AR技術(shù)在裝配整體式結(jié)構(gòu)施工教學中的應用研究

干學宏,王 偉,江晨暉

(浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院,浙江 杭州 311231)

1 概 述

進入21世紀后,國外建筑進入了以標準化、體系化、通用化構(gòu)配件為中心,組織專業(yè)化、生產(chǎn)社會化和供應商品化的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)模式[1-2]。2014年7月,住建部正式出臺《關(guān)于推進建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》,明確提出應大力推動建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化。所謂“建筑產(chǎn)業(yè)化”[3],指用工業(yè)化生產(chǎn)的方式來建造住宅,以提高住宅生產(chǎn)的勞動生產(chǎn)率,提高住宅的整體質(zhì)量、降低成本,降低物耗、能耗。在建筑工業(yè)化發(fā)展的背景下,裝配式建筑的發(fā)展模式百花齊放[4]。作為三大典型裝配式建筑形式之一,預制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)承載力、使用壽命與傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相當,且具有施工周期短、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點,在中國具有更好的發(fā)展?jié)摿5]?！堆b配式混凝土建筑技術(shù)標準(GB/T 51231—2016)》已正式發(fā)布實施[6]。《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》中明確提出“到2020年,裝配式建筑占新建建筑的比例20%以上,到2025年,裝配式建筑占新建建筑比例50%以上”[2]。目前,掌握裝配整體式結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的高素質(zhì)技能型人才相當缺乏,成為制約裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化進程的最大瓶頸。

目前,建筑行業(yè)積極響應國家號召,努力對接行業(yè)需求,依靠“企業(yè)培訓”和“學校教學”兩個支點,全力推進建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化人才培養(yǎng)工作。在裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)的教學實踐中,很多資料努力做到理論聯(lián)系實踐,并精選大量的工程圖片和視頻,但是相關(guān)教學效果總是差強人意。問題在于這些資料無法真正做到理論知識與工程實踐融合貫通。裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)施工過程繁瑣,很多節(jié)點“看不見,摸不著”,而這些節(jié)點恰恰就是質(zhì)量控制的關(guān)鍵。此外,很多行業(yè)專家理論水平很高,但表現(xiàn)手段的缺乏,很多構(gòu)造節(jié)點和施工工藝,盡管花了大量篇幅進行解讀,但學習者最終還是無法掌握?！霸谧疃虝r間內(nèi),深入解剖裝配整體式結(jié)構(gòu)施工技術(shù)”成為建筑產(chǎn)業(yè)化技能人才培養(yǎng)的關(guān)鍵所在。

2 基于AR技術(shù)的裝配整體式結(jié)構(gòu)施工教學設(shè)計

2.1 “增強現(xiàn)實”技術(shù)

“增強現(xiàn)實”技術(shù)(Augmented Reality,簡稱 AR),是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個分支,原本在現(xiàn)實世界一定時空范圍內(nèi)難以體驗到的視覺、聲音、觸覺等實體信息,在科學技術(shù)模擬仿真作用下,疊加在現(xiàn)實世界中再被人類感官所感知,從而實現(xiàn)超越現(xiàn)實的感官體驗的一種技術(shù)[7-8]。AR技術(shù)將虛擬信息疊加到真實場景中,構(gòu)造出虛實三維空間,現(xiàn)實世界與虛擬世界共存,互相增強,營造出似真似幻的曼妙時空,充分調(diào)動學習者的參與意識、互動思維和學習熱情。

2.2 專業(yè)教學與AR相結(jié)合

基于“增強現(xiàn)實”技術(shù),對專業(yè)理論知識進行三維解剖和立體式打造,通過真實環(huán)境與虛擬環(huán)境的情境學習,學習者可輕松克服傳統(tǒng)學習上的認知障礙,學習效果大大提升,在短時間內(nèi)迅速理解和掌握相關(guān)知識節(jié)點。對于講解者而言,在教學講解中深入結(jié)合AR技術(shù),相關(guān)專業(yè)理論知識和節(jié)點構(gòu)造通過立體平臺360°呈現(xiàn),所謂“高深莫測的節(jié)點知識”層次分明,一目了然,達到“所見即所得”,既減少了講解者的工作量,又極大提升了受眾的學習效果。

3 裝配整體式結(jié)構(gòu)施工工藝的AR系統(tǒng)

3.1 技術(shù)方案

研究者深入研究了Cinma4D和Unity3D技術(shù)。CINEMA 4D即4D電影,其本身也為3D軟件,由德國Maxon Computer開發(fā),以極高運算速度和強大的渲染插件著稱,很多模塊功能較同類軟件更先進。Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個讓學習者輕松創(chuàng)建諸如三維視頻、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具,是一個全面整合的專業(yè)引擎。

圖1 裝配整體式框架結(jié)構(gòu)施工工藝流程圖

3.2 研究成果

本研究集中采用了Cinema4D技術(shù)和Unity3D技術(shù),對裝配整體式結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的關(guān)鍵施工工藝(圖1)進行深入解剖和全面分析,精心設(shè)計和打造了裝配整體式結(jié)構(gòu)施工工藝的AR系統(tǒng),研究開發(fā)了三維素材資源、獨立學習程序和課外自學APP。其中,Cinema4D 主要是對裝配整體式結(jié)構(gòu)施工工藝的關(guān)鍵工序和施工節(jié)點進行三維圖片和三維動畫設(shè)計和制作,并形成三維圖片和三維動畫素材。Unity3D技術(shù)則主要負責全系統(tǒng)資源整合和集成,這些資源包括三維圖片、三維動畫、現(xiàn)場照片、現(xiàn)場視頻、考核題庫和其它資料。

