BIM技术原理及应用：与VR/AR/MR相结合的最新成果

(1)基本概念

VR(Virtual Reality,虚拟现实),指利用计算机技术模拟产生一个为用户提供视觉、听觉、触觉等感官模拟的三度空间虚拟世界,用户借助特殊的输入/输出设备,与虚拟世界进行自然的交互。虚拟现实技术主要研究交互式实时三维图形在计算机模拟方面的应用。它为用户提供了一种能在计算机上设计并创建三维动态虚拟世界,并交互感应和自由转换视角功能的崭新工具。它的基本特征是,沉浸性、交互性和多感知性。早期主要用于军事、航天等领域的辅助设计与决策。近10年来,VR技术被应用到越来越多的普通领域,如地理学、医学、制造、工程、教育、艺术和娱乐等。

AR(Augmented Reality,增强现实),也被称为扩增现实。它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道、触觉等),通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。增强现实技术,不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来,两种信息相互补充、叠加。AR系统具有三个突出的特点:真实世界和虚拟的信息集成、具有实时交互性、在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。AR技术在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域,具有比VR技术更加明显的优势。

MR(Mix reality,混合现实),指的是结合真实和虚拟世界创造了新的环境和可视化三维世界,物理实体和数字对象共存,并实时相互作用,以用来模拟真实物体;在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路,以增强用户体验的真实感,它是虚拟现实技术的进一步发展。MR的主要特点是,结合虚拟和现实、虚拟的三维(3D注册)及实时运行。

(2)BIM与VR/AR/MR集成应用

运用VR/AR/MR技术可以弥补BIM在施工管理中缺少与实际环境结合的缺陷,实现了虚拟模型与真实环境的巧妙结合。BIM和VR/AR/MR在工程中的联合应用,不仅可使施工管理人员对即将施工的环境有“真实的参与感”,可切实体会面临的技术问题及施工状况,帮助其做出正确、合理的决策,而且现场信息的及时反馈又可使建筑模型不断优化,施工技术不断改进,对工程施工的前瞻性分析与现场问题处理均有着重要的作用^[8]。

工程项目的VR/AR/MR技术应用可以由多个虚拟现实、增强现实软件开发平台完成,如Unity、UE4等。此外,市场上已有一些VR/AR/MR技术应用的软件,但各软件针对的角度有所不同,应用范围也不尽相同。目前主要有万间科技、光辉城市“Mars”、光鱼全景720全景、Iris VR的Iris Prospect和Iris Scope、Autodesk公司Fuzor与Stingray、Modelo、Enscape等软件。(www.xing528.com)

通过VR/AR/MR技术对BIM的数据信息进行可视化表达,从而可以让设计师与业主清晰地理解彼此的设计愿景和需求。通过对特殊节点的施工工艺模拟,可以使施工方更准确地把握施工方式。通过较为完整的建筑信息模型,可以使维护人员更方便查看建筑竣工后的隐藏管线。通过对建筑的可视化和轻量化处理,使用户在线便捷、直观地了解产品的实际效果。BIM与VR/AR/MR技术在建筑工程全过程的应用价值^[9]如下。

①规划与设计阶段。从建筑方案设计到室内效果,VR/AR/MR技术都可以让用户身临其境地在建筑中任意漫游,去感受具体家具与空间的尺度,获取如材料与特性等基于BIM数据信息,对任何不满意的地方即可进行标注,及时反馈,进行下一步的优化与调整。

②施工图设计与节能计算阶段。VR/AR/MR技术更好地将BIM模拟碰撞检测等应用的具体操作可视化,实现BIM可视化的升华体验,并且使不同专业的设计集中到一个协同显示与设计平台,使设计师和建设方都可以更明晰地看到问题所在。

③工程实施阶段。工程质量管理可以通过场景模型系统、考核评分系统等子系统,针对各种标准施工工艺,将其从各种技术文件和国家标准中抽取出来,设计出符合实际需求的VR交互流程。通过VR/AR/MR建立的虚拟体验场景,结合全身动作捕捉、体感和电击等力反馈穿戴设备,可以进行各种VR施工安全事故体验和事前施工难点预习。同时创建的可视化平台可以让施工人员在对图纸产生疑问的时候及时进行审核与反馈。

④运维阶段。在工程试运行管理中,设施运营维护管理可进一步发挥BIM数据的管理功能,集成虚拟模型,让设备维护检修、消防应急等变得更为直观可控。同时系统可对接现场设备传感器,将实时数据传递进入VR/AR/MR场景,通过图表化的3D形式显示。

⑤项目营销阶段。VR交互样板房能替代实体样板间,特别是在项目早期,就让业主看到完工后的效果。通过手持移动端和VR头盔端的多方互动,对于整个建筑项目的体验感将更强。同时集成客户信息录入和客户体验数据捕捉系统,进行大数据支持。