基于MR+BIM 技术的机电工程应用研究

江宇萌，潘卫波，李 帅，刘佳男

（1.中交机电局有限公司，北京 100088；2.吉林大学，长春 130000）

0 引言

随着近几年我国城市轨道交通建设的大力发展，机电安装中各项新型技术的应用使得工程建设更加智能化、信息化，工程建设中施工管理的方式也更加高效和便捷。其中，通过建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术有效的整合信息，并建立可视化模型，在建筑领域机电工程中已成为新兴的应用技术［1]。然而，BIM 技术在实际应用中，由于平台工具不够成熟，各类软件间信息交互与共享性差，导致BIM工程师建立的3D 模型与现场施工管理无法建立衔接，一定程度上制约了BIM 技术的应用价值。而混合现实（Mixed Reality，MR）技术具有独特的交互优势，能将虚拟中的3D模型在施工现场的现实中完美呈现，从而巧妙的建起虚拟世界与现实世界的桥梁。这一点恰好弥补了BIM技术在施工现场应用的不足，利用新技术在开工前的工地上能直观看到竣工后机电安装的效果，使得现场工人在施工前有直观的认识，同样便于管理人员更好卡控施工质量与进度。为进一步提高MR+BIM 技术的应用能力，本文在地铁机电项目驻地利用此项新技术来指导和辅助机电安装，初步探讨基于MR+BIM技术在机电安装中的应用价值，取得了良好的效果，为后续地铁机电安装开工后如何更好地利用此项新技术来提高施工管理人员的工作效率奠定基础。

1 MR+BIM技术的优势与特点

1.1 MR技术的特点

混合现实（MR）技术又名介导现实技术，是一项合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境的新技术。通过将虚拟的场景信息呈现在现实中，可在用户、现实和虚拟世界间搭起一个信息交互反馈的回路，以增强用户体验的真实感。MR技术与增强型现实（Augmented Reality，AR）更为接近，都是一半现实一半虚拟影像，但传统AR 技术运用棱镜光学原理折射现实影像，视角不如虚拟现实（Virtual Reality，VR）大，清晰度也会受到影响。MR 结合了AR 和VR 技术的优势［2]，能更好地将AR 技术体现出来，相比下具有灵活性、交互性、实时性等优势，因此MR 技术逐步成为各行各业实现智能化、信息化的重要方式［3]。

目前全球从事MR领域的应用较少，大多处于研究阶段，依托的设备也基本是微软的HoloLens 这一类。本文将依托Microsoft HoloLens 2这一款设备对机电工程的实际应用进行研究探讨。

1.2 BIM技术的特点

机电工程施工中设备的装配较为复杂，涉及专业众多，需要多种工程互相配合协调。通过BIM 技术的应用，使得施工之前的统筹规划变得更加直观［4]。施工前通过BIM技术来对施工方进行三维可视化交底，能展现出预期的效果，并能突现出设计存在的问题从而加以优化和改正。利用BIM技术进行管道碰撞检查，能及时发现并解决碰撞部位，有效降低了返工的成本，使得施工更加透明与标准化。BIM 技术应用在机电安装施工当中，能够更好地提高机电安装的质量和效率［5]。

BIM技术虽已成熟应用于施工建设的各个阶段，并解决各专业之间的协调问题，但主要应用还是停留在现场观摩上，并未结合施工现场的实际情况，现场的情况远没有想象中理想，许多实际问题依然得不到很好的解决。

1.3 MR+BIM技术的综合优势

BIM技术成熟应用于建筑领域，使得施工更加信息化与智能化，在此基础上也给予各高新技术更便捷的应用空间。虚拟现实中的MR技术结合BIM 技术能碰触出更耀眼的科技火花，MR技术强大的人机交互能力恰好能弥补BIM 模型与施工现场衔接困难的问题，极大地提高了BIM 的应用价值。通过MR+BIM 技术，可以提前解决潜在问题，实现信息完整的互联互通，信息数据更能契合到现场实体施工部位减少或杜绝将施工部位信息传递的错误，确保设计信息在施工现场的完整表达。建立BIM+MR平台能有效的指导现场施工，实现全景下的沉浸式施工、吊装施工模拟，在小空间实现了多专业、立体化、同平台作业，使机电施工更安全、精确，通过模拟分析对方案进行优化，完成现场模拟、演示、技术和安全交底等工作，以提高工作效率［6]。

