基于輕量化BIM技術(shù)的施工技術(shù)交底研究

張 凡 郭志光 敖長江 呂柏行 趙韋皓

(中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100073)

引言

在施工單位主導(dǎo)的BIM技術(shù)應(yīng)用過程中， BIM技術(shù)輔助現(xiàn)場的施工技術(shù)交底，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)技術(shù)交底內(nèi)容的可視化展示、4D動(dòng)態(tài)化模擬、5D成本精細(xì)化管控以及信息快速傳遞可追溯，極大地提高了交底效率[1]。

在此背景下，張少朋[2]等提出BIM技術(shù)輔助鐵路橋梁專業(yè)技術(shù)交底，相比傳統(tǒng)“平面+文字”方式交底效率明顯提升，減少了施工偏差；梁華站[3]等以?？诿捞m國際機(jī)場為例，研究了在機(jī)場施工中BIM助力施工對(duì)象特點(diǎn)、位置、數(shù)量、施工做法和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)等交底工作，實(shí)現(xiàn)隔震支座安裝全部合格；王棟[4]等提出BIM技術(shù)在電氣工程中可有效控制施工進(jìn)度，提高設(shè)備安全、電纜橋架敷設(shè)等的方案交底工作效率。

現(xiàn)階段，BIM技術(shù)在施工單位中的應(yīng)用率達(dá)到了近70%，BIM技術(shù)輔助施工技術(shù)交底也得到了普遍的推廣應(yīng)用。但在一定程度上，基于BIM技術(shù)的施工技術(shù)交底的實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件和硬件要求較高，現(xiàn)場技術(shù)人員需要用到建模軟件(Revit、Tekla、Bentley、達(dá)索等)、施工模擬(Fuzor、Navisworks等)、后期軟件(3Dmax、Lumion、BIMFILM等)、平臺(tái)軟件(廣聯(lián)達(dá)、魯班、自主研發(fā)平臺(tái)等)等多款軟件進(jìn)行協(xié)同，同時(shí)需要采購性能高端的圖形工作站。

隨著BIM軟件逐漸國產(chǎn)化，國內(nèi)專家學(xué)者研發(fā)了大量適合于自身BIM應(yīng)用的插件、獨(dú)立軟件和平臺(tái)，大量學(xué)者開始了BIM輕量化的研究工作。馬金忠[5]等在云計(jì)算技術(shù)發(fā)展的背景下，提出一種基于云渲染的B/S架構(gòu)BIM輕量化及應(yīng)用框架，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)等移動(dòng)端中快速渲染和查看BIM模型；趙菲[6]通過Revit的二次開發(fā)，基于JSON中間格式文件，最后通過WebGL技術(shù)進(jìn)行重構(gòu)和渲染，實(shí)現(xiàn)了BIM模型輕量化；張衛(wèi)強(qiáng)[7]等提出一種基于微信小程序的BIM輕量化模型瀏覽系統(tǒng)。

在以施工單位為主導(dǎo)的實(shí)施模式下，業(yè)主、監(jiān)理單位和分包單位等相關(guān)方往往不會(huì)采購圖形工作站和軟件，也不會(huì)配置專業(yè)的BIM人才，極易出現(xiàn)施工單位建立的BIM模型傳遞效果差、BIM輔助技術(shù)交底困難等問題。因此，在施工項(xiàng)目交底的過程中需將BIM模型進(jìn)行輕量化，減少對(duì)軟硬件的依賴性，使工程相關(guān)方在普通的手機(jī)、平板或辦公電腦中即可快速流暢地瀏覽BIM模型。本文將詳細(xì)介紹十三種基于輕量化BIM技術(shù)的施工技術(shù)交底方法，并從信息完整性、數(shù)據(jù)輕量化、軟件功能性、操作復(fù)雜性和實(shí)施經(jīng)濟(jì)性多個(gè)維度對(duì)BIM技術(shù)輔助技術(shù)交底優(yōu)化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)劣勢對(duì)比，從而引導(dǎo)施工項(xiàng)目在技術(shù)交底中選擇契合項(xiàng)目工程特點(diǎn)的輕量化BIM技術(shù)。

