MR 技术在建筑施工中的应用价值探析

高炼 程普强 王旭阳 亓泽宇 焦峰

0 引言

混合现实（MR）是依托计算机发展而来的一项技术，能够将实体环境、计算机和人结合起来，在保证人机交互的同时，融合计算机感知外界环境的能力，同时保留人与环境的传统现实，MR 技术目前在建筑施工中尝试应用，初步取得良好效果。1994 年国外学者Milgram P 首次阐明MR 技术，其后几十年国内外大量学者研究证实，MR 技术能够满足现实和虚拟交互，引进大数据、计算机等，实现人机交互、虚拟融合，近年来MR 技术尝试在交通、建筑、安保等领域被广泛运用。尤其是建筑施工领域，MR 技术的运用可实现工程方案演示的多元化，通过效果图、二维图、动画视频等方式提前模拟施工，帮助建筑招投标相关单位精准、有效地获得施工信息，提高中标率。本文重点探讨MR 技术在建筑工程中的应用，为设计意图和施工工艺的有效表达提供参考。

1 MR 技术及其价值

1.1 MR 技术

MR 技术虽然在建筑工程施工中的应用相对较少，但从MR技术的出现到现在，该技术在医疗等各个行业得到广泛关注，且都取得良好的应用效果。MR 技术是建立在VR（虚拟实境）技术与AR（增强现实）基础上发展起来的混合技术，将现实场景信息引入到虚拟环境中，能让虚拟与现实世界、用户之间形成一个信息回路，让信息的传递更加高效，也能让用户有更加真实的体验感。MR 技术具有较强的现实感，在虚拟世界建立的建筑模型，可以让用户具有较强的触碰感。MR 技术在应用中所呈现出的特点为：在建筑的施工过程中应用MR 技术，能在虚拟建造、复杂节点三维解读等不同环节发挥其重要作用；在建筑设计与指导施工阶段，通过MR 技术的应用能营造良好的沉浸感与人际互动性，使用者在虚拟环境中如同置身于现实环境，能对建筑的全部信息进行详细展示，在互联网的应用下，可以采取各种操作，且不会受到时空限制，能让使用者对建筑进行360°的全面了解[1]。

1.2 MR 技术的应用价值

MR 技术在建筑施工过程中的应用，能对全建筑生命周期进行展示，能为建筑施工单位提供全新的产品展示方法；在虚拟世界中，利用MR 技术能通过建筑三维模型展示，使用者的视野在MR 设备的帮助下完成旋转、穿越等操作，且使用者可以对建筑模型进行构建；用户在虚拟三维模型世界中，能对建筑的部品、尺寸、材质等进行了解，并能合理编辑数据信息；通过MR 技术的应用展示建筑的不同场景，并能对建筑建造全过程进行系统演示；MR 技术的应用下，为实现绿色建造，可以通过三维虚拟仿真制作，明确绿色建造工艺与细节，确保建筑建造的绿色环保[2]；同时MR 技术可以与多种技术相结合，能在建筑施工中得到广泛运用，满足建筑施工的不同需求。由于MR 技术具有良好的应用价值，能满足建筑行业的发展需求，所以要加强对MR 技术的研究与了解，将该技术合理运用到建筑行业中，能为建筑行业的可持续发展提供帮助，能让建筑设计、施工等各个环节更加高效，全面优化建筑施工全过程，提升建筑工程质量。

2 MR 技术在建筑施工中的应用要点

2.1 建立模型

建立模型要运用BIM 技术，首先，要以网格与楼层为绘制建筑设计图与施工图的依据，在网格帮助下能确保现场放样等工作的准确性，楼层的高度、梁的位置等可以使用楼层线进行表达[3]。在CAD 文档中导入数据信息，建立柱、梁、板、墙等组件，并将其放置在对应的模型上。为实现可视化沟通，要制作彩视图，在建筑三维模型上粘贴材质，实现色彩与光影变化等。最后完成三维模型构建，并能具备输出CAD 图的功能，满足项目工程的个性化需求。

2.2 建立数据库

建立项目管理数据库，要记录与管理项目模型数据库，方便使用者的访问与维护；建立施工管理信息平台，能形成信息集成环境，方便项目经理在平台上共享与使用数据。要形成可视化管理数据库，在数据库中能实现建筑的施工进度，实现可视化管理[4]。在访问数据库时相关人员能完成远程访问，且能按照来访者身份决定项目的可视化部分与程度，确保建筑信息的安全。在数据库中工程师能对项目进度图片及相关信息进行调取、分析与调整，优化施工模拟方案。在数据库中包含建筑的虚拟信息，能为建筑各构件参数的优化，虚拟数据与真实数据的对比提供支持。

