浅析VR 技术在管综深化设计中的应用

程定富 王树昂 张 强 董春龙

中国核工业第五建设有限公司工程研究院 上海 201512

管综深化设计，无论在核电领域，还是石油化工、精细化工、医药工程等领域，都是常见且容易给设计和施工单位造成困难的工序。因此，亟待提高深化设计能力，增强深化设计的准确性，为业主、设计、施工和运维等各方带来便利，从而提高施工效率，保障工厂运行的安全性。本文通过对虚拟现实（VR）技术原理及应用进行全面分析，利用其直观性、交互性和构想性等特点，为施工过程中的管综深化设计提供解决方案，从三维立体到虚拟现实，更直观地展现设计中存在的错漏碰缺等问题，将BIM 技术应用提升至新高度，从而大大提升业主对项目的管控，减少设计与现场的反复沟通，降低施工单位的返工率，促进项目高质量、高效率、高安全的施工建设。

1 绪论

1.1 研究背景

美国是VR 技术的发源地，其VR 技术水平也基本代表了国际VR 的发展水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件4 个方面，主要应用领域为军事航天、影视艺术、3D 游戏等，特别是NASA 已经建立了航空、卫星维护VR 训练系统，以及空间站VR 训练系统，并且也已建立了可供全国使用的VR 教育系统，但在建筑安装行业的应用较少。

与发达国家相比，我国的VR 技术起步较晚，但国内各大高校包括哈工大、清华大学、浙大、北航等，都已开展相关研究，并取得了一定成果。2018 年12 月25日，工信部官网发布了《工业和信息化部关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》。该意见指出，全球VR产业正从起步培育期向快速发展期迈进，到2020 年，我国VR 产业链条基本健全，打造一批可复制、可推广、成效显著的典型示范应用和行业应用解决方案。

目前,VR 技术的主要应用领域为娱乐、军事航天、艺术、教育、文物古迹和工业生产领域等。建筑安装行业的VR 技术应用主要集中在建筑竣工模拟漫游、房地产销售用视觉漫游等，安装行业中的应用还相对较少。

1.2 研究目的

管线综合深化与优化，是包括核电、石油化工、精细化工、医药和市政工程等在内的行业施工痛点，依据项目的复杂程度，其对净高要求、管线分布、管间距离、美观性等都有不同要求。现阶段，应用BIM 技术已对此问题作出了巨大改善，但对于碰撞量较大、空间较为狭小、管线排布紧凑等位置，BIM 优化仍存在操作困难、排布不合理等问题。

针对以上问题，目前建筑安装行业暂无合适的解决办法，本文拟通过VR+BIM 的方式，利用VR 技术的可视化、可操作性等特点，对管线综合进行优化与深化，以提高深化设计水平，提高施工效率。

2 VR技术

2.1 技术原理

VR 的实现主要基于视觉原理和跟踪原理。VR 技术原理图见图1。

2.1.1 视觉原理——VR 眼镜

人在看周围世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在大脑里融合起来，最终形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近的信息。在VR 系统中，应用双目立体视觉作用，用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同产生的视差即立体感。

2.1.2 跟踪原理——虚拟现实头套

在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的。而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。同时，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。

图1 VR技术原理图

2.2 技术特点

2.2.1 沉浸性

沉浸性是VR 技术最主要的特征，就是让用户成为并感受到自己是计算机系统所创造环境中的一部分。VR 技术的沉浸性取决于用户的感知系统，当使用者感知到虚拟世界的刺激时，包括触觉、味觉、嗅觉和运动感知等，便会产生思维共鸣，造成心理沉浸，感觉如同进入真实世界。

2.2.2 交互性

交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。当操作者进入虚拟空间，VR 技术可以将操作者与当前环境内物体进行虚拟交互；当操作者与物体进行互动时，周围的环境和物项也会做出某种反应。例如，若使用者手部接触到虚拟空间中的物体，其手部应该有感觉；若使用者对物体有所动作，物体的位置和状态也应发生改变。