1 基于輕量化BIM技術(shù)的施工技術(shù)交底方法概述

利用輕量化BIM技術(shù)進(jìn)行施工技術(shù)交底的關(guān)鍵是對(duì)施工方案中的施工工法、施工工藝流程、細(xì)部節(jié)點(diǎn)做法、安全控制要點(diǎn)及質(zhì)量控制要點(diǎn)等管理要求進(jìn)行可視化的表達(dá)，同時(shí)亦可進(jìn)行4D動(dòng)態(tài)化模擬、5D成本精細(xì)化管控，其最終成果主要為模型、圖片、視頻、文檔和網(wǎng)頁等格式文件。而輕量化BIM技術(shù)的主要技術(shù)要點(diǎn)是減少BIM模型源文件的體量(包含點(diǎn)、線、面等數(shù)量)，使輕量化BIM成果可快速可靠傳輸?shù)浇邮斩耍⑼瓿射秩炯翱梢暬故?。目前，在施工單位?yīng)用的基于輕量化BIM技術(shù)的施工技術(shù)交底方式主要包含三維模型瀏覽、仿真動(dòng)畫模擬、二維BIM施工圖、工藝節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)圖、虛擬樣板間、VR虛擬現(xiàn)實(shí)、AR、MR、“一碼雙顯”物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、EXE模型封裝、帶模型文檔、網(wǎng)頁鏈接及平臺(tái)瀏覽等，各個(gè)方式在信息完整性、數(shù)據(jù)輕量化、軟件功能性、操作復(fù)雜性和實(shí)施經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)維度均有優(yōu)劣，需要在工程實(shí)際應(yīng)用中選擇最合適的方式。下面介紹常用的十三種基于輕量化BIM技術(shù)的施工技術(shù)交底方法。

(1)第一視角三維模型瀏覽

在項(xiàng)目精細(xì)化BIM模型創(chuàng)建完成后，將BIM模型傳遞給需要接底的工程師或班組，由其操作個(gè)人PC終端進(jìn)行第一視角的三維模型瀏覽，如圖1所示為某跨江特大橋三維模型。通過點(diǎn)擊模型任意構(gòu)件，即可查看項(xiàng)目施工模型中的施工工期、施工作業(yè)隊(duì)伍、材料材質(zhì)和工程量等全方位信息。在項(xiàng)目的生產(chǎn)例會(huì)、安全例會(huì)、技術(shù)交底會(huì)、方案評(píng)審會(huì)、監(jiān)理例會(huì)中，也可利用會(huì)議大屏進(jìn)行模型三維瀏覽與展示，向監(jiān)理方、作業(yè)班組、技術(shù)人員和評(píng)審專家等人進(jìn)行交底與項(xiàng)目信息傳遞。

(2)仿真動(dòng)畫模擬

基于BIM的模擬性特點(diǎn)，由項(xiàng)目BIM工程師或技術(shù)人員應(yīng)用BIM后期動(dòng)畫軟件(如3Dmax、Lumion、C4D等)或施工模擬軟件(如Navisworks、Fuzor、BIMFILM等)制作方案的仿真模擬動(dòng)畫，其形式主要包含場景漫游視頻、施工流程動(dòng)畫、工藝要點(diǎn)講解動(dòng)畫、設(shè)備安拆動(dòng)畫和真三維地形模擬動(dòng)畫等，并在視頻中添加技術(shù)、質(zhì)量和安全等控制要點(diǎn)的圖紙、文字標(biāo)注內(nèi)容，最終以視頻播放的形式進(jìn)行交底，如圖2所示為某隧道弧形導(dǎo)坑法施工動(dòng)畫模擬。

