BIM+AR ＆ MR技术在建筑工程施工中的应用

周吉林，朱词恩，苏前广，程 源，李文建

（1、珠海十字门中央商务区建设控股有限公司 珠海 519030；2、中建三局第一建设工程有限责任公司 武汉 430040）

1 BIM与AR ＆ MR概述

1.1 建筑信息模型（BIM）

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）是全生命周期工程项目或其组成部分物理特征、功能特性及管理要素的共享数字化表达，是集建设工程项目的设计、建造和运营全过程进行管理和优化的过程、方法和技术。BIM 是数字技术在AEC（Architecture，Engineering ＆ Construction）行业中的直接表达，在施工前先用电脑进行模拟，尽可能多地发现设计、施工和组织协调方面的问题。BIM 技术正在引发建设行业的深刻变革，也为建设管理提供了新的范式［2，3］。

1.2 增强现实（AR）

增强现实（Augmented Reality，AR）是在虚拟现实（Virtual Reality，VR）基础上发展起来的一种新兴计算机应用和人机交互技术。与VR 让用户完全沉浸在虚拟环境中不同，AR 技术是将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息无缝地融合到用户所看到的真实场景中，借助显示设备对真实世界进行景象增强，提高使用者对真实世界的感知能力［2，3］。AR 代表设备是Google Glass 和Project Tango 平板，具有运动跟踪、区域识别和深度知觉三大核心技术。

1.3 混合现实（MR）

混合现实（Mixed Reakity，MR）是结合真实和虚拟世界创造了新的环境和可视化，物理实体和数字对象共存并能实时相互作用，用来模拟真实物体，混合了真实、增强现实、增强虚拟和虚拟现实技术，其中还包含有增强现实和增强虚境。MR 主要代表设备是Magic Leap 和 Hololens 眼镜，支持目光、手势、语音、键盘和手柄的人机交互输入，可实时空间建模、实时空间追踪、播放空间声音［4-6］。AR 和 MR 的区别如图1所示。

图1 AR 和MR 的区别Fig.1 The Difference between AR and MR

2 工程概况

横琴国际金融中心大厦位于珠海十字门中央商务区横琴金融岛，临海并与澳门隔水相望。该项目是集高端甲级写字楼、商业、会展、餐饮与高端公寓等多种业态于一体的城市综合体，建筑面积21.92 万m2，地下4 层，地上69 层，建筑高度339 m。建筑造型寓意蛟龙出海，如图2所示。

本工程在建设过程中，积极探索“互联网+”、BIM技术、物联网和大数据在工程建设中的应用，并先后引入增强现实技术（AR）和混合现实技术（MR），与BIM 技术结合进行了深入研究和探索应用。

图2 横琴国际金融中心大厦效果图Fig.2 The Effect of Project

3 BIM+AR ＆ MR技术的功能特点及适用范围

3.1 功能特点

3.1.1 虚拟管道检查

机电管线隐蔽，用深度摄像头的场景识别进行模型的精确定位虚拟显示管道，虚拟检查管线走向，并直接调取相关构件信息，实时更新。

3.1.2 虚拟隐蔽验收

质量检测或隐蔽工程验收时现场移动端与现实结合观看钢筋、复杂节点、机电管线、装饰装修的三维效果。

3.1.3 虚拟运维

后期运营维护时可以直接看到隐藏在内部的管线走向，便于维护管理。

3.1.4 定位功能

具备实时定位功能，用二维码进行定位，可定座标显示控制选项、控制实际物联网硬件。

3.1.5 通用性系统

所研发系统平台具有通用性，即针对不同的工程项目间，项目内可同时使用。

3.1.6 协同工作模式

MR 的协同工作方式为设计工作提供了一种全新高效的设计方式，设计效果实时呈现、设计信息实时沟通，简化了设计流程，提高了设计阶段的工作效率［1］。

3.2 适用范围

BIM+AR ＆ MR 技术适用于建设工程以及基础设施道路、桥梁工程的设计协同、虚拟管道检查、隐蔽工程验收、辅助后期运维等方面。

4 BIM+AR技术的探索应用

在主体施工阶段，本项目探索了智慧工地的建设及BIM+AR 技术在建筑施工过程中的应用。研发了基于BIM+AR 的施工运维管理系统，将BIM 模型和相关信息加载到移动终端中，利用二维码进行模型与现场匹配的精确定位，使用平板扫描二维码，即可通过平板查看模型。在项目现场以真实的比例对建筑的结构、空间、管道设计等进行检查。在运维阶段，查看隐藏在墙后的管道模型，还可以通过在管道、电路中设置控制装置，通过AR 界面虚拟控制管道、电路的开关，实现互通互联［7］。

