基于BIM技術(shù)的虛擬質(zhì)量樣板應(yīng)用研究

馮天嬌 曾 謀

中國建筑第八工程局有限公司南方分公司 廣東 深圳 518107

質(zhì)量樣板也稱工藝樣板或工法樣板，是一種常見的施工工藝展示方法，主要用于幫助現(xiàn)場人員了解掌握相關(guān)施工部位的工藝工序、施工材料及質(zhì)量效果等，從而指導(dǎo)施工作業(yè)。

目前，質(zhì)量樣板主要以實體為主，長期的應(yīng)用實踐暴露出實體樣板存在著不經(jīng)濟(jì)、不便捷、與綠色施工理念相沖突等問題。

隨著技術(shù)水平的提升和環(huán)保理念的增強(qiáng)，質(zhì)量樣板的呈現(xiàn)方式由最初的現(xiàn)場制作的實體樣板演變?yōu)閹У鬃囊苿邮綐影澹酥两袢瘴覀兯芤姷降牟煌浇橹谐休d的虛擬質(zhì)量樣板，如基于BIM模型所制成的AR質(zhì)量樣板、VR互動式質(zhì)量樣板、質(zhì)量樣板動畫模擬等，這也表明新技術(shù)應(yīng)用能為工程項目管理帶來更多可能[1-6]。

1 應(yīng)用原理

基于BIM技術(shù)的虛擬質(zhì)量樣板應(yīng)用是將所需要表達(dá)的工藝樣板建立數(shù)字信息模型，再結(jié)合多種多媒體交互技術(shù)，虛擬反映出相關(guān)施工部位的構(gòu)造做法、施工步驟等（圖1），體現(xiàn)BIM技術(shù)可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性的五大特點。

圖1 虛擬質(zhì)量樣板應(yīng)用原理示意

2 應(yīng)用過程

2.1 模型創(chuàng)建

選擇業(yè)內(nèi)主流的BIM建模軟件Autodesk Revit進(jìn)行土建類、裝飾裝修類、幕墻類、機(jī)電類等專業(yè)的質(zhì)量樣板模型搭建工作，鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)使用Tekla軟件。根據(jù)行業(yè)規(guī)范、設(shè)計要求、工藝步驟等創(chuàng)建質(zhì)量樣板三維模型，賦予相應(yīng)材質(zhì)和構(gòu)件信息，再根據(jù)使用要求，在模型中酌情添加工藝標(biāo)識標(biāo)牌等構(gòu)件。建模前，參考GB/T 51301—2018《建筑信息模型設(shè)計交付標(biāo)準(zhǔn)》中對模型幾何精度及信息深度的分級規(guī)定，根據(jù)應(yīng)用需求選擇適當(dāng)建模精度，避免模型冗余和工作效率降低等問題。

2.2 展示方式

2.2.1 工藝模擬

在動畫軟件中載入樣板模型，根據(jù)工藝流程及施工步驟，利用關(guān)鍵幀和動畫銜接等功能進(jìn)行動畫制作，通過字幕及配音，對所用技術(shù)、工藝標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)范、注意事項等進(jìn)行釋義（圖2）。針對不同施工關(guān)鍵點，使用對應(yīng)的質(zhì)量樣板BIM模型制作相應(yīng)的工藝模擬視頻，用于交底培訓(xùn)及施工指導(dǎo)，增強(qiáng)交底效果，加深被交底人對關(guān)鍵部位及關(guān)鍵工藝的記憶，從而強(qiáng)化施工交底的作用，對質(zhì)量管理起到實質(zhì)性幫助。

圖2 陶磚幕墻工藝模擬視頻

2.2.2 掌上AR

選擇AR平臺作為數(shù)據(jù)庫，制作和管理AR場景。在場景中將質(zhì)量樣板BIM模型與識別圖或特征物關(guān)聯(lián)起來，場景發(fā)布后，可通過手機(jī)端掃描識別圖或特征物，使質(zhì)量樣板模型在手機(jī)畫面中與現(xiàn)實場景疊加起來，突破時間、空間的限制。其趣味性和互動性為使用者帶來良好的體驗。將打印出來的識別圖發(fā)放給現(xiàn)場人員，供他們隨時掃描查閱，以便更高效地施工。

