BIM與AR定制化研發結合應用技術

李慶達，張嘯馳，齊圣鑫，楊佳佳

(1.中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430000；2.北京優比智成建筑科技有限公司，北京 100102)

0 引言

隨著BIM技術在國內不斷發展，越來越多的項目開始深度發掘BIM與新技術相結合的應用，如現階段較火熱的BIM+AR技術應用[1]。但在應用過程中常發現現有新技術本身會存在一定的局限性，難以適應部分項目需求。例如，保密類項目一般要求在實施過程中軟件不能與公共網絡連接，以便保證項目信息數據安全。而傳統AR軟件則大多需聯網操作，這就需要企業根據項目實際應用需求進行AR軟件定制開發，使軟件能在局域網服務器下運行，以便滿足項目保密要求。同時，針對不同項目對軟件使用功能上的特殊化需求，也同樣需進行定制化開發才能得以實現。

1 BIM+AR技術應用概況

在傳統施工圖中，1個構件需通過多張圖紙、文檔才能描述清楚，一方面造成信息傳遞和溝通效率低下，另一方面隨著工程進度推進，靠多文檔描述1個構件的方式往往會產生信息偏差，產生較多施工質量、進度問題[2-3]。當一個建筑對象用實體表達出來并對其增加信息屬性后，可潛在出現更多的應用場景。因此，建筑行業在此背景下誕生大量可視化軟件，而AR軟件就是其中之一。

AR技術是一種新型的人機交互技術，通過計算機將制作的虛擬場景、模型、音頻等信息借助現實設備無縫精確疊加至現實場景中，并對內容進行視覺上的增強，同時還可賦予各種動作、信息。通過將這些數據融入現實場景，人員可看到各種形式數據，使輸出的場景內容更加豐富。AR技術的出現擺脫了傳統施工中管理人員對圖紙的依賴，可有效提高管理人員工作效率，以達到解放人力的效果[4]。

而通過AR技術與BIM技術相結合，可將BIM模型精準融合至現實環境中，并在視覺上進行增強。現場工作人員攜帶智能手機或iPAD作為終端展示設備即可完成交互應用，在施工的全生命周期均發揮著重要作用。具體應用包括：將計劃施工進度和實際施工進度制作成對比動畫進行實時比較，把控實際施工進度；對比擬建模型與在建建筑，及時發現工程缺陷并對其整改，實現有效、快捷的質量把控。

2 AR定制化研發流程

2.1 研發引擎

軟件研發是根據項目應用需求利用編程技術創建軟件或系統中部分軟件，以解決項目特殊的應用需求，提高工程質量與經濟效益[5]。AR應用開發一般是基于現有主流的開發引擎，通過其提供的API接口進行定制開發。目前市面上主要有Unity3D和Unreal兩大開發引擎，本研發采用Unity3D開發引擎。

Unity3D是一款專業的可視化開發引擎，操作簡便，擁有高效的圖形渲染。其適合虛擬現實世界的生成，廣泛應用于游戲、汽車、建筑行業的AR軟件開發。同時，Unity3D提供了諸多插件，可大大提高日常開發效率。例如，Unity3D中導入Vuforia SDK插件包和資源包后，即可實現模型放大、縮小等功能。

2.2 研發流程及內容

使用Revit建造的模型在渲染效果方面略有不足，為提高其AR效果，需對BIM模型格式進行轉換及優化。首先使用Revit導出dwg格式，再導入3ds Max軟件，即可有效減少實體的三角面數量，輕量化處理模型并提高其三維現實效果，之后將3ds Max導入Unity3D，刪除場景中多余的面。需注意導入時的構件單位及需將模型命名改為英文，然后轉至Unity3D中創建AR項目，創建流程為：①新建Unity3D工程，導入Vuforia-unity3D數據包；②模型導入Unity3D場景中；③設置相關參數；④編寫相關腳本。最后將AR應用進行發布，將生成的APK安裝至安卓手機或iPad上即可運行。同時，也可依據項目實際需求增加特殊功能要求至APP中，還可制作對應的UI界面。基于Unity3D的AR軟件研發流程如圖1所示。

