基于MR+BIM 技術的機電工程應用研究

江宇萌，潘衛波，李 帥，劉佳男

（1.中交機電局有限公司，北京 100088；2.吉林大學，長春 130000）

0 引言

隨著近幾年我國城市軌道交通建設的大力發展，機電安裝中各項新型技術的應用使得工程建設更加智能化、信息化，工程建設中施工管理的方式也更加高效和便捷。其中，通過建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術有效的整合信息，并建立可視化模型，在建筑領域機電工程中已成為新興的應用技術［1]。然而，BIM 技術在實際應用中，由于平臺工具不夠成熟，各類軟件間信息交互與共享性差，導致BIM工程師建立的3D 模型與現場施工管理無法建立銜接，一定程度上制約了BIM 技術的應用價值。而混合現實（Mixed Reality，MR）技術具有獨特的交互優勢，能將虛擬中的3D模型在施工現場的現實中完美呈現，從而巧妙的建起虛擬世界與現實世界的橋梁。這一點恰好彌補了BIM技術在施工現場應用的不足，利用新技術在開工前的工地上能直觀看到竣工后機電安裝的效果，使得現場工人在施工前有直觀的認識，同樣便于管理人員更好卡控施工質量與進度。為進一步提高MR+BIM 技術的應用能力，本文在地鐵機電項目駐地利用此項新技術來指導和輔助機電安裝，初步探討基于MR+BIM技術在機電安裝中的應用價值，取得了良好的效果，為后續地鐵機電安裝開工后如何更好地利用此項新技術來提高施工管理人員的工作效率奠定基礎。

1 MR+BIM技術的優勢與特點

1.1 MR技術的特點

混合現實（MR）技術又名介導現實技術，是一項合并現實和虛擬世界而產生的新的可視化環境的新技術。通過將虛擬的場景信息呈現在現實中，可在用戶、現實和虛擬世界間搭起一個信息交互反饋的回路，以增強用戶體驗的真實感。MR技術與增強型現實（Augmented Reality，AR）更為接近，都是一半現實一半虛擬影像，但傳統AR 技術運用棱鏡光學原理折射現實影像，視角不如虛擬現實（Virtual Reality，VR）大，清晰度也會受到影響。MR 結合了AR 和VR 技術的優勢［2]，能更好地將AR 技術體現出來，相比下具有靈活性、交互性、實時性等優勢，因此MR 技術逐步成為各行各業實現智能化、信息化的重要方式［3]。

目前全球從事MR領域的應用較少，大多處于研究階段，依托的設備也基本是微軟的HoloLens 這一類。本文將依托Microsoft HoloLens 2這一款設備對機電工程的實際應用進行研究探討。

1.2 BIM技術的特點

機電工程施工中設備的裝配較為復雜，涉及專業眾多，需要多種工程互相配合協調。通過BIM 技術的應用，使得施工之前的統籌規劃變得更加直觀［4]。施工前通過BIM技術來對施工方進行三維可視化交底，能展現出預期的效果，并能突現出設計存在的問題從而加以優化和改正。利用BIM技術進行管道碰撞檢查，能及時發現并解決碰撞部位，有效降低了返工的成本，使得施工更加透明與標準化。BIM 技術應用在機電安裝施工當中，能夠更好地提高機電安裝的質量和效率［5]。

BIM技術雖已成熟應用于施工建設的各個階段，并解決各專業之間的協調問題，但主要應用還是停留在現場觀摩上，并未結合施工現場的實際情況，現場的情況遠沒有想象中理想，許多實際問題依然得不到很好的解決。

1.3 MR+BIM技術的綜合優勢

BIM技術成熟應用于建筑領域，使得施工更加信息化與智能化，在此基礎上也給予各高新技術更便捷的應用空間。虛擬現實中的MR技術結合BIM 技術能碰觸出更耀眼的科技火花，MR技術強大的人機交互能力恰好能彌補BIM 模型與施工現場銜接困難的問題，極大地提高了BIM 的應用價值。通過MR+BIM 技術，可以提前解決潛在問題，實現信息完整的互聯互通，信息數據更能契合到現場實體施工部位減少或杜絕將施工部位信息傳遞的錯誤，確保設計信息在施工現場的完整表達。建立BIM+MR平臺能有效的指導現場施工，實現全景下的沉浸式施工、吊裝施工模擬，在小空間實現了多專業、立體化、同平臺作業，使機電施工更安全、精確，通過模擬分析對方案進行優化，完成現場模擬、演示、技術和安全交底等工作，以提高工作效率［6]。

