BIM+AR智慧建造技術(shù)的應(yīng)用研究

高展望，李榮榮，喬 洋，付煲云，吳 貝

(天津大學(xué) 仁愛學(xué)院，天津 301636)

1 BIM與AR的概述

1.1 BIM概述

建筑信息模型的過程是包括設(shè)計、生產(chǎn)、施工、裝修和管理五個部分。BIM是數(shù)字技術(shù)在AEC(Architec ture，Engineering Construction)行業(yè)中的直接表達。該系統(tǒng)的各種元件可以數(shù)字化的描述中，將所有信息都集中到三維模型上。在設(shè)計階段，運用BIM進行三維圖形的設(shè)計，專業(yè)協(xié)調(diào)和碰撞檢查，可以避免重復(fù)錄入。在施工階段，BIM輔助施工是為了深化設(shè)計或生成施工深化圖，可以提高總包管理和分包協(xié)調(diào)工作效率。

1.2 AR概述

AR廣泛應(yīng)用多媒體、三維模型、實時跟蹤、注冊等技術(shù)手段。在建筑領(lǐng)域，增強現(xiàn)實允許施工人員、建筑師、開發(fā)人員和客戶在施工的任何階段查看三維建筑和內(nèi)部設(shè)計，從而實現(xiàn)整個建筑的可視化。此外，AR技術(shù)還可以幫助識別錯誤和有問題的工作，從而防止在施工過程中遇到相同的問題。目前虛擬物體的生成主要體現(xiàn)在三維建模的基礎(chǔ)上，可以在三維建模的基礎(chǔ)上充分反映虛擬對象的現(xiàn)實，可以全方位和集體化將物體模型展示出來。

1.3 BIM+AR技術(shù)的功能特點

1)裝配式BIM+AR圖集：將傳統(tǒng)二維圖集制作為可視化的三維交互模型，并進行部分構(gòu)件三維交底模擬，可以方便隱蔽工程的施工。

2)裝配式虛擬施工：基于3 D打印場地制作AR的虛擬施工過程(如市面常見的AR游戲)，顛覆傳統(tǒng)施工模擬。

3)裝配式BIM+AR現(xiàn)場施工：基于BIM模型坐標點，結(jié)合GIS(地理信息系統(tǒng))，通過AR展示形式，在施工現(xiàn)場的相應(yīng)坐標位置可以顯示1∶1建筑信息模型的比例。

4)統(tǒng)一的二維碼質(zhì)量管理入口，本項目計劃研發(fā)的 BIM和 AR工程質(zhì)量溯源系統(tǒng)，實現(xiàn)了二維碼是質(zhì)量數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)終端，方便工程管理者隨時查閱、更新、管理質(zhì)量信息。

2 工程概況

某項目為辦公樓，規(guī)劃總建筑面積為89 500 m2，其中包括72 500 m2以上的地面面積和17 000 m2的地下面積，最大樓層數(shù)為12層，最大高度為64.18 m。為提高項目管理的信息化程度，項目以BIM應(yīng)用為載體，引進增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)合理利用BIM技術(shù)做好文明施工的規(guī)劃和實施。BIM工程技術(shù)與AR技術(shù)的結(jié)合，為施工過程中實現(xiàn)資源節(jié)約和消耗控制提供了技術(shù)支持。

3 BIM+AR技術(shù)在項目施工過程中的應(yīng)用

3.1 查看施工做法

通過掃描二維碼進入定位漫游，查看幕墻復(fù)雜節(jié)點施工要點及構(gòu)件信息。本項目中的龍骨大樣圖的三維模型見圖1，這是幕墻施工中一個非常重要的節(jié)點，因為其施工隱蔽，施工工序復(fù)雜，造型獨特，在實際施工中具有一定的困難。

圖1 龍骨大樣模型

利用BIM技術(shù)將二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維模型，并將信息綜合到模型中，向?qū)I(yè)施工人員展示并講解龍骨的施工工序和施工要點，可以準確、直觀地了解到此節(jié)點實際施工的所有相關(guān)信息。將制作好的施工流程視頻以二維碼的方式保存，并貼在相對應(yīng)的位置，利用AR技術(shù)的專有設(shè)備掃描，便可體驗到實際施工的情景，便于施工人員快速確定施工方案。

3.2 運維管理

項目管理人員通過計算機、圖像處理軟件、傳感器等建立與真實環(huán)境相匹配的虛擬場景模型，通過特定設(shè)備體驗類似于真實環(huán)境的虛擬世界。本項目通過利用BIM技術(shù)和AR技術(shù)及時追蹤施工現(xiàn)場信息，合理給各部門分配工作。運維平臺可以讓各部門及時獲取項目進度信息和項目更改的最新信息，使各部門緊密聯(lián)系，進而保證工程準時完成。

