积极配合成为设计工作优化关注的重点。基于BIM与VR技术的水利工程设计需在同一平台内完成，其中包括不同部门的功能模块，将各专业信息、资料整合到同一平台上进行处理和反馈，促进信息交互，因信息传输受阻而导致的设计失误问题大幅度降低。

2 BIM+VR技术在水电工程设计中的应用方法

2.1 模型构建

构建水电工程三维立体模型，其中应涵盖工程所在位置地形、交通布局、建筑布局等主体框架，还应涵盖水力机械、电气系统等细节。为保证最终呈现的模型尽量贴合水电工程实际情况，要求在模型构建过程中使用标准、统一的设计方法和命名方式。完成初步构建后，将模型导入到3Dmax或其他类似功能的平台中，对三维模型做细化地处理。例如，对几何面较多的模型进行简化，以呈现出最佳视觉效果。

2.2 空间细化

利用专门的游戏引擎，对空间模型进行细节处理。该过程应结合水电工程现场勘查信息，对模型场景进行真实的还原。合理调整工程建筑、交通、自然环境之间的关系，完善空间元素，并对模型中的碰撞属性进行调节。游戏引擎细化空间的优点在于，能够模拟场景中光线对实物的影响以及模型的质感，引入美术学科知识，尽可能还原设计模型中事物的真实属性，以便对模型进行观察和分析。

2.3 角色引入

BIM与VR技术在水电工程设计中的应用实质是，通过模拟模型的搭建，实现设计者与方案之间的互动交流，让设计者在身临其境的状态下，对设计方案进行改进和完善。常用的视角包括第一视角、第三视角和漫游视角三种，不同角色对应不同视角。其中，第一视角指的是模拟角色眼睛的观察角度；第三视角则是在角色周围一定范围内设置摄像机，将角色作为拍画面的主体；飞行视角被设置在模型上空，以俯视的方法对场景进行观察和记录[2]。

2.4 功能设计

进行场景漫游设计，对上文中的三个视角进行调控，赋予其相应的漫游功能。完善模型的交互功能，并通过UI设计，对水电工程场景进行美化，实现沉浸式漫游。例如，将电气系统中各类设备、管线的相关信息整合到设计平台中，通过直接点击即可获取到某一具体电气设备的型号、厂家、性能参数、安装指标等。工程参与人员通过VR技术的交互功能，即可对水电工程模拟场景进行观察和漫游。

3 BIM+VR技术在水电工程设计中的应用案例

3.1 案例背景简介

某水电工程项目总装机容量40 MW，设计平均发电量在1.30 亿kWh，其最大水头为16.8 m。整个水电工程包括调蓄水库、引水隧洞、厂房等结构，为当地基础性水力发电项目，以发电为主，兼顾供水、灌溉及旅游。该水电工程功能相对复杂，电气工程质量要求较高，为保证工程运行效率和服务寿命满足区域经济发展需求，在电气设计过程中引入BIM即VR技术，以确保工程电气系统设计的合理性，避免给后期安装、调试工作带来不利影响。

3.2 电气系统设计

（1）构建工程电气系统三维模型。对水电工程进行1：1模拟，重点关注电气设备、母线、电缆廊道与工程建筑结构之间的关系，该部分要求实现精细化模拟。为提高工程设计的空间协调性，同时合理减轻设计工作压力，选择对工程非核心范围内的自然环境进行低精度模拟。此外，考虑到平台兼容性的要求，对模型信息进行压缩处理，以确保模型能够以stl格式被转移到3Dmax软件平台当中进行简化等进一步处理。

（2）经3D max软件平台处理后的电气系统模型被转移至游戏引擎当中，对设计方案做进一步细化，提高方案的逼真程度。根据工程中电气设备选型情况，还原设备及管线的真实质感和光泽，并利用平台数据库及画笔工具，对工程所处的空间环境进行完善，以放大环境对电气系统正常运行的影响，方便设计改进。调节模型碰撞属性，还原物理属性，确保角色活动正常。

（3）本文重点研究该案例中电气系统的设计过程，因此选取电气设备安装调试人员为原型进行角色设计，以水轮发电机组的安装为例。在经过多方案比较确定水轮发电机组选型后，结合水轮发电机组安装的定位、预埋、预装和总装四项核心操作流程，设计角色的动作类型及活动流程。将设计结果导入到游戏引擎当中，实现设计、安装人员交互功能。通过计算机操控终端，可通过相应的按键配合手柄调整角色的运动状态，以完成流畅的水轮发电机组安装模拟。结合摄像机位置信息，从第一、第三及飞行三个视角查看模拟场景。

（4）进行逻辑结构的搭建，以游戏引擎、C++等技术为依托，添加漫游、方案介绍、画面截取、空间导航等功能。再通过UI设计，实现对整个水电工程的沉浸式漫游，观察电气系统内各设备的型号、尺寸、性能参数等信息。

（5）输出模拟设计方案。将虚拟场景以exe格式提取并输出到HTC Vive Pro平台中，相关人员通过专业设备即可实时对水电工程的漫游，观察电气系统是否存在碰撞点、各设备运行相互影响等[3]。在方案审核阶段，各工程参与方通过VR设备，身临其境对本水电工程电气系统设计情况进行观察，直观、全面了解电气相关信息，并从多角度给出优化意见。水电工程中的电气设计要考虑到系统本身的空间合理性，还要考虑设备与设备、设备与其他建筑构造之间的影响关系。基于BIM和VR技术的方案设计能够精准、全面地描述出设计者的设计意图，并将多方建议融入其中，电气设计质量明显提升。

经实践验证，本工程电气系统安装、调试工作严格依照设计方案进行，未发现任何碰撞点，施工活动顺利完成，VR技术对水电工程设计的辅助作用发挥充分。

4 结语

BIM技术用于建模及参数化完善模型，而VR技术则用于解决可视化的问题。相较于BIM技术，VR技术在水电工程设计中的实践经验更加有限。为应对未来更高的水电工程设计需求，BIM技术与VR技术相结合已成为一种必然的发展趋势。要求相关人员在设计过程中积极引入VR技术，实现水电工程设计全程可视，降低BIM设计优化工作压力，不断提高水电工程设计能力。