基于虚拟现实的BIM在设施管理中的应用研究

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[4]。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[5]。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[6]。

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。

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（Industry Foundation Classes）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[7]，其原理如图2所示。

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、Java 3D、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。

虚拟现实平台是卷烟厂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

根据卷烟厂实际业务需求，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：烟厂模型管理、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，用户可以在虚拟烟厂中漫游，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 烟厂模型管理

根据烟厂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，建立满足烟厂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。用户根据其视角在虚拟模型环境中漫游并查看设施信息，如图3所示。

4.2 设施位置管理

在烟厂虚拟场景中，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。根据烟厂实际信息流和物流，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烟厂中的可见设施，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

烟厂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卷烟厂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，结合卷烟厂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 结论

目前，BIM与虚拟现实技术在设施管理中的应用与研究还不多，本系统结合合肥卷烟厂异地技术改造项目进行了有益的探索与实践。基于BIM与虚拟现实的设施管理系统，在计算机模拟世界中建造一个融入了空间信息，与物理卷烟厂相对应的虚拟烟厂。虚拟烟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烟厂中直观、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，为提高烟厂数字化水平、实现智能工厂打下基础。

参考文献：

[1] 尹奎，王兴坡，刘献伟，胡振中.基于BIM的机电设备设施管理系统研究[J].施工技术，2013，42（10）：86-88.

[2] 过俊，张颖.基于BIM的建筑空间与设备运维管理系统研究[J].土木建筑工程信息技术，2013，5（3）：41-49.

[3] 汪再军. BIM技术在机场水务管网运维管理中的应用[J].给水排水，2015，41（2）：80-83.

[4] 鲁文. 非沉浸式虚拟维修仿真平台开发[D]. 武汉： 武汉理工大学，2010.

[5] 刘颖. 基于虚拟现实的设备可视化维护管理[J].制造业信息化，2015（4）：116-118.

[6] 高龙，李少华，车德勇，等. 基于虚拟现实的火电站设备管理系统设计研究[J].计算机仿真，2014，31（12）：116-120.

[7] 张建平，张洋，张新.基于IFC的BIM及其数据集成平台研究[C].合肥：第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集，2008：227-232.

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