2 MR+BIM技术在机电安装中的应用要点

MR+BIM技术在机电安装中应用的流程图如图1 所示，在BIM 建模的基础上，利用MR 技术结合AI 系统进行大数据提取，可实现项目规划与施工辅助等功能，并能在施工现场进行智能检测，人机交互以保证各类软件流通顺畅，操作流程可视化且清晰透明，现场与后台亦可实时沟通。

图1 MR+BIM整体流程图

2.1 MR+BIM机电可视化模型的创建

首先依据施工蓝图进行BIM机电模型的创建，从CAD中的二维平面图转换为REVIT 中的立体3D 图，然后将REVIT端设计的模型数据进行解析、提取、组合和封装，导出模型和数据属性，并保存为引擎可识别的格式。

将上述导出的模型数据导入到数据库服务器中，依据Microsoft HoloLens 2 设备来构建BIM + MR 信息管理平台，并在可视化管理数据库（Visualized Managing Database）中进行整合［7]，使数据进行匹配，互相索引，最终形成整体模型。

图2和图3所示分别为参照图纸创建的机电管线和消防泵BIM模型，图4和图5所示分别为BIM模型结合MR技术后建立的机电可视化模型。通过对比可看出，MR +BIM 技术在现场建立的可视化模型具备更好的人机交互和信息交互能力训练。

图2 管线BIM机电模型

图3 消防泵BIM机电模型

图4 管机线电模MR型+BIM可视化

图5 消防泵MR+BIM可视化模型

2.2 MR+BIM应用要点分析控制

在机电安装施工前，结合工程实际情况做好项目规划，通过MR+BIM 强大的人机互动和虚实结合特点，可将施工中信息融入到可视化模型中，在施工现场让施工方能直观地进行实地考察。并能基于可视化模型，识别质量控制点，将施工工艺工法融入到数据库中，为施工过程中关键点的质量卡控和竣工后的质量验收提供一定的参考价值。在现场真实环境中利用可视化模型，可更直观有效地对施工技术和管理人员进行培训，利用多通道人机自然交互技术，可多人实时互动，并参与指导现场的安装与调试，培训的内容交互性强，使培训者能完美结合实时交流与实物仿真操作［8]，在一定程度上提高了培训的质量和效率。

在现场进行空间定位后便可将MR +BIM 技术用于施工辅助，例如检测辅助功能，可在现场测量机电设备和管线间的水平距离和垂直距离，并且可实时进行拍摄和录音，在施工过程中更好地监控质量和留下记录痕迹，在施工流程中提供辅助提示指导。通过虚拟放线可基于空间定位点，将模型实时投射到施工现场，提前观测到设备设施的空间形态，并提供设备设施的安装辅助，如孔位信息、设备位置调整、间距实时量测等。

通过新技术的实时交互特点，可实现智能协作。在施工的混合现实环境中实时沟通，在现场发现问题后及时与后台远程交流，后台能快速定位并进行远程指导，现场与后台数据实时共享，能实现项目的前后端一体化协同办公。

3 结束语

目前国内外将MR +BIM 技术应用于实际施工场合的案例依然较少，仍处于前期探索阶段。本文在项目驻地应用此项新技术来指导和辅助机电工程施工，取得良好的实际效果，实现了几点重要的应用价值。但受目前技术开发人员的研发能力、施工管理人员的接受度、硬件软件的兼容性等条件制约，其应用价值可实现的程度还有极大的提升空间，有待进一步开发与改进。在将来地铁机电正式开工后将继续应用此项新技术，创新开发出更多实际的应用价值。相信随着成功应用的案例逐步增加，社会的普及度持续提升，科技创新前进的脚步不断迈进，MR+BIM技术必将在机电工程施工领域引起重大的影响，为未来机电工程领域采用机械化、自动化来预制和安装提供了一个更真实的平台。