4.1 实施流程

⑴把BIM 模型转换成fbx 或max 格式，将此格式的模型加载到BIM+AR APP 中。

⑵在测量点上精确放置QRCODE 码（二维码），该二维码是用来进行模型的精确定位（见图3）。

图3 二维码位置设置Fig.3 Setting Two-dimensional Codes

⑶用平板扫描二维码定位后，即可通过平板查看模型。

⑷在真实环境中看到虚拟的模型，可以直接看到隐藏在内部的电线、水管，例如可以看电路的电流和电压，我们甚至还可以在模型中通过物联网的方式控制灯光的开启和关闭、可以查看水管的流量和水压等（见图4）。

图4 虚拟模型演示Fig.4 Virtual Simulation Demonstration

4.2 实现功能

4.2.1 定位漫游

BIM 模型通过AR 技术加载到现实环境中，给使用者一种全新的更加真实的模型漫游体验，并区别于虚拟现实（VR）技术给人的沉浸式的体验（见图5）。

4.2.2 运行展示

点击BIM 模型中的构件，构件高亮显示，可查询BIM 模型构件的名称和一些性能参数（见图6）。

点击“操作”弹出操作界面，按照操作界面的引导顺序依次点击空调机房系统模拟的开启流程，并按照正确顺序依次关闭机电设备的模拟关闭流程。机电设备会根据操作指令真实反应，模拟水流的流动方向和速度，水的色调暗示了水的不同温度，色调越冷，水温越低（见图7）。

图5 漫游界面Fig.5 Roaming Interface

图6 信息查询界面Fig.6 Information Query Interface

图7 运行演示界面Fig.7 Running Demo Interface

4.2.3 水泵安装

利用按钮方式，可将水泵安装的工序在AR 平板中进行模拟演示，每道动画完成会显示工序关键信息及注意事项，可辅助现场施工和技术交底（见图8）。

图8 水泵安装工序动画Fig.8 Animation of Pump Installation Procedure

4.2.4 定位测量

工程前期，加载平面、立面和截面等二维图纸，达到施工放线的目的。

施工过程中，加载平面、立面和截面等二维图纸，对二维图纸在其法线方向进行平移，及时发现实际施工中尺寸上的问题，截图并及时发送给相关人员，进行整改落实。

工程完工后，管理人员利用AR 程序将BIM 模型叠加在实体构件上，将两者对比便能很快识别出缺陷和错误；发现问题后，可截图，记录发现的错误，并及时发送给相关施工人员进行整改落实（见图9）。

图9 二维图纸加载选择Fig.9 Loading Selection of Two-Dimensional Drawings

4.2.5 维修展示

后期运维阶段，找到需要维修的设备，同时在材料库中找到相应的维修设备进行维修，3 根手指放在屏幕上向下或者向上滑动可对模型的高度进行调整。按照提示一步步进行维修。当每步操作正确的时候，该设备上方的红色箭头就会消失，然后进行下一步操作，指导维修人员完成机电设备的日常维修工作，提高设备的巡检、维修效率（见图10）。

图10 维修展示界面Fig.10 Maintenance Display Interface

5 BIM+MR技术的深度应用

在机电安装后期，本项目基于HoloLens 眼镜开发了一款BIM+MR 施工验收软件：通过将BIM 模型等加载到微软Hololens 可穿戴设备的软件中，通过扫描二维码进行精确定位，与现实场景进行结合，在现场直观检查构件、设备、隐蔽工程的最终效果。

5.1 MR模型配准

在开发程序中选择虚拟模型中的二维码放置点，通过Vuforia 开发平台识别并调整模型与图像的相对位置实现定位，然后在现场用扫描二维码的方式将虚拟模型与现场场景重合，达到用模型来指导现场施工及检查现场安装准确度的效果。还可以通过HoloLens自身的定位功能加微调的方式进行定位，通过头部的转向确定模型方向，通过目光点控制模型的位置，对于大空间来说这种定位往往不能一次确定，需要辅助模型的微调命令实现定位功能（见图11、图12）。

图11 选择二维码放置点Fig.11 Selection of Two-dimensional Code Placement Points

图12 生成空间网格Fig.12 Generating Spatial Grid

5.2 MR动画指导

利用手势或者按钮方式，可将安装的工序在眼镜中进行模拟演示，每道动画完成显示工序关键信息及注意事项，并可通过手势/菜单选择性播放/暂停/重放动画等，辅助现场施工和技术交底（见图13、图14）。

图13 动画菜单选择Fig.13 Animation Menu selection

图14 工序动画播放Fig.14 Playing Process Snimation

5.3 MR现场问题检查

通过自动识别技术，直接对比出实体与虚拟模型的偏差，以此作为质量检测的新手段；截屏或者录像用户画面及数据，并可将现场的质量、安全问题拍照录像，回传至电脑，数据信息可作为巡检的辅助手段，提高质量安全检查的效率（见图15）。