2.2.3 VR體驗

項目采用HTC vive頭戴式VR設(shè)備，使體驗者“置身”于企業(yè)自主研發(fā)的質(zhì)量樣板互動式培訓(xùn)場景中，其高度逼真的視覺效果與虛擬場景操控功能，使得體驗者可以通過操作手柄，自主演示工藝中的每一個步驟，直觀了解到質(zhì)量樣板中的工藝做法和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（圖3）。

圖3 虛擬質(zhì)量樣板VR場景

2.2.4 虛擬質(zhì)量樣板全景球

利用模擬軟件中的全景功能渲染輸出質(zhì)量樣板模型全景圖像，并發(fā)布到全景平臺中合成全景球，如圖4所示。進(jìn)入編輯狀態(tài)后，進(jìn)行場景標(biāo)注、熱點描述、沙盤添加等模塊編輯，最終以網(wǎng)址鏈接或二維碼的形式進(jìn)行查閱。便捷的瀏覽方式使得虛擬質(zhì)量樣板全景球能在眾多現(xiàn)場人員中廣泛傳播，大大提升了虛擬質(zhì)量樣板的學(xué)習(xí)率。

圖4 虛擬質(zhì)量樣板全景漫游

2.2.5 BIM協(xié)同管理平臺和移動端

在本地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，將質(zhì)量樣板模型傳至BIM協(xié)同管理平臺中的質(zhì)量樣板模型庫里，通過平臺的模型展示功能，可直接訪問質(zhì)量樣板BIM模型（圖5）。平臺管理員可分配訪問權(quán)限給指定人員，使得培訓(xùn)過程中管理人員可隨機(jī)調(diào)用樣板模型并展示到智慧大屏上，操作演示的同時進(jìn)行工藝講解。生動形象的培訓(xùn)方式有利于加深聽眾對于工藝技術(shù)的理解與記憶。

圖5 BIM協(xié)同管理平臺質(zhì)量樣板模型庫

2.2.6 圖冊、展板制作

將質(zhì)量樣板BIM模型根據(jù)工藝步驟進(jìn)行拆解組合并渲染輸出工藝分解模型圖，組圖形成連環(huán)畫般的樣板工藝分解圖冊，將圖冊發(fā)放給現(xiàn)場人員，以供施工參考。還可將樣板模型三維軸測圖等組合制成展板，置于觀摩區(qū)、休息亭、施工文化長廊等地方，為外部人員及內(nèi)部人員提供更豐富的質(zhì)量學(xué)習(xí)內(nèi)容，且有助于企業(yè)營造良好的質(zhì)量文化氛圍。

2.2.7 BIM樣板實操教育一體機(jī)

項目引進(jìn)BIM樣板實操教育一體機(jī)，共涵蓋12種施工樣板（圖6）。使用者可根據(jù)需要，點擊按鍵選擇相應(yīng)的BIM樣板，進(jìn)入樣板展示頁面，再通過樣板介紹、樣板分析、樣板搭建等功能，對該工藝進(jìn)行全面認(rèn)識和深入理解。該模式可實現(xiàn)新入場工人進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，熟悉施工工藝，熟練掌握施工要領(lǐng)。

圖6 BIM樣板實操教育一體機(jī)

3 應(yīng)用效果

虛擬質(zhì)量樣板無論是在傳統(tǒng)工藝還原上還是在新工藝的呈現(xiàn)上，都充分展現(xiàn)出優(yōu)異性。我們根據(jù)相關(guān)工序施工要求和工藝標(biāo)準(zhǔn)，制作出三維樣板模型并賦予材質(zhì)，將工序中的物理參數(shù)、施工工藝、材料樣式、工序邏輯等內(nèi)容可視化，再通過多種媒介和視覺表現(xiàn)方法，使虛擬質(zhì)量樣板得到充分運(yùn)用和更好的推廣，并獲得了較高的認(rèn)可度。