3.2.1 三維素材資源

采用Cinma4D技術(shù),本研究設(shè)計開發(fā)了一系列三維圖片(圖2)和三維動畫(圖3)等素材資源,全面構(gòu)建了針對裝配整體式框架結(jié)構(gòu)施工工藝的資源庫,為后續(xù)的AR系統(tǒng)搭建奠定資源基礎(chǔ)。三維資源庫清單見表1。

表1 已開發(fā)三維素材

備注：限于篇幅,表格只羅列部分建設(shè)的三維素材。

圖2 裝配式結(jié)構(gòu)雙排腳手架示意圖

圖3 疊合樓板三維模型

3.2.2 獨立學習程序

本研究形成了AR獨立學習小程序,該程序可以在windows環(huán)境下安裝運行,不受電腦和地點限制,極大的方便了學習者。學習者在任意電腦上打開“AR獨立學習小程序”,程序運行之后,出現(xiàn)指定施工節(jié)點界面,學習者可以自由進行“放大”“縮小”“拉遠”“拉近” “旋轉(zhuǎn)”“進入內(nèi)部”等操作,查看任何想掌握的知識節(jié)點和工藝構(gòu)造做法。見圖4、圖5。在工程實踐中,由于現(xiàn)場條件和施工需要,很多關(guān)鍵節(jié)點被覆蓋隱蔽,即使學習者在施工現(xiàn)場24 h旁站,也無法獲取想要學習的節(jié)點內(nèi)容和知識。獨立學習程序就解決了上述難題,按照工程現(xiàn)場的施工工藝精確建模,為學習者提供了全方位立體式的學習平臺。

圖4 預制柱遠景(拉遠)

圖5 預制柱近景(拉近)

3.2.3 課外自學APP

本研究形成了課外自學APP,APP在手機上進行安裝。APP具備“基本信息”“三維模型”“三維動畫”“現(xiàn)場圖片”“工程視頻”和“試題考核”等功能模塊,將施工現(xiàn)場的一系列技術(shù)要求和數(shù)據(jù)信息立體多維度呈現(xiàn)在手機屏幕上。學習者只須掃描相應識別碼,并用手觸碰相應功能按鈕(圖6),即可學習到相應節(jié)點的多維度立體知識(圖7),建造過程、施工圖紙、現(xiàn)場圖片等一系列知識。在手機普及的今天,學習者易接受這種教學方式。此外,老師可以實時掌握學生答題的情況,學生答題完畢以后,教師可以通過APP隨時查詢學生的答題信息。

圖6 APP系統(tǒng)功能鍵

圖7 對三維模型進行旋轉(zhuǎn)操作

3.3 效果分析

研究者組織對建筑產(chǎn)業(yè)化有興趣的學生進行自學,測試獨立學習程序和課外自學APP。為了確保研究效果,所有學生對裝配整體式框架結(jié)構(gòu)施工工藝都沒有事先接觸。為了準確評估課外學習效果,研究者抽選建筑工程技術(shù)專業(yè)的50名學生,安排其在計算機機房對“雙排腳手架、預制梁框架柱安裝”進行了40 min的自習,自習后進行了學習效果自測和學習感受問卷調(diào)查。從自測及調(diào)查數(shù)據(jù)得： 答題的正確率為100%,學習體驗良好率為96%,建議推廣的比率為88%。此處,“建議推廣率”為“明確建議在教學中進行大規(guī)模推廣”的學習者數(shù)量與學習者總數(shù)的比值。

在規(guī)定時間和地點內(nèi),學習者順利完成了相關(guān)學習內(nèi)容,答題正確率100%,且學習者學習體驗最佳率達到75%,良好率達到了96%,只有2名學習者體驗一般。88%參與者明確建議,其他專業(yè)課應采用這項模式和技術(shù),對傳統(tǒng)內(nèi)容進行立體式多維度打造和重建。教學運行的測試表明：本系統(tǒng)大大革新了傳統(tǒng)教學資源和教學方法,學習者在裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)施工工藝的學習過程中,體驗非常愉快,對知識掌握速度快,學習質(zhì)量好。

4 結(jié) 語

結(jié)合Cinema4D技術(shù)和Unity3D技術(shù),本研究針對裝配整體式結(jié)構(gòu)的施工工藝和關(guān)鍵節(jié)點開展了大量的研究工作,基于AR技術(shù)對傳統(tǒng)教學難點進行三維立體式打造,形成了“三維素材資源”“獨立學習程序”和“課外自學APP”。相關(guān)教學實踐和測試表明,通過真實環(huán)境與虛擬環(huán)境相結(jié)合的情境學習,學生可輕松克服傳統(tǒng)學習上的認知障礙,學習效果大大提升。對教師而言,節(jié)省下來的教學時間又可以輔導學生其他學業(yè),使教學活動進入良性循環(huán)。

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