3.3 碰撞檢測，管綜優(yōu)化

傳統(tǒng)建筑行業(yè)項目從設(shè)計到施工，圖紙往往存在大量變更，且各個專業(yè)設(shè)計、施工都存在諸多難協(xié)調(diào)、不合理性，導(dǎo)致了總體成本增加。針對本項目實際情況：專業(yè)覆蓋面廣，管線排布復(fù)雜，專業(yè)交叉施工協(xié)調(diào)難度大，項目各參與方協(xié)調(diào)、配合困難；本文采用BIM+AR技術(shù)進行管綜優(yōu)化設(shè)計。

1)設(shè)計階段：利用BIM技術(shù)將傳統(tǒng)的二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維模型。通過建立模型的過程，對圖紙上出現(xiàn)的問題進行反饋并及時修改。模型建立完成后，通過REVIT進行碰撞檢測，利用AR技術(shù)測量判斷出具體的碰撞點，進行模型優(yōu)化，避免在施工過程中出現(xiàn)返工或停工等情況。

2)碰撞檢測：碰撞檢查工作主要分成以下五個流程：①第一階段：土建和安裝每一個專業(yè)的模型提交；②第二階段：審查和修改模型，模型審查和編輯；③第三階段：系統(tǒng)后臺自動碰撞檢測并輸出報告，編寫并提供碰撞檢測報告；④第四階段：根據(jù)碰撞報告修改優(yōu)化模型；⑤第五階段：重復(fù)上面的工作，直到?jīng)]有碰撞。

模型經(jīng)過碰撞檢測后，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)柱和電氣橋架發(fā)生碰撞，根據(jù)建筑施工原則，槽式大跨距的電纜橋架由室外進入建筑物內(nèi)時，橋架向外的坡度不得小于1/100；電纜橋架與用電設(shè)備交越時，其間的凈距不得小于0.5 m。預(yù)留間距，將結(jié)構(gòu)柱和電氣橋架進行優(yōu)化，如圖2。

(a)結(jié)構(gòu)柱和電氣橋架碰撞

3)管綜優(yōu)化：針對復(fù)雜機電管線進行的碰撞檢查，檢查的碰撞清單可以通過AR設(shè)備在視野的上下文列表中呈現(xiàn)，并針對特定位置進行過濾。在這個階段，通過使用BIM數(shù)據(jù)和AR設(shè)備找到問題，及時讓施工人員進行處理，使工程質(zhì)量符合相關(guān)標準的要求。模型經(jīng)過碰撞檢測后，發(fā)現(xiàn)給排水管道之間的碰撞，根據(jù)管綜優(yōu)化標準規(guī)范：給水管道如果與排水或其他大管徑的自流管道交叉相碰時，上彎通過；給水管道如果與電線管交叉相碰時，下彎通過(見圖3)。

(a)管道碰撞

3.4 預(yù)留孔洞的檢查

經(jīng)過碰撞檢查和優(yōu)化之后，修改二維圖紙，確定預(yù)留孔洞的位置。利用BIM模型的可視化功能，模擬施工并確定施工方案。通過查看BIM模型可以確定預(yù)留孔洞的尺寸、位置，避免和其他工程產(chǎn)生沖突。引入AR技術(shù)，可以利用AR技術(shù)以1∶1的比例將模型顯示在施工現(xiàn)場的對應(yīng)坐標，定位標高尺寸，在實際施工中準確標好給排水管預(yù)留洞的位置。檢查預(yù)留孔洞的結(jié)果如圖4所示。

(a)給排水管預(yù)留孔洞

3.5 施工階段

在BIM+AR技術(shù)在項目施工過程中的應(yīng)用中，設(shè)計師能夠配戴AR設(shè)備以從二維圖紙?zhí)崛∈┕さ挠嘘P(guān)數(shù)據(jù)，在三維模型中找到相對應(yīng)的信息，可以在現(xiàn)場準確的定位有問題的地方，并作出反饋進行及時更改，實現(xiàn)施工現(xiàn)場和模型的信息交互，避免在施工過程中出現(xiàn)錯誤，并制定合理工期和質(zhì)量要求。

4 結(jié) 語

本項目將AR技術(shù)與BIM模型結(jié)合在一起，對土建、機電專業(yè)進行了管綜優(yōu)化，在項目前期，通過BIM技術(shù)，提前找到設(shè)計圖中產(chǎn)生的錯誤并進行修改，避免在施工過程中出現(xiàn)返工或停工的情況。在施工期間，為施工人員提供了直觀的三維模型，利用AR技術(shù)可以讓其身臨其境，從而使施工人員高效保質(zhì)的完成施工任務(wù)。在整個項目中，為管理人員提供了豐富的項目信息，便于各部門之間的協(xié)調(diào)和溝通，大大提高了管理效率。在未來，BIM技術(shù)與AR技術(shù)的結(jié)合會在建筑領(lǐng)域的諸多方面發(fā)揮作用，為建筑行業(yè)增光添彩。

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