在質(zhì)量培訓(xùn)和施工交底中，工人們通過虛擬質(zhì)量樣板云端模型、動畫模擬等熟悉掌握施工內(nèi)容、施工要點、工藝步驟、驗收標(biāo)準(zhǔn)等，有效強(qiáng)化視覺記憶，大幅提升培訓(xùn)交底效果。而在交互培訓(xùn)中，通過VR、觸摸交互系統(tǒng)等，工人們可以進(jìn)行施工過程模擬操作，其趣味性、互動性持續(xù)引起工人自主學(xué)習(xí)的熱情，這對于提高工人們的質(zhì)量意識和質(zhì)量素養(yǎng)起到積極的促進(jìn)作用。

通過虛擬質(zhì)量樣板的宣傳推廣和落地應(yīng)用，充分展現(xiàn)出企業(yè)對于質(zhì)量控制的高度重視，不僅能為企業(yè)樹立質(zhì)量形象，還能贏得良好口碑。

4 與實體質(zhì)量樣板優(yōu)劣比對

4.1 優(yōu)勢

目前，工程中應(yīng)用的實體質(zhì)量樣板通常為帶底座的移動式樣板，由于安全文明工地評級和工地觀摩活動的盛行，現(xiàn)階段實體質(zhì)量樣板仍然是安全文明工地的標(biāo)準(zhǔn)配置和重要組成部分。但其劣勢也是顯而易見的，即使是縮小比例制作的實體樣板，也存在占用場地面積大、美觀性持久度低、定制成本高、周轉(zhuǎn)費(fèi)用貴、實用性差等諸多缺點。對比之下，虛擬質(zhì)量樣板則充分展現(xiàn)了數(shù)字技術(shù)在先進(jìn)性、實用性、經(jīng)濟(jì)合理性三方面的優(yōu)勢。

1）在先進(jìn)性方面，虛擬質(zhì)量樣板響應(yīng)國家發(fā)展數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等新一代信息技術(shù)的政策，應(yīng)用BIM技術(shù)、多媒體交互技術(shù)、云計算等高科技手段，筑造質(zhì)量管理高地，推動樣板先行理念融入工程建設(shè)的方方面面，為擴(kuò)大信息技術(shù)在施工領(lǐng)域中的影響和發(fā)展添磚加瓦。對比實體質(zhì)量樣板，虛擬質(zhì)量樣板在工程中的應(yīng)用更加順應(yīng)時代潮流，尤其符合建筑業(yè)科學(xué)發(fā)展的規(guī)律。

2）在實用性方面，BIM技術(shù)應(yīng)用賦予虛擬質(zhì)量樣板可優(yōu)化、可修改更新的特性，使用過程中可以方便地根據(jù)新工藝、新方法、新設(shè)想等對樣板模型進(jìn)行優(yōu)化更改，并且快捷地在其他展示端口同步更新。同時，利用多媒體技術(shù)在文字、圖像、動畫、聲音等多種媒體信息方面的綜合處理能力，使得虛擬質(zhì)量樣板的內(nèi)容展示更為全面透徹，工藝步驟描述更為清晰，這對于學(xué)習(xí)者的使用和認(rèn)知更為有利。文中描述虛擬質(zhì)量樣板的載體及傳播媒介可以是移動端、Web端、VR設(shè)備、觸控大屏等多種形式，新穎的展示方法不僅增加質(zhì)量培訓(xùn)學(xué)習(xí)的趣味性，更讓質(zhì)量樣板“移動”起來，工程管理者可以在不同場合有針對性地開展質(zhì)量培訓(xùn)，學(xué)習(xí)者也可以隨時隨地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)及回顧，為質(zhì)量樣板的培訓(xùn)學(xué)習(xí)提供極大的便利，大幅度提升質(zhì)量樣板的使用頻率和普及程度。上述內(nèi)容表明，虛擬質(zhì)量樣板在靈活性、有益性、時效性等方面，都明顯優(yōu)于實體質(zhì)量樣板。

