基于虚拟现实的BIM在设施管理中的应用研究

发表时间:2019/3/29   来源:《电力设备》2018年第28期   作者:何鑑坤1 朱乐2 何文国3
[导读] 摘要:当前全球的土木建筑业普遍存在各生产环节之间缺乏协同工作、各类重复工作不断两个亟待解决的问题,导致土木建筑行业生产效率低、资源浪费严重,而项目初期建筑设计阶段的反复修改工作,更加剧了生产成本的上升。
        (中水珠江规划勘测设计有限公司  广东广州  510610)
        摘要:当前全球的土木建筑业普遍存在各生产环节之间缺乏协同工作、各类重复工作不断两个亟待解决的问题,导致土木建筑行业生产效率低、资源浪费严重,而项目初期建筑设计阶段的反复修改工作,更加剧了生产成本的上升。建筑信息模型(Building Information Modeling,缩写为BIM)的有效应用可以在一定程度上解决上述问题。为提高设施管理水平,该文提出了一种基于BIM和虚拟现实技术的设施管理系统。该系统可以实现设施管理的数字化、实时化、可视化,为管理人员提供一种精准、高效、直观的设施管理模式与方法。
        关键词:基于虚拟现实;BIM;设施管理;应用研究
        1、前言
        BIM是以三维数字技术为基础的一种建筑集成概念。BIM是在建筑工程全寿命周期中运用动态的建模软件,集成建筑工程各种相关信息的工程三维数据,实施动态的三维实时处理,是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。在建筑工程生命周期的3个主要阶段(设计、施工和运行管理)中BIM对于促进数据信息交换与共享,加快决策速度,降低项目成本和提高产品质量等起到非常重要的作用,实现提高建筑设计、施工及管理效率的目的。
        2、BIM与虚拟现实技术在设施管理中的应用
        2.1BIM技术的应用
        BIM(BuildingInformationModeling)技术在项目的规划、设计、施工和运维等各阶段均有应用,贯穿于工厂建设的整个生命周期。BIM不仅改变了建筑的设计和施工方式,也为建筑的运营维护提供了一种新的方式。BIM竣工模型集成了大量信息,包括设计及施工阶段的数据信息,这些信息可以作为设施管理数据基础的重要组成部分。研究者研究了通过建立基于BIM的设施管理信息系统,可在物业管理和设施维护中利用二维码技术实现信息的高效查询和识别。而基于BIM的建筑空间与设备运维管理系统,也提出了一种整合BIM模型数据与设备参数数据的方案。
        2.2虚拟现实技术的应用
        自1989年美国VPL公司的JaronLanier首次提出“虚拟现实”的概念,虚拟现实技术逐渐发展与成熟,研究应用范围越来越广,包括航空航天、军事、医疗、教育、建筑等多领域。但虚拟现实技术在设施管理方面的研究和应用还不多。鲁文构建了一种非沉浸式虚拟维修仿真平台,应用于复杂设备的维修。刘颖在设备的维护管理中利用虚拟现实技术实现维护管理可视化。高龙、李少华等研究设计了一种基于虚拟现实的火电站设备管理系统,并在某电厂中得到实际应用,提高了设备管理效率。
        传统的二维、三维表达方式不能表现设施的所有信息,通过虚拟现实技术,将与设施相关的所有信息都与虚拟模型关联起来,用户可以在虚拟场景中查看这些信息,使设施管理更方便、快捷。
 
        图1  系统架构
        3、基于BIM与VR的设施管理系统的建立
        3.1系统架构图
        BIM利用数字的形式来表示设施的物理特性和功能特性,除基本信息外,模型还集成了设施从构思到拆除的所有信息。利用虚拟现实技术,集成设施的实时动态信息,使静态的三维模型转换为动态的三维模型,搭建虚拟现实平台,可以对设施系统的内外部空间及其功能进行全方位的展示,为管理人员提供更直接和准确的信息。系统架构如图1所示。
        3.2数据层
        3.2.1数据选取
        数据层中的基础数据主要包括三部分:业务数据、实时数据和BIM模型数据。其中从业务数据库中获取生产计划和生产执行信息,用于维修维护计划、设施状态管理等设施管理业务,需要从实时数据库中获取能源计量信息和物联网信息,用于故障诊断分析和实时信息展示等业务。BIM模型数据主要来自于BIM竣工模型,主要是与设施管理相关联的信息。BIM竣工模型的信息量庞大,有些信息(如施工质量和施工进度信息)对于设施管理来说是没有价值的。直接使用完整的竣工BIM模型会降低数据处理速度,影响系统运行效率,因此需要对BIM竣工模型轻量化处理,进行模型数据的选取。
        3.2.2数据集成
        虽然BIM模型数据主要来自于竣工模型,但是业务数据和实时数据则来自于多种渠道,数据格式有多种类型,不能实现数据传递和共享,因此首先需要实现数据集成。IFC(IndustryFoundationClasses)为建筑行业提供了标准的数据交换接口,系统通过IFC技术来实现数据的集成和共享。如果数据支持IFC标准,可以通过IFC文件解析器进行读写,并能与兼容IFC标准的应用软件实现数据交互。对于不支持IFC标准的数据,通过数据转换接口,实现信息交换和共享,其原理如图2所示。
 
