基于VR技術(shù)的工程施工應(yīng)用策略

聶 琿 韓 冬 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1 虛擬現(xiàn)實(shí)綜述

虛擬現(xiàn)實(shí)也被稱(chēng)為VR技術(shù)，是一種融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種技術(shù)為一體的新型綜合信息技術(shù)。VR技術(shù)改變了以往媒介的傳播信息方式，給用戶(hù)帶來(lái)了感官上的真實(shí)性體驗(yàn)。VR技術(shù)可以通過(guò)模擬視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)，協(xié)助人們理解新事物，掌握客觀事物規(guī)律，是科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為第一生產(chǎn)力的實(shí)證。

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)容集成平臺(tái)，利用計(jì)算圖形技術(shù)展現(xiàn)三維模擬畫(huà)面。硬件系統(tǒng)是與外界進(jìn)行信息交互和承載內(nèi)容體驗(yàn)的終端系統(tǒng)，包括各種傳感器輸入設(shè)備、手持式移動(dòng)控制柄、頭盔眼鏡等設(shè)備。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一個(gè)綜合復(fù)合體，離開(kāi)了硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)是不能形成虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界之間的交互體驗(yàn)。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)特性

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要有真實(shí)性、交互性、沉浸性等特征。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和建模渲染技術(shù)的發(fā)展，虛擬畫(huà)面逐漸走向真實(shí)性。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不同于以往直面電腦模型，以上帝視角去看待問(wèn)題，虛擬現(xiàn)實(shí)是利用其真實(shí)性將人融入到虛擬內(nèi)容畫(huà)面中，讓感受者成為其中一份子，沉浸性的感受虛擬世界。同時(shí)，為了增強(qiáng)其真實(shí)性和沉浸性，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)各種輸入輸出設(shè)備將溫度、壓力、光度、濕度等環(huán)境物理量轉(zhuǎn)換為模擬量體現(xiàn)在虛擬系統(tǒng)中[1]。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在的特性，賦予了建筑工程施工管理新的活力，為建筑工程的施工注入了新的科技成分，保障建筑工程的施工安全，為建筑企業(yè)的發(fā)展注入了新鮮的活力，使其得到了新的發(fā)展。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新發(fā)展

2016年是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)商業(yè)運(yùn)用元年，之后幾年由于綜合體驗(yàn)未達(dá)到良好的體驗(yàn)效果，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用一直處于不溫不火的狀態(tài)。5G的高速網(wǎng)絡(luò)解決了觀看VR視頻的流暢度問(wèn)題。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸機(jī)制極大地改善了VR體驗(yàn)過(guò)程中的延時(shí)感、眩暈感，改善了VR的沉浸性體驗(yàn)。隨著5G開(kāi)始大規(guī)模商用以及人工智能、云端技術(shù)的融合發(fā)展，VR體驗(yàn)性得到增強(qiáng)，在接下來(lái)的幾年里5G高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)帶動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)新的發(fā)展。

2 VR技術(shù)在工程施工方面的應(yīng)用

VR技術(shù)在工程施工方面的應(yīng)用不是單一局部的，VR技術(shù)可貫穿整個(gè)工程施工應(yīng)用過(guò)程，包括工程施工前招標(biāo)環(huán)境模擬、工程施工過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)管理、工程施工方案的虛擬體驗(yàn)等

2.1 VR技術(shù)在工程施工前的應(yīng)用

2.1.1 應(yīng)用于工程施工前的工程培訓(xùn)

運(yùn)用VR技術(shù)可以降低企業(yè)對(duì)工程人員的培訓(xùn)費(fèi)用，同時(shí)VR技術(shù)真實(shí)直觀的畫(huà)面效果更容易讓參與培訓(xùn)的人員快速理解相關(guān)工程原理。一些重要設(shè)備是不允許出現(xiàn)操作失誤的，虛擬現(xiàn)實(shí)可以開(kāi)發(fā)出相關(guān)設(shè)備的虛擬演練系統(tǒng)，規(guī)范操作員的操作方式。在工程施工方面，有些復(fù)雜工序需要經(jīng)驗(yàn)豐富的人員進(jìn)行操作，為了培養(yǎng)職員對(duì)其熟練度，開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)其人才隊(duì)伍建設(shè)和保持崗位運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性具有及其重要的意義[2]。在現(xiàn)實(shí)生活中，企業(yè)不可能大范圍模擬火災(zāi)、爆炸、地震等危險(xiǎn)情況，而VR技術(shù)在培訓(xùn)過(guò)程中更容易模擬危險(xiǎn)工況和自然災(zāi)害的發(fā)生，這有助于培養(yǎng)員工的安全意識(shí)和臨機(jī)應(yīng)變處理能力。

