AR技术在施工关键节点中的应用研究

余 浩，尹增宝，刘莎莎，庄 越，陈 浩

（中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

BIM 技术通过对建筑数据化、信息化模型的整合，在项目全生命周期过程中进行信息共享和模型传递，使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及各方参建单位提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用[1]。增强现实技术简称AR，是在VR技术基础上发展而来[2]。AR 技术是一种基于影像定位并且实时显示三维模型的技术，能使虚拟模型与真实世界无缝融合，使体验更加真实，增强使用者对现实世界的感知效果。得益于VR 技术的发展，通过计算机技术和硬件的不断更新换代，发展出了AR技术。现在的AR 技术已经能够提供更加完善和个性化的功能。BIM 结合AR 技术将为建筑业赋能并带来更大发展。AR 增强现实技术在国内处于起步阶段，许多虚拟现实领域的企业已经开始专注于增强现实的研发和应用，AR 技术工作流程如图1所示。

图1 AR技术工作流程

1 节点模型搭建与传递

在设计环节将BIM 和AR 技术结合能够帮助设计师以更低的成本、更快的速度、更高的质量完成设计任务，精准的传达设计理念。两种技术手段结合不仅直观地表现模型的外观和物理属性，而且能将建筑的设计意图、建造理念及所需要的基础信息完整地表现出来。从施工环节来看，BIM 与AR 技术的结合能够为工程管理人员以及相关的施工人员提供重要的工具，使工程内部精确构造一目了然，能让技术人员和施工者尽早地发现施工过程中的问题，并将问题及时的进行处理。这样既节省了时间，确保工期的顺利进行，也进一步保证了工程的总体质量。

BIM 技术的关键是通过精确建模建立虚拟三维模型并为模型提供完整的建筑工程信息。本研究选用Revit 软件进行精确建模，模型尺寸严格按照图集和规范要求。因为只研究可视化，不涉及信息化，所以对三维模型的信息化不做具体要求。模型选择模板支架节点，以梁底不设立杆的梁板模板支架节点形式为例建模（图2、图3）。

图2 梁底不设立杆的梁板模板支架

图3 梁底不设立杆的梁板模板支架Revit模型

三维软件之间相互导入导出会涉及一些格式不兼容的问题，不同的格式有着不同的定位及用处，有开源的也有商业的，目前很多三维软件之间互导存在很大问题。三维格式可以理解为基于同一规范的技术表征，简化的看成一种统一的分类方式。对于三维模型俩说格式种类繁多，不同应用领域、不同功能属性，让人眼花缭乱，如何选择可以互导的三维格式成了需要认真考虑的问题。FBX 是FilmBoX 软件的模型格式，后改称Motionbuilder。因为是动作制作平台，在前端建模和后端渲染也都有赖于其他软件的配合，所以在转换上下了一番功夫。FBX 最大的用途是用在Max、Maya、Softimage 等软件间进行模型、材质、动作和摄影机信息的互导。

本研究大多使用Autodesk 公司或者与FBX格式兼容较好的软件，且FBX 已经深耕模型领域多年，并得到大量的三维建模软件的支持，FBX格式也是许多解决方案的首选模型互导格式。模型搭建完成后，从Revit 导出FBX 格式。因为模型材质通过Revit 直接导出为Autodesk Generic格式，这种材质格式并不能被Unity 识别，需要在3D Max 里转换成Standard 标准材质并重新导出为FBX 格式（图4）。

图4 3D Max转换Revit模型材质

2 基于Unity引擎的软件开发

市面上AR 的解决方案有很多，如：ARKit、ARCore、Vuforia、AR.js、A-Frame以及TARSDK 等。其中大部分的SDK 工作原理基本相同，都是采用视觉惯性系统来追踪定位周围的环境，所以SDK 的优劣选择更多取决于硬件设备的支持度和用户使用的广泛度。