圖1 第一視角三維模型瀏覽

圖2 仿真動(dòng)畫模擬

(3)二維BIM施工圖

通過BIM軟件正向設(shè)計(jì)建筑物或?qū)ㄖ┕D紙進(jìn)行翻模，將建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通和電氣等專業(yè)進(jìn)行整合、優(yōu)化排布，繼而輔助施工現(xiàn)場預(yù)留管道洞口，提前進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)與方案模擬。最后按照施工出圖標(biāo)準(zhǔn)，將消除碰撞、預(yù)留空間與洞口、優(yōu)化排布完成的模型進(jìn)行出圖。將3D模型與平面圖紙對(duì)應(yīng)，建立平立剖等平面視圖，輔以三維節(jié)點(diǎn)詳圖、工程量數(shù)量表等進(jìn)行細(xì)部信息表達(dá)，最終打印出二維BIM施工圖，進(jìn)行交底指導(dǎo)現(xiàn)場施工，如圖3所示為某隧道管線二維BIM施工圖。

(4)工藝節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)圖

利用BIM模型可生產(chǎn)高清渲染圖、結(jié)構(gòu)圖、節(jié)點(diǎn)圖、做法層次圖和構(gòu)件爆炸圖等工藝節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)圖，以真實(shí)的材質(zhì)、精算的工程量和空間的三維分層等可視化表現(xiàn)方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)的深度表達(dá)，如圖4所示為某項(xiàng)目試驗(yàn)室墻體工藝節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)圖。

圖3 二維BIM施工圖

圖4 工藝節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)圖

(5)虛擬樣板間

利用BIM軟件建設(shè)虛擬樣板間，可充分展示實(shí)體建造細(xì)節(jié)，模擬施工生產(chǎn)過程和工序，工人在手機(jī)中即可輕量化查看。同時(shí)，可有效節(jié)省實(shí)體樣板占用施工場地，降低工程臨建成本，如圖5所示為某隧道拱架虛擬樣板。

圖5 虛擬樣板間

(6)VR虛擬現(xiàn)實(shí)

基于BIM的VR虛擬現(xiàn)實(shí)囊括計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，提供計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感[8]。VR具有沉浸模擬性、感知互動(dòng)性和自主構(gòu)想性等多種特征，可模擬碰撞打擊、觸電和火災(zāi)等安全體驗(yàn)，亦可身臨其境的查詢施工完成后工程結(jié)構(gòu)的尺寸、位置、工藝工法和材質(zhì)等信息，使施工現(xiàn)場安全與技術(shù)交底更加真實(shí)高效，如圖6所示為某項(xiàng)目員工進(jìn)行VR虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

圖6 VR虛擬現(xiàn)實(shí)

(7)AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

通過將真實(shí)世界信息與虛擬的BIM模型信息進(jìn)行無縫集成，并將疊加的虛擬和現(xiàn)實(shí)信息在同一個(gè)畫面以及空間中同時(shí)存在，通過手機(jī)、平板等終端，輕量化地實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。在現(xiàn)場交底過程中，利用WebAR或微信小程序掃描二維碼交底卡，即可實(shí)現(xiàn)BIM模型與現(xiàn)場環(huán)境的疊加瀏覽。也可按1∶1比例放大模型，在現(xiàn)場中實(shí)地放置虛擬模型來模擬建成后的直觀場景，并將實(shí)景場地與虛擬模型的坐標(biāo)完全對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，如圖7所示為某項(xiàng)目立柱模板AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模擬。

圖7 AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

(8)MR混合現(xiàn)實(shí)

在施工應(yīng)用中，通過穿戴式頭盔、眼鏡等設(shè)備，MR可將施工人員融入一個(gè)集成BIM模型和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的更真實(shí)的場景中，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)、信息遠(yuǎn)程共享和協(xié)同工作，如圖8所示為現(xiàn)場人員操作MR混合現(xiàn)實(shí)頭盔。

圖8 MR混合現(xiàn)實(shí)

(9)“一碼雙顯”物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

通過開放式二維碼平臺(tái)，將文本、網(wǎng)址、文件、圖片、音視頻、模型等文件生成可解譯的二維碼，可展示和記錄施工現(xiàn)場的圖紙信息和過程管理信息。施工人員在低端移動(dòng)端設(shè)備通過掃描二維碼，可輕松的進(jìn)行解譯和查看，實(shí)現(xiàn)施工技術(shù)交底的輕量化和快捷化，如圖9所示。

