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(jì)、生產(chǎn)、施工、裝修和管理五個(gè)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(dá)。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(jì)階段，運(yùn)用BIM進(jìn)行三維圖形的設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)時(shí)跟蹤、注冊等技術(shù)手段。在建筑領(lǐng)域，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(jì)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑的可視化。此外，AR技術(shù)還可以幫助識(shí)別錯(cuò)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(shí)，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(diǎn)

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(jìn)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(biāo)點(diǎn)，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(biāo)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(xiàng)目計(jì)劃研發(fā)的 BIM和 AR工程質(zhì)量溯源系統(tǒng)，實(shí)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(shí)查閱、更新、管理質(zhì)量信息。

2 工程概況

某項(xiàng)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(xiàng)目管理的信息化程度，項(xiàng)目以BIM應(yīng)用為載體，引進(jìn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)合理利用BIM技術(shù)做好文明施工的規(guī)劃和實(shí)施。BIM工程技術(shù)與AR技術(shù)的結(jié)合，為施工過程中實(shí)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(xiàng)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(jìn)入定位漫游，查看幕墻復(fù)雜節(jié)點(diǎn)施工要點(diǎn)及構(gòu)件信息。本項(xiàng)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(gè)非常重要的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槠涫┕る[蔽，施工工序復(fù)雜，造型獨(dú)特，在實(shí)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(diǎn)，可以準(zhǔn)確、直觀地了解到此節(jié)點(diǎn)實(shí)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(yàn)到實(shí)際施工的情景，便于施工人員快速確定施工方案。

3.2 運(yùn)維管理

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

3.3 碰撞檢測，管綜優(yōu)化

傳統(tǒng)建筑行業(yè)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到施工，圖紙往往存在大量變更，且各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)、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(xiàng)目實(shí)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(xiàng)目各參與方協(xié)調(diào)、配合困難；本文采用BIM+AR技術(shù)進(jìn)行管綜優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1)設(shè)計(jì)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(jìn)行反饋并及時(shí)修改。模型建立完成后，通過REVIT進(jìn)行碰撞檢測，利用AR技術(shù)測量判斷出具體的碰撞點(diǎn)，進(jìn)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(gè)流程：①第一階段：土建和安裝每一個(gè)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(tái)自動(dòng)碰撞檢測并輸出報(bào)告，編寫并提供碰撞檢測報(bào)告；④第四階段：根據(jù)碰撞報(bào)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(jìn)入建筑物內(nèi)時(shí)，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(shí)，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(jìn)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(jī)電管線進(jìn)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(jìn)行過濾。在這個(gè)階段，通過使用BIM數(shù)據(jù)和AR設(shè)備找到問題，及時(shí)讓施工人員進(jìn)行處理，使工程質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，上彎通過；給水管道如果與電線管交叉相碰時(shí)，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(biāo)，定位標(biāo)高尺寸，在實(shí)際施工中準(zhǔn)確標(biāo)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(xiàng)目施工過程中的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)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(zhǔn)確的定位有問題的地方，并作出反饋進(jìn)行及時(shí)更改，實(shí)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(cuò)誤，并制定合理工期和質(zhì)量要求。

4 結(jié) 語

本項(xiàng)目將AR技術(shù)與BIM模型結(jié)合在一起，對土建、機(jī)電專業(yè)進(jìn)行了管綜優(yōu)化，在項(xiàng)目前期，通過BIM技術(shù)，提前找到設(shè)計(jì)圖中產(chǎn)生的錯(cuò)誤并進(jìn)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(gè)項(xiàng)目中，為管理人員提供了豐富的項(xiàng)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(huì)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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