在进行软件开发前，需要为电脑配置安卓软件开发环境。配置方法有两种，一种方法是用Nvidia 打包好，Android 开发环境包配置。这种方法优点是安装方便，各种配置文件已经由Nvidia 整理好，使用直接安装即可，但是这种方法的通用性不强，只能针对某个特定版本的安卓系统，后续更新使用也比较麻烦。另一种方法是用Android Studio 配置开发环境。这种方法优点是可以灵活配置各个安卓系统版本的开发环境，版本切换比较方便，后续更新也十分容易，但是配置安装烦琐，容易出现组件配置不全的问题。

如图5 所示，本研究所用的AR 解决方案是基于Unity 制作开发的。Unity 是一款游戏引擎，可以创作类型多样的实时3D 互动内容，其应用领域涵盖游戏开发、美术、建筑、汽车设计和影视等。Unity 平台提供了一整套完整的软件解决方案，可用于创作任何实时互动的2D 和3D 内容，支持包括手机、平板电脑、PC、游戏主机、增强现实和虚拟现实设备等各种平台。

图5 基于Unity的Vuforia制作AR软件的流程图

Vuforia 是高通推出的针对移动设备扩增实境应用的软件开发工具包，为Unity 提供了AR 增强现实的解决方案。Vuforia 利用计算机视觉技术实时识别和捕捉平面图像或简单的三维物体，然后允许开发者通过照相机取景器放置虚拟物体并调整物体在镜头前实体背景上的位置，将预先建好的模型呈现现在识别位置，然后可以根据需要进一步添加动画和其他内容。

Revit 精确建模后导出模型顶点数和面数非常多，不进行减面操作AR 设备硬件性能不佳，会在使用时十分卡顿（图6）。在不影响尺寸精度的前提下，将模型导入3DMAX 后利用优化工具对模型进行适当优化（图7）。模型优化对比如表1 所示。

图6 优化前节点模型三角网格

图7 优化后节点模型三角网格

表1 模型优化对比表

通过Unity 将模型3D Max 标准材质修改成Unity 材质（图8），在模型暗部区域添加点光源光照提升场景亮度，通过Vuforia 插件添加AR 摄像机和ImageTraget，将模型添加到ImageTraget下使成为其子集，在开发过程中需要通过搭建的开发环境对软件进行测试，封装软件。

图8 Unity修改模型材质

3 软件应用探究

设计阶段BIM 加AR 可视化可以缩短设计方和业主的沟通距离。使用增强现实技术，用移动端以微缩模型显示BIM 模型，可以清楚地展示建筑外立面构造。如果需要可以按建筑物的实际尺寸比例显示，清楚展示建筑任何部分的空间信息。同样，可以在现场展示新建筑如何适应其周边实际环境，一旦将BIM 模型锚定到现实中，模型会变得非常真实（图9）。

图9 移动端AR软件演示

施工阶段AR 是很好的现场沟通工具，通过可视化呈现建筑结构和关键节点的三维模型，工程施工承包商能够更快地了解要施工的建筑。在建筑施工现场环境中叠加1 ∶1 的BIM 模型，相比传统使用绘制的2D 图纸，减少解释沟通工作量和方案的模糊空间，可以让所有工程参与方协同参与进来共同完成。同样在工程验收时，监理可以使用AR 软件呈现的三维模型和已完成节点进行比对，通过这样的方法可以快速发现施工中存在的质量问题。运用BIM 加AR 技术将代替过去技术交底的二维图纸，直接在现场进行实时查看和预览（图10）。AR 和BIM 相结合本身能够提供良好的可视化效果，使过去对工人需要较长时间解释的工作大大缩短。

图10 现场施工移动端AR演示

4 结论

通过AR 增强现实技术将三维模型信息精确地传递给施工人员，不仅提高了工程质量，而且降低了施工管理难度。在工程项目关键节点施工中，常常存在施工交底未知的问题。传统施工交底十分考验专业知识和自身经验，需要想象与感受三维空间的实际状况。运用BIM 和AR 结合的可视化技术手段呈现三维模型，能让施工交底不再局限于传统2D 图纸，工程中各工作团队都可以直接浏览，并使用此模型进行沟通讨论与分析，进而更方便地让工程相关的人员共同审阅与协同讨论建筑模型，甚至是不具备相关专业知识的业主都能参与其中，减少双方想象的落差、缩短沟通时间，简化和加速沟通的过程，以达到工程各领域团队的共识。