建筑技术 | BIM+XR技术在中关村论坛项目施工现场管理中的应用

1 工程概况

中关村论坛永久会址位于海淀区中关村核心区，占地面积5.9 hm²，会址由地下2层、地上1层组成，总建筑面积约6.4万m²，单层面积约2.1万m²。会址整体造型为三叶草叶片形状，屋顶铺设1.4万m²草坪。

2 BIM与扩展现实拟解决问题与应对策略

2.1 BIM与扩展现实拟解决问题

中关村永久会址项目作为北京市重点工程，面临着高标准的展示和执行要求。在项目实施的过程中遇到了以下问题。

（1）项目BIM模型大多停留在基于终端屏幕的平面三维展示，且对于项目特色的绿植屋面直观感受不强，缺乏沉浸式和交互式体验，难以满足项目的高标准展示需求，如图1所示。

图1 中关村永久会址绿植屋面BIM模型

（2）项目包含的机电系统繁多，受到严格的空间限制，各种专业优化排布难度大。在当前建造模式下，机电管综BIM模型大多在计算机中进行呈现，难以直接应用到工程现场指导施工；且机电管综设计复杂，基于二维图纸难以表达管线间的空间关系，给施工交底和施工验收带来了挑战，显著增加了施工难度。同时机电管综在工程中属于隐蔽工程，在工程建设完成后，会被覆盖层所遮挡，这给后期机电管综的运维造成了极大的困难。

2.2 BIM+XR运行机理

BIM模型作为建筑信息模型，包含了丰富的几何信息、材料属性、属性信息等数据。在传统应用中，这些模型大多通过终端屏幕以平面三维形式展示，限制了模型的交互性和沉浸感。为了突破这一局限，项目采用Unity引擎，整合BIM+XR技术。Unity作为一个强大的3D内容创建平台，其在建筑行业的应用正在迅速发展，例如数字孪生、安全仿真、虚拟交底等。Unity不仅提供了丰富的图形渲染能力，而且支持多种数据输入格式和高度可编程的环境，使其成为整合BIM+XR技术的理想选择。Unity通过导入BIM数据，能够将静态的模型转换成可以交互的虚拟环境，提供沉浸式体验。

在中关村永久会址项目中，为了解决BIM模型在施工现场管理中的应用限制，尤其是在沉浸式和交互式展示以及复杂机电系统施工管理方面的挑战，本项目将BIM数据整合进Unity引擎，发展出一套基于XR的建筑模型全景展示和隐蔽工程原位可视化方案，实现更高水平的项目可视化和交互设计。

在数据转换过程中，Revit可以直接导出fbx文件，但模型不包括材质信息，增加了Unity中材质匹配的工作量。而Revit中导出nwc文件，再通过Navisworks可导出带有材质的fbx文件。也可在Revit中直接导出IFC文件，包含了更全面的模型信息，包括几何信息、材料信息、属性信息和层级结构等。

由于BIM模型文件较大，在便携设备上的渲染效果不佳，本项目对BIM模型进行了轻量化处理，以适应便携设备上的高效渲染，包括了对模型内嵌拓扑架构的图形格式解析与转换，可通过Unity Pixyz插件按照类别、族等合并模型，从而减少模型文件的大小，并通过合并优化网格、去除重复顶点等操作，进一步缩小模型体积，使模型在XR环境中的展示更为流畅和真实，最终形成序列式的XR虚体。

针对建筑模型全景展示的需求，在建筑模型全景展示方面，通过深度整合BIM与XR技术，实现了构件级的交互与沉浸式体验。用户可以在一个全息、互动式环境中，根据建筑的层级结构进行详尽的探索，包括将建筑结构进行爆炸图式拆分，以便于更细致地查看每个部分的细节和关系。对于项目特色，如绿植屋面，可通过爆炸图式的交互式展示进行突出呈现。