2.1.2 應(yīng)用于工程施工前的招標(biāo)環(huán)境模擬

VR技術(shù)可用于工程招標(biāo)環(huán)境的模擬，虛擬演練網(wǎng)上招投標(biāo)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，演練網(wǎng)上工程招投標(biāo)，可以避免人為因素干擾，利用數(shù)字化的準(zhǔn)確性規(guī)范招標(biāo)方式。同時(shí)由于突發(fā)意外不能參與現(xiàn)場(chǎng)招投標(biāo)，也可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程互動(dòng)參與招投標(biāo)。例如，2020年的新冠疫情影響，人群聚集參與活動(dòng)存在感染病毒風(fēng)險(xiǎn)。遠(yuǎn)程視頻會(huì)議解決了不能現(xiàn)場(chǎng)參與招投標(biāo)的難題，如果在視頻會(huì)議中融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，招投標(biāo)工作將更加便捷迅速。VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于信息數(shù)據(jù)的直觀可視化，建筑設(shè)計(jì)信息可以讓施工方直觀感受理解，這樣能夠讓施工方高效快速理解其設(shè)計(jì)理念[3]。

2.2 VR技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用

2.2.1 搭建用戶(hù)與設(shè)計(jì)者交流平臺(tái)

設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶(hù)的需求進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的文件式或者其他多媒體表達(dá)雖然雙方在核心設(shè)計(jì)理念上達(dá)成一致，但是隨著設(shè)計(jì)趨于完善，用戶(hù)會(huì)逐漸增加需求或者改動(dòng)局部?jī)?nèi)容。為了讓用戶(hù)最大化理解設(shè)計(jì)內(nèi)容，充分思考自我需求，通過(guò)搭建虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)性，可以省去中間大量不必要的時(shí)間，讓設(shè)計(jì)者明確消費(fèi)者的真實(shí)需求。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的搭建也方便了設(shè)計(jì)者的自我修正。對(duì)于一些從未涉及過(guò)的難度較大的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者往往根據(jù)之前的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)的不確定性一定程度上決定著方案可行性走向。虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的搭建，可以模擬相關(guān)建造技術(shù)，進(jìn)行虛擬仿真和結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工建設(shè)的難度及可行性分析，做出結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)及優(yōu)化，對(duì)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中潛在的問(wèn)題可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和預(yù)防，防止在實(shí)際的施工過(guò)程中，因?yàn)楣こ痰囊?guī)劃不科學(xué)導(dǎo)致建筑工程存在問(wèn)題的事故發(fā)生。

2.2.2 驗(yàn)證施工方案，施工管理可行性

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬建設(shè)一個(gè)施工環(huán)境，在建設(shè)的施工環(huán)境中應(yīng)圍繞著建筑設(shè)計(jì)場(chǎng)景搭建，建立相關(guān)設(shè)備三維CAD模型和有限元模型，虛擬裝配各種零部件。搭建好了施工場(chǎng)景，可以利用VR技術(shù)的真實(shí)性，模擬不同的施工方案[4]。通過(guò)橫向?qū)Ρ炔煌氖┕し桨?，進(jìn)行優(yōu)劣選擇和方案的改進(jìn)工作。在對(duì)施工方案進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可以開(kāi)發(fā)相應(yīng)的虛擬系統(tǒng)成本評(píng)估，讓核算成本結(jié)果快速生成，對(duì)施工方案進(jìn)行最優(yōu)解選擇。同時(shí)，在模擬不同的施工方案中，融入施工管理測(cè)評(píng)，對(duì)施工方案多個(gè)緯度進(jìn)行比較確定具體方案。在確定施工方案后，施工管理可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，方便管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并改進(jìn)相關(guān)措施。

3 VR技術(shù)在工程施工應(yīng)用策略上的注意事項(xiàng)

VR技術(shù)目的不在于顛覆工程施工的流程與方式，它只是為了更好的優(yōu)化工程施工整個(gè)流程。將虛擬現(xiàn)實(shí)融入工程施工中，首先應(yīng)該注意建筑信息模型構(gòu)建。建筑信息不是點(diǎn)與點(diǎn)，面與面之間的位置關(guān)系，而是整個(gè)模型詳細(xì)的細(xì)節(jié)融合。通過(guò)整個(gè)建筑模型數(shù)據(jù)，施工方可以獲得平面圖施工過(guò)程中所需要的投影圖、建筑部件的材料屬性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的布局圖等[5]。建筑設(shè)計(jì)信息的詳細(xì)構(gòu)建，保證了整個(gè)施工過(guò)程可以合理根據(jù)數(shù)據(jù)信息自動(dòng)化、智能化進(jìn)行操作調(diào)度。VR體驗(yàn)工程施工所需要的硬件設(shè)備并不復(fù)雜，包括具有輸入輸出特性的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、數(shù)字手套、操作柄等設(shè)備，但是為了沉浸性體驗(yàn)，需要具有高性能的顯示器頭盔設(shè)備。