2.3 可视化交底

BIM+MR 技术能实现可视化交底，在建筑工程施工中能采用三维动画立体全景方式，分解各个构件，通过动画手段集中展示构件细节，施工技术与工艺能以更加高效、立体的方式呈现在施工人员眼前，强化施工人员对施工工艺的掌握。传统项目工程施工中技术交底以文字描述与口头讲述为主，无法让每一位施工人员对施工工序进行全面理解与掌握，导致在施工过程中存在较大困难，对施工质量产生极大威胁与隐患。BIM+MR 技术可完成定位漫游，在AR 技术应用下，BIM 模型能对现实环境进行加载，让施工人员仿佛置身于真实的环境中，在环境漫游中提升沉浸感，了解施工细节。

在建筑工程中对于一些关键环节、部位可以利用“BIM+MR”的方式构建模型，在模型中多次模拟确定最优方案，然后向工人技术交底时采取三维可视化模拟演习。以建筑工程的砌筑工程为例，对墙体的安全性与质量要求较高，所以可以通过建模合理控制细节，在灰缝、接槎和错槎精准放置每一块砖，能可视化了解墙体拉结筋和构造柱钢筋的布置，明确砌体墙所具备的各个元素。在技术交底过程中，利用MR 技术可以让工人通过可视化模拟演示，加强对建筑工程细节、施工工艺的熟悉与掌握，保证施工人员的施工质量与效率，避免在施工过程中发生质量问题。

2.4 材料用量统计

在建筑工程施工过程中，为了解施工材料用量，可以在建筑模型及结构模型完成的情况下，对建筑材料进行估算，并了解所需的建筑材料用量。以完整的三维设计模型为基础，对不同结构部分的材料进行模拟与统计，并将模型属性信息提取出来写入到Excel 中，在统计文件中保存。

2.5 仿真实验

2.5.1 施工工艺仿真实验

在建筑施工过程中为不断调整与优化施工方案，确保施工的可靠性与合理性，要通过现实仿真实验，对建筑工程施工过程中不同环节的工艺流程进行仿真实验。某住宅建筑从地下一层到地上三层为落地剪力墙框支结构，梁式转换梁设置在第四层，在第五层及以上部分为剪力墙结构。建筑所使用的混凝土等级为C35，从1 层到4 层及屋面的标高分别为1 800cm、9 250cm、12 900cm、4 900cm、2 000cm，从1 层到4 层的层高均为1 600cm，屋面层高为5 100cm。为得到构件强度信息，可以使用平台的信息统计功能，能快速检索相关信息，并得到结构杆件的尺寸、结构用途、成本、体积与造价等相关信息。在检索到信息之后，可以按照当下的市场情况及变化对数据进行调整，从而不断优化构件参数，确保建筑工程施工的精细化与可靠性[5]。

2.5.2 施工进度仿真实验

BIM 技术与 MR 技术的结合，能为施工进度仿真提供支持。在仿真管理软件中导入BIM 模型，让模型与软件相关联，对施工现场的运行状态进行逼真的模拟演示。MR 进度模拟仿真的操作流程如图1 所示。BIM 模型的精细度会决定进度流程仿真模拟精细度。进度仿真流程搭建完成后，工作人员可以戴上MR眼镜进入MR 虚拟世界，对流程细节进行检查并作出评审，给出虚拟方案施工是否具备可行性[6]。为确保虚拟仿真的精确性，必须重视施工临时支撑设施。

图1 MR 进度模拟仿真的操作流程

2.6 构件预制加工

BIM+MR 技术在装配式建筑构件预制加工中的应用，能有效提升预制加工质量与效率，确保构件的精准化，提升建筑功能的安装加工质量。钢结构工厂化预制加工过程中，构件预制加工利用数字化技术，能自动完成建筑构件或安装管线、设备的预制，全面提升建筑工程施工质量，有效控制施工工期，也能减少工程材料的浪费与消耗。钢结构构件工厂化预制加工流程如图2 所示。在三维模型中，能对预制构件工厂加工全过程进行演示，保证预制加工的质量与效率。

图2 钢结构构件工厂化预制加工流程

2.7 全程信息反馈

在建筑工程施工全过程，通过MR 技术的应用，能采取全过程控制策略，及时发现潜在风险隐患，并有效排除风险。在施工过程中不同阶段出现的问题都能及时反馈，并在平台上呈现出来，后续阶段出现的问题可以反馈到前面的各个环节，在问题及思考前置下能对质量与成本进行综合考虑。在数据库中汇集质量控制点与风险点，并在施工过程中不断补充与积累，能为信息的持续应用提供支持，不断提升工程施工质量。

2.8 施工后检查

在建筑工程施工结束后要对工程进行细致检查，确保施工各环节及细节符合相关标准。在施工过程中质量检查的主体是施工人员、管理人员及检查人员，因此在工程完成后要发挥好MR 技术的作用。首先，在对工程质量进行检查过程中，施工人员要实施自检，确保及时发现问题并予以处理，然后管理人员对工程再次进行检查。在检查过程中要利用转化BIM 模型，便于MR 程序的调用，确保MR 程序的高效运行，依照对应关系匹配模型与MR 程序。其次，数据情况及模型中的标识含义由管理人员说明，确保相关人员能了解建筑的相关情况，且能对模型构件的对应位置予以确定。最后，在建筑工程竣工后要将标识设置在指定位置，在MR 程序的应用下，叠加BIM 模型与实体构件，并在对比过程中发现问题所在，然后及时进行处理，提升建筑工程质量。