圖9 “一碼雙顯”物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

(10)EXE模型封裝

通過Enscape、Fuzor、Walk Through-3D等BIM插件，可將施工方案中的模型場景一鍵導(dǎo)出為*.exe格式可執(zhí)行文件，并可以有效保存模型文件的材質(zhì)信息。接底人在自己的電腦中無需安裝BIM軟件，即可打開*.exe模型封裝文件(如圖10所示)，同時(shí)可進(jìn)行模型三維可視化瀏覽和漫游查看，可視化效果較好。

圖10 EXE模型封裝

(11)帶模型文檔

將需要交底的BIM模型導(dǎo)出為FBX格式，在Office365或Office2019軟件中通過“插入-3D模型”命令將FBX模型導(dǎo)入Word、Excel或PPT中。或通過MicroStation、Inventor軟件建立BIM構(gòu)件或場景模型，通過打印圖紙命令生成帶模型的PDF文檔。當(dāng)需要進(jìn)行交底時(shí)，在帶模型文檔添加工序和工藝文字說明，接底人在無需安裝大型BIM軟件的情況下，即可查看帶模型文檔，文檔中的模型可互動(dòng)瀏覽和信息查看，降低了BIM技術(shù)的使用門檻，如圖11所示為PPT中插入3D模型的帶模型文檔。

圖11 帶模型文檔

(12)網(wǎng)頁鏈接

利用Autodesk Drive等輕量化網(wǎng)頁Web端，將BIM模型上傳至云端服務(wù)器，分享生成輕量化的網(wǎng)址鏈接并發(fā)送給接底人。接底人無需打開平臺(tái)和軟件，在手機(jī)或電腦中點(diǎn)擊接收到的網(wǎng)址鏈接，即可在瀏覽器中進(jìn)行模型的旋轉(zhuǎn)、信息查看、視角轉(zhuǎn)換、立面剖切和零件分解等操作，輕量化地將信息傳遞接底人，如圖12所示為網(wǎng)頁鏈接直接瀏覽某橋隧模型。

圖12 網(wǎng)頁鏈接

(13)平臺(tái)瀏覽

基于自主研發(fā)或第三方的平臺(tái)，接底人將方案、交底、模型等數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，在Web網(wǎng)頁端、PC端和手機(jī)APP端進(jìn)行輕量化的瀏覽和查看，線上的數(shù)據(jù)可臨時(shí)緩存到本地瀏覽端，從而提高信息查閱的速度。

圖13 平臺(tái)瀏覽

2 基于輕量化BIM技術(shù)的施工技術(shù)交底方法評(píng)價(jià)

在利用輕量化BIM技術(shù)進(jìn)行施工技術(shù)交底的過程中，方法的選擇對(duì)于交底人的交底效率和接底人的解譯程度有較大的影響。因此，項(xiàng)目管理人員在軟硬件配置、人員水平、管理需求和實(shí)施成本等多種角度考量下，選擇最恰當(dāng)?shù)慕坏追椒@得尤為重要。本文選擇模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)基于輕量化BIM技術(shù)的施工技術(shù)交底的多種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過現(xiàn)場調(diào)研和文獻(xiàn)檢索，整理的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)層次及解釋如表1所示。

表1 模糊綜合評(píng)價(jià)法指標(biāo)層次及解釋表

由于識(shí)別出的因素具有較高的邏輯性和關(guān)聯(lián)性，通過單個(gè)指標(biāo)往往不能判斷交底方法的好壞，因此需要通過定性和定量的方法進(jìn)行結(jié)合，對(duì)交底方法的一、二級(jí)指標(biāo)的應(yīng)用效果進(jìn)行量化表達(dá)。首先，對(duì)行業(yè)內(nèi)施工單位、軟件廠商、高校、建設(shè)單位和分包單位的專家進(jìn)行調(diào)研，對(duì)一、二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行多輪打分，直至形成統(tǒng)一的指標(biāo)權(quán)重值，如表1所示。