為了提高參與人員的體驗(yàn)感，最主要的是軟件系統(tǒng)能夠營(yíng)造具體完善的客觀世界以及豐富真實(shí)的三維立體圖像，為建筑工程的施工效果以及工程管理效率起到了重要的保障，因此在建筑工程領(lǐng)域里，加強(qiáng)對(duì)VR技術(shù)的運(yùn)用是促進(jìn)現(xiàn)代化工程管理的重要之舉。

4 VR技術(shù)與BIM技術(shù)的融合發(fā)展

BIM技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐漸形成的，建筑模型技術(shù)的發(fā)展改變了以往建筑施工的設(shè)計(jì)技術(shù)。三維可視化技術(shù)降低了過(guò)去對(duì)二維平面圖的依賴(lài)，使用BIM技術(shù)極大地方便了工程設(shè)計(jì)和管理的數(shù)據(jù)交流。BIM技術(shù)最早由美國(guó)公司Autodesk公司提出，從建筑的設(shè)計(jì)到建筑施工管理及項(xiàng)目完結(jié)的整個(gè)過(guò)程，所有關(guān)鍵信息都融于三維立體數(shù)字模型中。BIM技術(shù)具有整個(gè)項(xiàng)目全生命周期管理的特性，與以往傳統(tǒng)施工相比，效率更高，施工管理流程更明確，各個(gè)部門(mén)之間的協(xié)調(diào)性更好。VR技術(shù)與BIM技術(shù)不是獨(dú)立的個(gè)體，因?yàn)橛蠦IM技術(shù)的數(shù)字設(shè)計(jì)基礎(chǔ)支撐，VR技術(shù)所需要的虛擬仿真環(huán)境才具有可搭建性，可實(shí)現(xiàn)性。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，VR技術(shù)將以BIM技術(shù)為依托，逐漸向更深層次融合發(fā)展。目前BIM技術(shù)與VR技術(shù)的結(jié)合主要有兩種形式，分別為間接效果結(jié)合與直接數(shù)據(jù)結(jié)合。

4.1 BIM技術(shù)與VR技術(shù)間接效果結(jié)合

通過(guò)基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)格式提取轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入到相關(guān)VR平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行模型渲染、動(dòng)畫(huà)交互、編程控制等方面處理。BIM模型轉(zhuǎn)換格式一般以中間格式OBJ、FBX、IFC為主，從整體轉(zhuǎn)換效果來(lái)看，F(xiàn)BX應(yīng)該是適配性、兼容性、數(shù)據(jù)保留性最好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式。VR開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要以游戲引擎Unity3D和U4E為主。Unity3D開(kāi)發(fā)VR軟件系統(tǒng)較為便捷但是在整體渲染技術(shù)上不如U4E，開(kāi)發(fā)者應(yīng)該在交互性和真實(shí)性體驗(yàn)上合理選擇開(kāi)發(fā)軟件。

4.2 BIM技術(shù)與VR技術(shù)直接數(shù)據(jù)結(jié)合

基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)軟件可以直接與VR設(shè)備進(jìn)行適配交互，在VR設(shè)備里直接可以體驗(yàn)到建筑模型的空間效果。使用操作手柄可代替鼠標(biāo)鍵盤(pán)的使用，沉浸性的操作模型進(jìn)行視覺(jué)觀察。直接數(shù)據(jù)結(jié)合形式較為簡(jiǎn)單，使用VR設(shè)備觀察具有便捷性 但是在開(kāi)發(fā)關(guān)于VR綜合應(yīng)用軟件上就顯得不足。所以BIM技術(shù)與VR技術(shù)選擇結(jié)合的方式應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析，本身并無(wú)優(yōu)劣之分。

5 結(jié)束語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程施工方面具有自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)于一些重要項(xiàng)目工程采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以規(guī)避系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)和重大設(shè)計(jì)缺陷造成的安全事故。但是盲目追求新技術(shù)不結(jié)合實(shí)際情況，會(huì)適得其反增加額外成本。在開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)，企業(yè)應(yīng)該注重系統(tǒng)的可持續(xù)性、通用性、兼容性，順應(yīng)時(shí)代潮流發(fā)展的同時(shí)也得因時(shí)制宜、實(shí)事求是的發(fā)展。另一方面VR技術(shù)的發(fā)展是促進(jìn)工程施工發(fā)展的必要選擇，通過(guò)VR技術(shù)可以及時(shí)規(guī)避工程施工所潛在的風(fēng)險(xiǎn)，為企業(yè)的安全施工提供技術(shù)保障。