2.2.3 构想性

构想性也称想象性。操作者在虚拟空间中，可以与环境内物项进行动作、语言交互，从而延展认知范围。操作者还可以根据自己的感觉与思维认知能力理解场景内容，发散拓宽思维，创立新的概念和环境。

2.2.4 多感知性

多感知性表示计算机技术应该拥有很多感知方式，比如听觉、触觉和嗅觉等。理想的VR 技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前大多数VR 技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、触觉和运动等有限的几种。

3 管综深化设计

3.1 深化设计范围

机电管线综合深化设计，是指将同一区域内的机电管线进行综合，根据不同管线的不同性质、不同功能，以及不同的施工要求，结合建筑装修的要求，进行统筹的管线位置排布。

3.2 深化设计难点

设计院给排水、工艺介质管道、动力与照明、通风与空调、弱电、土建和结构等各专业设计人员各自布置管线和出图，彼此配合不足，甚至部分专业系多家设计院设计，加之施工过程受到现场情况、专业协调、物资供应和技术差异等因素的影响，不可避免地存在一些局部、隐性、不可预见的问题，导致一些设备及管线会在建筑平面、立面位置上相互交叉发生冲突，延缓施工进度，增加施工成本，甚至影响建筑物的正常使用。

4 VR技术在管综深化设计中的应用

以核电站常规岛管综为例，详细阐述管综深化设计过程，特别对设计不明、碰撞等问题，提供解决方案。

4.1 全专业模型

（1）对设计文件进行梳理，主要包括需深化设计管线相关的设计图纸、流程图，以及项目相关的要求文件，如技术规格书和设计说明等。另外，要梳理需要深化的管线及其附件的设计要求，如规格、尺寸、材质、压力温度等级、壁厚和材料标准等。

（2）应用BIM 软件，结合各专业二维施工图纸，根据设计文件要求确定深化设计基准坐标系，保证各专业管线模型建模的准确性。

（3）应用BIM 软件对设计模型进行碰撞检查，生成碰撞检查报告，并在模型上做出标记，将模型转化为通用格式，以在VR 软件中备用。

图2 为核电站常规岛的模型图。

4.2 全景沉浸式模型

应用VR 专用软件，将常规岛全专业模型导入至软件中，同时对场景、关卡设计、地形设计、材质贴图、空间音效、粒子特效、动画效果和全局照明等进行编辑设置。

项目文件建立完成后，开启VR 支持，场景中的主摄像机可以直接渲染场景内容至头戴显示器（HMD）中，同时头部跟踪信息将自动应用于摄像机，摄像机的位置、旋转等属性将由跟踪信息提供（图3）。

图3 相机位置、视角设定

4.3 深化与优化管线路径

深化设计原则包括专业内管线避让原则（图4）和专业间管线避让原则（图5）。

图5 专业间管线避让原则

应用VR 沉浸式可视化特点，可直观地在厂房内部进行漫游，对已确定的碰撞点进行交互性操作（图6）；可查看各专业管线属性，自由操作管线走向、确定管线长度，以及选用相对应的管道组件（图7）。对于室内、地下管廊的净空优化，以同样的方式，依据深化原则和净空要求，可便捷地操作各专业管线，最大限度地提高净空值。修改完成后的模型，可通过BIM 软件抽取管道ISO 图（图8）或者平面布置图，与设计人员进行沟通确认。

图6 可操作修改碰撞桥架方向

图7 可操作修改管线路径

5 总结

随着时代的发展，新技术的不断涌现，建筑安装行业的施工痛点、难点将逐步得到解决。应用VR+BIM技术，综合两种新技术的直观性、交互性、可操作性和可出图性的特点，对管线综合深化设计和净空优化起到了关键性作用。将其应用于施工准备阶段和实施阶段，可极大地减少因错漏碰缺造成的施工工期延长和施工成本的增加，同时提高了与设计、业主的沟通效率，以及各单位间的协同工作效率。

图8 管道施工ISO图