        图2  基于 IFC的数据交互
        3.3应用层
        应用层分为两部分,虚拟现实平台和各应用功能模块。
        3.3.1虚拟现实平台的构建
        虚拟现实平台的搭建主要包括两部分:场景模型的建立与场景驱动。目前较为常用的模型建立工具有3dsMax、Maya及Creator等。与其他软件相比,3dsMax建模功能更强大,制作流程简捷高效,具有丰富的插件,本系统选择3dsMax进行场景模型的建立。场景驱动则需要虚拟现实引擎工具,目前比较常见的有:Vrml、Quest3D、Converse3D、Java3D、Cult3D及Unity3D等。综合比较各种引擎工具,Unity3D引擎开发过程技术要求高,但是其高级渲染效果和用户定制支持远远高于其他引擎,适合工业产品三维虚拟展示交互访问和逼真表现的要求,本系统选择Unity3D作为场景驱动工具。虚拟现实平台是设施管理系统表示层的内核,它提供三维场景的渲染、光影效果、漫游、动画、信息展示等功能。
        3.3.2应用功能模块
        根据实际业务需求,在虚拟现实平台的基础上,搭建设施管理的应用功能模块,主要包块:模型管理、设施位置管理、设施系统分析、设施信息管理、设施故障管理、二维三维关联等。
        3.4客户端
        设置三种不同类型的用户:普通用户、管理人员和主管人员,不同类型的用户拥有不同的系统操作权限。
        4、实际应用
        在基于BIM与虚拟现实的设施管理系统中,用户可以在虚拟中漫游,根据工作需要,查看建筑空间、设备、能源等信息,搜索查阅设施设备的全生命周期资料,维修保养计划、查看设备操作手册,观看检修模拟动画等。本文具体介绍设施位置管理和设施系统分析模块的应用。
        4.1模型管理
        根据设施的空间位置和功能区域,对模型进行版本管理和分类管理,按照管理需求组织模型目录,进行文件命名和编号调整,建立满足设施管理需要的模型体系。在虚拟空间中,浏览检索各子项模型,将厂房建筑和各种设施都以三维图像的形式展现出来。
        4.2设施位置管理
        在虚拟场景中,对建筑进行空间分区,定义每一分区的名称、大小以及空间位置。根据设施实际安装位置,定义设施模型在虚拟空间环境中的位置,将设施模型与空间分区关联起来。根据实际信息流和物流,定义各系统的设施设备、管线及接插件的链路关系。设施位置的管理不仅包括中的可见设施,还包括吊顶、地下部分、墙体中等隐蔽工程。
        4.3设施系统分析
        模型存储了设施设备和管线的链路关系,由设施设备和管线构成的链路与专业子系统或子系统的一部分相对应,在系统中建立三维可视化的各专业子系统的有向图数据模型。管理人员通过本功能在三维可视化环境中浏览各专业子系统,并进行关联性和影响性分析,结合模型集成的资料和实时数据,能够实现对设施设备的精细化管理。
        5、结语
        虚拟电厂集成了设施系统的大量信息,具备真实性、系统性。设施管理人员可以在虚拟电厂中直观、快速地查看所需要的信息,提高了管理效率。随着大数据、物联网、云计算等信息技术的应用不断成熟,设施管理可以利用这些技术进一步完善系统功能,为提高电厂数字化水平、实现智能工厂打下基础。
        参考文献:
        [1]成虎,陈群.工程项目管理[M].北京:建筑工业出版社,2009.
        [2]谢颖、王要武.我国建筑业改革开放的成长轨迹及对策研究[J].工程管理学报,2010(2):119-124.
        [3]傅筱.建筑信息模型带来的设计思维和方法的转型[J].建筑学报,2009(1):77-80.
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