其次，邀請(qǐng)專家對(duì)于各個(gè)方法在二級(jí)指標(biāo)的應(yīng)用效果進(jìn)行打分，并將專家對(duì)影響因素打分的“好”、“較好”等模糊評(píng)價(jià)值轉(zhuǎn)義為模糊數(shù)學(xué)中的三角模糊數(shù)M=M(l，m，u)[9]，并通過面積法(公式1-1)將評(píng)價(jià)意見去模糊化，得到清晰的評(píng)價(jià)數(shù)值S(M)(如表2所示)。經(jīng)過多輪專家打分，最終得到專家對(duì)于13種方法統(tǒng)一的評(píng)價(jià)值Sθi(如表3所示)，F(xiàn)1～F13分別代表第二章13種基于輕量化BIM技術(shù)的施工技術(shù)交底方法。

表2 專家模糊評(píng)價(jià)打分表

(1-1)

表3 去模糊的評(píng)價(jià)數(shù)值

表4 應(yīng)用效果相對(duì)值Z

再者，通過公式1-2求得各個(gè)方法在信息完整性、數(shù)據(jù)輕量化、軟件功能性、操作復(fù)雜性或?qū)嵤┙?jīng)濟(jì)性5種特性的應(yīng)用效果相對(duì)值Z。當(dāng)評(píng)價(jià)F1方法信息完整性時(shí)，θ取A，i取1～4，評(píng)價(jià)該方法的其他4種特性類似處理。當(dāng)評(píng)價(jià)F1方法在信息完整性、數(shù)據(jù)輕量化、軟件功能性等5種特性的整體綜合效果時(shí)，θ取A～D，i取對(duì)應(yīng)的1～4。其他輕量化交底方法類似處理，計(jì)算得到所有方法在某種特性或5種特性整體的應(yīng)用效果相對(duì)值Z，如表4所示。

(1-2)

最終，生成13種輕量化方法的應(yīng)用效果相對(duì)值雷達(dá)分析圖(如圖14所示)，綜合考評(píng)13種基于輕量化BIM技術(shù)的施工技術(shù)交底方法在信息完整性、數(shù)據(jù)輕量化、軟件功能性等5種單獨(dú)特性和整體特性的應(yīng)用效果。

圖14 不同方法應(yīng)用效果雷達(dá)圖

3 總結(jié)

根據(jù)不同方法應(yīng)用效果雷達(dá)圖進(jìn)行分析，在信息完整性方面，使用三維BIM模型可以最大限度地保留模型材質(zhì)、坐標(biāo)和尺寸等信息，VR、AR和MR等方式亦能實(shí)現(xiàn)信息的保留； 在數(shù)據(jù)輕量化方面，工藝節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)圖、二維BIM施工圖和網(wǎng)頁鏈接均能有效地降低中間文件大小和成果文件存儲(chǔ)空間，同時(shí)減少冗余信息數(shù)據(jù)； 在軟件功能性方面，平臺(tái)瀏覽、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和網(wǎng)頁鏈接能較好地實(shí)現(xiàn)成果的互動(dòng)性，并可實(shí)現(xiàn)模型的可量測、剖切和顯隱操作； 在操作復(fù)雜性方面，帶模型文檔和EXE模型封裝可降低交底過程的復(fù)雜性，所用的軟件較少，并可實(shí)現(xiàn)快速打開和展示成果； 在實(shí)施經(jīng)濟(jì)性方面，網(wǎng)頁鏈接、帶模型文檔和“一碼雙顯”可以減少交底實(shí)施過程所使用軟硬件、人員管理費(fèi)用成本； 綜合以上5種特性，EXE模型封裝、網(wǎng)頁鏈接、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三種方法綜合應(yīng)用效果最好，可以有效提高BIM技術(shù)操作的簡便性，以較好的表達(dá)效果實(shí)現(xiàn)施工技術(shù)交底，實(shí)施成本較低且信息較為完善。

目前，國內(nèi)施工項(xiàng)目規(guī)模不斷擴(kuò)大，BIM技術(shù)亦如火如荼地發(fā)展，大體量的BIM模型對(duì)軟件和硬件提出了更高的挑戰(zhàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)施工技術(shù)交底的實(shí)際需要，從不同的維度選擇合適的施工技術(shù)交底方法，使用輕量化的BIM技術(shù)來更好地輔助施工技術(shù)交底，從而提升項(xiàng)目管理溝通交流的效率。