圖1 基于Unity3D的AR軟件研發流程

區別于常規AR軟件，AR軟件定制化開發研究產生如下創新功能。

1)增加了修改BIM模型材質及顏色的功能，并創建自主UI界面，左上角滑塊可調整模型中的顏色及材質。

2)使用iPad掃描圖紙出現模型后，選擇UI界面呈現的虛擬界面即可實現交互操作及測量等功能應用。

3 項目實際應用

3.1 圖紙掃描及AR展示

通過將項目BIM模型上傳至AR軟件，將分層、分區域模型與施工圖紙進行掛接，再通過iPad端掃描項目紙質版圖紙，即可實現在現實圖紙上呈現BIM三維模型的增強效果。管理人員可對模型進行剖切查看，查閱模型構件信息參數，充分利用BIM可視化優勢更加直觀形象地展示圖紙內容，輔助管理人員日常工作。

3.2 各專業模型瀏覽

項目管理人員可直接利用AR軟件查看各樓層建筑、結構專業，機電的暖通專業、電氣專業、給排水專業的BIM模型(見圖2)，便于管理人員更好地理解模型及施工內容。現場施工人員也無須安裝BIM建模軟件，通過移動端掃描圖紙的方式，即可隨時查閱BIM模型及信息參數，加深對圖紙的理解，輔助日常管理工作高效開展。

圖2 各專業模型瀏覽及查看

3.3 可視化施工管理

將實施過程中產生的各種BIM視頻文件(如進度模擬、施工方案模擬等)集合至AR軟件中，輔助可視化施工管理工作。管理人員可攜帶iPad直接進行可視化施工交底，與傳統的工作模式相比更直觀、高效。如項目中存在多個高支模區域，管理人員即可通過iPad完成施工指導及部署，大大提高管理人員工作效率。施工方案模擬視頻展示如圖3所示。

圖3 施工方案模擬視頻展示

但此項應用也存在局限性，如視頻文件不宜過大，需使用視頻壓縮軟件進行壓制，不宜存放過多的視頻文件，否則軟件使用過程中將引起卡頓。

3.4 精裝修方案體驗

基于Unity3D進行AR漫游體驗系統自主開發，其中包含建筑內部360°全景展示、室內裝修效果交互展示及通過撥動輪盤在模型內進行漫游。通過自行選擇切換建筑表面材質、顏色交互等功能，輔助不同精裝修方案的展示與比選工作，最大限度地發揮BIM可視化優勢。室內漫游及方案比選如圖4所示。

圖4 室內漫游及方案比選

4 應用效益分析

施工過程中，BIM技術人員可利用建模軟件制作BIM三維模型，對于特殊復雜的施工節點可制作相關節點模型，之后利用AR技術將虛擬BIM模型疊加至真實場景中展現，呈現出一種靈活可變的建筑虛擬效果，輔助現場質量交底工作，以便更好地使現場人員了解施工內容，實現基于AR技術的質量管理[6-7]。

利用AR技術可有效輔助施工后的質量檢查工作。管理人員既可通過單一構件進行檢查，也可通過施工后的整體空間關系進行檢查，所有構件信息及其空間關系均可通過AR技術關聯在一起。管理人員攜帶手機或iPad即可進行現場檢查工作，避免了傳統工作中需攜帶圖紙、圖集進入現場等諸多不便，有效提升工作效率。

5 結語

在智慧建造日益多樣化的今天，工程師僅依靠既有的一些通用軟件功能已較難滿足項目多樣化需求，進行軟件定制化開發很有必要。本研究通過基于實際應用需求的軟件定制化研發，實現了基于BIM+AR技術的各類應用，在提供更形象的可視化展示效果的同時，也可將BIM+AR技術應用貫穿于整個施工管理過程中，輔助全過程信息化管理。但在實施過程中同樣存在一些難題，如軟件無法承載過多的BIM模型及信息；對硬件設備需求較高，無法大面積開展應用等問題。隨著行業內對先進技術的不斷研究與探索，這些難題將逐一被攻克，進而更好地推進建筑行業信息化改革進程。