5.4 MR构件交互检查

通过Hololens 的射线与模型交互选择模型组件，将组件虚拟模型放置于用户面前，进行位置调整、旋转、隐藏、拆解或者组装等交互手段，模拟构件在现场施工的操作（见图16）。

5.5 MR关键信息现场获取

图15 记录现场问题Fig.15 Recording Site Issues

图16 构件平移旋转缩放Fig.16 Component Translation，Rotation and Scaling

机电管道等模型可以显示或添加相关构件属性信息（机电构件类型、长度等信息）、施工过程信息（施工队伍、负责单位等）以及服务器传输过来的详细信息（如水压、水量等），可以用于施工阶段的上步工序的检查和下步工序的施工指导，以及运维阶段施工信息的追溯和构件的运行维护（见图17）。

图17 工序信息现场查看Fig.17 On-site Inspection of Process Information

5.6 多机互联

将局域网下的多台MR 设备联机，在协同状态下操作和查看模型。HoloLens 在扫描实体空间时创建多个空间锚点，当设备移动时，锚点做出相应变化进行准确调整，虚拟模型的位置与锚点相对位置保持固定，保证了远距离的头显设备追踪精度。通过设置服务器，将一台HoloLens 扫描出的锚点传给另一台后，两台HoloLens 具有相同的锚点即可实现多机互联，在大空间内多人漫游、操作。

6 BIM+AR ＆ MR技术的优点和缺点

6.1 优点

6.1.1 软件具备BIM 数据导入的功能

软件具备BIM 模型导入的功能（接口），可将BIM模型转换格式后，通过软件提供的接口将BIM 模型导入软件中，可以导入整个标准层、甚至是整栋楼的BIM 模型。

6.1.2 实时定位功能

通过GPS 或者标记与特征点结合的配准方法进行定位。标记与特征点结合的配准方法即在实际场景中粘贴2D 图片标记（如二维码、公司标识等），在BIM 模型中也标记出标记图片，虚实两个2D 图片标记配准进行定位。

6.1.3 虚拟运维交互式显示BIM 构件信息

模型导入软件后，可继承BIM 模型的信息。在软件上虚拟显示管道，虚拟检查管线定位以及走向，并直接调取相关BIM 构件信息，实时更新，具备交互式显示BIM 构件信息功能。

6.1.4 定位功能软件具备隐藏、显示功能

软件具备按专业、按类别、按构件等选择性的隐藏、显示模型的功能。

6.2 缺点

⑴需要专门的设备即开发者版的Project Tango平板，前面也介绍了Tango 的特点。正是因为这些特点，模型的室内精确定位才变得如此容易，但是需要专门的设备才能实现AR。

⑵软件对BIM 模型信息的继承性不是很好，模型中并不是所有的构件都有信息，只有一些特定构件选中了才会有信息。

⑶软件运行消耗电量比较快，同时运行需要占用大量内存，导致机身发烫，软件运行不够稳定。

⑷HoloLens 眼镜的视野太窄，显示器能够覆盖的画面只占用户整个视野中间很小的一部分，显著影响佩戴者使用HoloLens 的体验。

⑸HoloLens 在使用过程中，模型会出现“飘移”现象，模型“漂移”的程度由用户运动路线上推移产生的累计误差所决定，用户运动路线越长，产生的模型漂移越严重。

7 结语

本工程先后采用增强现实（AR）和混合现实（MR）技术与建筑信息模型（BIM）结合，研究和探索了BIM+AR ＆ MR 技术在项目设计协同、虚拟管道检查、隐蔽工程验收、辅助后期运维等方面的应用。得到如下结论［8］：

⑴硬件限制。从AR 到MR 首先是硬件的升级革新，当然目前MR 设备HoloLens 尚存在一些硬件局限，内存不足，大模型显示出现延迟，视角过小，体验感不好等。

⑵数据延迟。MR 要求用户能够实时与系统进行交互，系统延迟将直接影响交互效率和任务表现。

⑶位置感知。深度错误、方位错误、遮蔽错误等注册技术上出现的错误会影响用户对虚拟物体的位置判断，如果注册误差很大或者只能实现部分注册（固定视角或无法交互），则将降低用户体验和交互效率。

⑷真实感。虚拟物体的光线、纹理、材质等因素的真实感会极大影响用户对虚实融合环境的认知能力，如果虚拟物体的显示效果非常不真实，也会降低用户体验和交互效率。

⑸疲劳。许多头戴式显示器容易造成用眼疲劳，不适合长期使用，手持式显示器的长时间使用也会出现一些问题。