2.9 运营维护

在建筑工程项目的维护过程中BIM 技术的应用能让管理人员脱离繁乱的数据手册，可以通过模型直观展现数据信息，确保运营维护效率。为让虚拟数据与现实数据进行交互，直观明确展现数据，要充分发挥MR 设备的作用，让BIM 模型中的虚拟数据与真实数据进行有效交互。比如在建筑的管道工程项目开展过程中，管道维修难度较大，但在BIM 云数据库中模型数据的调用，能方便管道维护人员对隐蔽工程信息进行查看，然后在实体空间中放置模型，维修人员能对隐蔽管道的真实空间位置进行真实感受，为管道维修工作的顺利开展提供支持。设备在运行过程中可以在传感器的信息采集功能下，利用蓝牙等距离通信技术实现数据的传输，提升维修人员的数据获取能力。

3 MR 技术在建筑施工中的发展方向

3.1 智慧化发展

MR 与BIM 技术的结合愈加紧密，并通过智能技术、信息技术等先进技术的应用，提升三维可视化水平，让建造更加精确，实现全程优化。MR 技术与BIM 技术、3D 技术的结合越来越密切，并能对传统工程建造管理模式进行改变，提升MR 技术的智能化水平，让建筑工程施工更加精确，且能有效提升施工效率，尤其是在一些视觉盲区的施工过程中，能实现精准施工。MR 技术与互联网技术、智慧工地系统的结合，能实现远程监控，管理人员在手机APP 的应用下远程观察施工现场具体情况，精确掌握施工现场的各项信息。

3.2 5G+MR

5G 时代的到来促进了建筑行业的数字化转型，能将5G 技术与MR 技术、BIM 技术等结合在一起，打造智慧工地。BIM模型构建过程中要获取相关数据，可以在5G 技术应用下，让高清视频信号成为可能，在5G 时代的数据信息传输速度更快。MR 程序在对建筑工程现场远程监控过程中，能在全方位的全频谱超高清视频信号、现场模型和点云数据的实时采集、海量物联网传感设备数据的实时传送等方式下高效完成远程监控工作。在现场通过智能感知，能将现场高清视频传输到管理员这里，便于管理员对现场情况的全面掌握。

3.3 信息化施工现场

为叠加施工现场的建筑与虚拟建筑，并实现虚拟信息与人之间的交互，采用MR 设备与BIM 技术能在复杂多变的施工环境中发挥其作用。在施工现场利用MR 头盔或者眼镜，能实现现实与虚拟信息的交互。MR 设备如同小型移动BIM 数据库，可以随时随地对数据库中的虚拟信息进行调用，并与实际现场进行校验，同时能按照现场实际情况对虚拟数据信息进行修改与更新。在施工现场可以利用服务器BIM 云数据库提供指导，确保虚拟与真实具有可靠的交互能力。

3.4 MR 模型配准

在开发程序中选择虚拟模型中的二维码放置点，为对模型与图像的相对位置进行调整，可以使用Vuforia 开发平台识别，然后在施工现场应用二维码的，施工人员采取“扫一扫”的方式，可以让虚拟模型与现场场景相重合，对现场施工进行指导，保证施工安装的精准性，在施工检查过程中能及时发现误差，并进行调整与处理。在定位时可以在设备自身的定位功能加微调的方式下完成，模型方向的确定可以通过头部的转向确定，模型的位置可以通过目光点控制，如果空间相对较大，需多次完成定位确定工作，且要在辅助模型的微调命令下完成此项工作。在MR 动画指导作用下，在施工前通过按钮在AR 设备中进行模拟演示，清晰观看体验每一道施工工序，并了解关键施工环节的信息，通过手势/菜单选择性播放/暂停/重放动画等，辅助现场施工和技术交底。

4 结论

MR 技术在建筑施工中的应用具有重要价值，能够提升建筑施工的质量与效率，确保建筑施工的可靠开展。MR 技术与建筑施工的高度融合，可实现建立模型、建立数据库、可视化交底、材料用量统计、仿真实验、构件预制加工等多项工作，优化建筑模型，提高施工精准性。现阶段MR 技术在建筑工程中的应用尚处于初期发展阶段，随着科技的发展，MR 技术将会用于模型配准、远程监控施工、施工现场信息化管理等建筑施工工作。MR 技术在建筑工程领域的研究属于全新课题，除本文提到的应用项目外，可结合其他设备继续研究，如GPS、测量机器人等，利用各项设备提供的精准数据，为工程项目提供支持。