3）在經(jīng)濟(jì)合理性方面，虛擬質(zhì)量樣板在人工及傳播媒介上產(chǎn)生的成本為間接成本，而購買和定制實體質(zhì)量樣板產(chǎn)生的是直接成本，前者較后者在企業(yè)的資金流中占比更小，在生產(chǎn)活動中的利用率更高，經(jīng)濟(jì)效益也更好。作為數(shù)字化產(chǎn)物，虛擬質(zhì)量樣板能更好地實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，而存在淘汰周期的實體質(zhì)量樣板就不容樂觀了。

此外，虛擬質(zhì)量樣板應(yīng)用還充分踐行“四節(jié)一環(huán)?！钡木G色施工理念，它的制作過程相較于實體質(zhì)量樣板，不存在用水和用材等消耗大量資源的現(xiàn)象。利用現(xiàn)有的計算機(jī)、手機(jī)、平板、LED屏等即可實現(xiàn)虛擬質(zhì)量樣板的價值，這些媒介所占用的空間相較于實體質(zhì)量樣板占用的場地面積而言是微不足道的。

在比較受關(guān)注的環(huán)保層面上，虛擬質(zhì)量樣板以數(shù)據(jù)的形式存在于計算機(jī)世界中，它的功能再現(xiàn)依靠互聯(lián)網(wǎng)即可實現(xiàn)，對現(xiàn)實世界不會直接造成污染和破壞等影響，而實體質(zhì)量樣板以物質(zhì)的形式真實存在于現(xiàn)實中，其報廢拆除所產(chǎn)生的廢料是對環(huán)境影響較大的污染源。因此，虛擬質(zhì)量樣板在施工中的應(yīng)用對環(huán)境保護(hù)有著十分重要的意義和價值。

4.2 劣勢

相較于虛擬質(zhì)量樣板仿真模擬后所呈現(xiàn)的虛擬形態(tài)，實體質(zhì)量樣板顯然有著不可比擬的現(xiàn)實效果，無論從質(zhì)量成形觀感還是多角度體驗效果上，實體質(zhì)量樣板始終是難以替代的現(xiàn)實資源。比如噴漿、甩漿、混凝土鑿毛、材料黏合、保溫棉覆蓋之類的工序和材料工藝等，就目前的技術(shù)水平而言，數(shù)字科技無法有效逼真地將質(zhì)量效果展現(xiàn)出來，從而造成虛擬質(zhì)量樣板在擬合材料成形質(zhì)感和產(chǎn)品成形觀感方面的缺陷。

4.3 改進(jìn)措施

可利用全景技術(shù)對現(xiàn)有的實體質(zhì)量樣板或首件樣板等進(jìn)行全景采集，運(yùn)用720云平臺合成和編輯全景球，將其與其他虛擬質(zhì)量樣板全景球集中到同一個全景漫游合集中，使其作為虛擬質(zhì)量樣板的補(bǔ)充，有效彌補(bǔ)虛擬質(zhì)量樣板在觀感上的缺陷。

5 結(jié)語

通過對虛擬質(zhì)量樣板在中山大學(xué).深圳建設(shè)工程項目（Ⅱ標(biāo)）施工過程中的應(yīng)用研究，我們看到了它在質(zhì)量管理中發(fā)揮的巨大價值和重要的宣傳推廣意義。

目前，虛擬質(zhì)量樣板已經(jīng)滲透到日常施工管理工作中，它可以展現(xiàn)施工工藝、明確施工標(biāo)準(zhǔn)、使新技術(shù)可視化等，已然成為輔助施工管理的有效措施和體現(xiàn)工程管理水平的有效招牌。

本文描述的虛擬質(zhì)量樣板應(yīng)用是針對單一項目展開的，但虛擬質(zhì)量樣板是數(shù)字世界中的永久產(chǎn)物，數(shù)字產(chǎn)物的可持續(xù)發(fā)展值得行業(yè)深思，如何使其成為企業(yè)文化資產(chǎn)并得到妥善管理和再利用，是我們下一步的研究方向。