在隐蔽工程原位可视化方面，利用C号脚本结合MRTK和ARFoundation框架，将管综BIM模型按专业进行分组，以便在施工和维护过程中的专业化访问和穿透式显示，实现了模型的分专业切换展示和关键节点的爆炸图式拆分等交互功能。用户能够直观地查看通常隐藏在建筑结构内部的管线和设备。通过对关键节点的爆炸图式拆分，用户可以详细审视每个节点的构造和相互连接方式。此外，集成的压力传感器数据能够提供实时压力阈值预警，增加了施工安全性和后期维护的效率。这些进步不仅提升了项目管理的效率，还改善了施工现场的安全性能。

3 施工现场管理应用

3.1 BIM+XR的建筑模型全景展示

3.1.1 人机交互

本项目在混合现实环境下开发，集成Hololens手势交互技术，可使用手势直接操作建筑模型的构件，手势控制使用户能够直观地与三维模型交互，如拖动、缩放或旋转，极大地提高了交互的自然性和效率。另外，考虑到施工现场环境的不确定性，增加了语音指令识别功能，使用户能够在无需物理接触的情况下进行高效的命令输入，进一步增强交互的便利性和灵活性。

3.1.2 全景虚拟沙盘

通过整合BIM+XR技术，本项目创建基于MR的全景虚拟沙盘，为用户提供了一个全方位、多角度观察工程项目的创新工具。沙盘不仅展示了项目的整体轮廓，而且可根据需求调整观察的角度和比例，深化了对项目的理解和洞察。考虑到MR技术使用Hololens眼镜的便携性与易用性相对较低，本项目通过AR技术实现智能手机和平板电脑等移动端设备的便携访问，无需特殊设备即可轻松查看虚拟沙盘。

3.1.3 爆炸图式拆分

通过在三维空间中对建筑结构的各个组件进行分层和分组件展开，实现详细且直观查看建筑模型的方法。可根据需要“爆炸”拆解出特定的部分，从而深入理解各个组件的位置、结构和相互关系。在这种展示方式中，深度的视觉解析使复杂结构变得易于理解。同时，爆炸图也成为一种有效的教育和培训工具，帮助新员工或非专业人员快速掌握复杂建筑的组成。

3.2 BIM+XR的隐蔽工程可视化

在隐蔽工程原位可视化方面，利用BIM+XR技术，实现了建筑整体与机电三维模型的交互式虚实叠加呈现，丰富了项目的信息化手段。针对主会场管综，通过MR技术分专业进行穿透式全息呈现，对关键点爆炸图式拆分展示，开发管道关键点压力阈值预警的特效呈现功能。为了更好地展示复杂的隐蔽工程节点，项目还开发了基于图像跟踪的AR应用，对复杂隐蔽工程节点进行施工质量验收和三维施工交底。

具体到施工流程中，应用BIM+XR技术实现了以下几个关键步骤的优化：（1）施工前放样。施工前实现隐蔽工程一次性放样，提供现场施工参考和指导，如图2所示。该方法极大地提升了施工放样和交底的直观性与效率，为施工团队提供了准确的执行蓝图。（2）施工后辅助验收。施工完成后，可将管综设计模型原位锚定在现场，与已施工的管综实体进行对比，辅助施工质量验收，确保了施工结果与设计预期的一致性。（3）竣工后运维。在运维阶段可穿透隐蔽工程覆盖层，穿透式呈现隐蔽工程内部位置、组成等情况，提供运维阶段的模型支持。

图2 主会场隐蔽工程施工前放样

4 结束语

BIM+XR技术的融合在施工现场管理、项目展示和隐蔽工程可视化方面展现了应用潜力和实际效益。成功地将BIM+XR技术应用于实际项目，不仅能够提高施工阶段的效率和准确性，而且有助于在项目的整个生命周期中实现更加紧密和有效的协作。这种技术集成通过提供直观且互动的视觉展示，大幅降低了项目信息传递中的误差，同时为项目管理和决策提供了强有力的支持。BIM+XR技术的广泛应用有望推动建筑行业的数字化转型，促进更加高效、可持续和创新的工程实践。通过不断探索和实践，建筑行业将能够更好地利用这些先进技术，不仅可提升项目质量和效率，也可为建筑行业的未来发展开辟新的路径。