2 MR+BIM技術在機電安裝中的應用要點

MR+BIM技術在機電安裝中應用的流程圖如圖1 所示，在BIM 建模的基礎上，利用MR 技術結合AI 系統進行大數據提取，可實現項目規劃與施工輔助等功能，并能在施工現場進行智能檢測，人機交互以保證各類軟件流通順暢，操作流程可視化且清晰透明，現場與后臺亦可實時溝通。

圖1 MR+BIM整體流程圖

2.1 MR+BIM機電可視化模型的創建

首先依據施工藍圖進行BIM機電模型的創建，從CAD中的二維平面圖轉換為REVIT 中的立體3D 圖，然后將REVIT端設計的模型數據進行解析、提取、組合和封裝，導出模型和數據屬性，并保存為引擎可識別的格式。

將上述導出的模型數據導入到數據庫服務器中，依據Microsoft HoloLens 2 設備來構建BIM + MR 信息管理平臺，并在可視化管理數據庫（Visualized Managing Database）中進行整合［7]，使數據進行匹配，互相索引，最終形成整體模型。

圖2和圖3所示分別為參照圖紙創建的機電管線和消防泵BIM模型，圖4和圖5所示分別為BIM模型結合MR技術后建立的機電可視化模型。通過對比可看出，MR +BIM 技術在現場建立的可視化模型具備更好的人機交互和信息交互能力訓練。

圖2 管線BIM機電模型

圖3 消防泵BIM機電模型

圖4 管機線電模MR型+BIM可視化

圖5 消防泵MR+BIM可視化模型

2.2 MR+BIM應用要點分析控制

在機電安裝施工前，結合工程實際情況做好項目規劃，通過MR+BIM 強大的人機互動和虛實結合特點，可將施工中信息融入到可視化模型中，在施工現場讓施工方能直觀地進行實地考察。并能基于可視化模型，識別質量控制點，將施工工藝工法融入到數據庫中，為施工過程中關鍵點的質量卡控和竣工后的質量驗收提供一定的參考價值。在現場真實環境中利用可視化模型，可更直觀有效地對施工技術和管理人員進行培訓，利用多通道人機自然交互技術，可多人實時互動，并參與指導現場的安裝與調試，培訓的內容交互性強，使培訓者能完美結合實時交流與實物仿真操作［8]，在一定程度上提高了培訓的質量和效率。

在現場進行空間定位后便可將MR +BIM 技術用于施工輔助，例如檢測輔助功能，可在現場測量機電設備和管線間的水平距離和垂直距離，并且可實時進行拍攝和錄音，在施工過程中更好地監控質量和留下記錄痕跡，在施工流程中提供輔助提示指導。通過虛擬放線可基于空間定位點，將模型實時投射到施工現場，提前觀測到設備設施的空間形態，并提供設備設施的安裝輔助，如孔位信息、設備位置調整、間距實時量測等。

通過新技術的實時交互特點，可實現智能協作。在施工的混合現實環境中實時溝通，在現場發現問題后及時與后臺遠程交流，后臺能快速定位并進行遠程指導，現場與后臺數據實時共享，能實現項目的前后端一體化協同辦公。

3 結束語

目前國內外將MR +BIM 技術應用于實際施工場合的案例依然較少，仍處于前期探索階段。本文在項目駐地應用此項新技術來指導和輔助機電工程施工，取得良好的實際效果，實現了幾點重要的應用價值。但受目前技術開發人員的研發能力、施工管理人員的接受度、硬件軟件的兼容性等條件制約，其應用價值可實現的程度還有極大的提升空間，有待進一步開發與改進。在將來地鐵機電正式開工后將繼續應用此項新技術，創新開發出更多實際的應用價值。相信隨著成功應用的案例逐步增加，社會的普及度持續提升，科技創新前進的腳步不斷邁進，MR+BIM技術必將在機電工程施工領域引起重大的影響，為未來機電工程領域采用機械化、自動化來預制和安裝提供了一個更真實的平臺。