探究BIM、3D打印和VR技術(shù)在市政行業(yè)的應(yīng)用

何文飛 萬成騫

市政工程為人們的生活提供了基本的保障，市政工程的施工效果與城市發(fā)展具有密切的關(guān)聯(lián)性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)以及VR技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)手段開始在市政行業(yè)當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用，并展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，這不僅提高了市政工程施工的效率和質(zhì)量，同時(shí)還降低了施工成本，減少了人力資源的投入?；诖?，本文運(yùn)用文獻(xiàn)分析法、歸納總結(jié)法，分別對這三種技術(shù)手段在市政行業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用問題進(jìn)行了分析與研究，希望為該領(lǐng)域的技術(shù)人員和管理人員提供參考與借鑒。

一、BIM技術(shù)在市政行業(yè)的應(yīng)用

1.BIM技術(shù)在市政地形勘察中的應(yīng)用

市政工程涉及到了城市的道路和橋梁等項(xiàng)目，無論是無人區(qū)道路的開辟還是中心區(qū)域的重新規(guī)劃，都需要做好地形勘察的工作。通過有效的勘察，可以對目標(biāo)地形形成具體化與詳細(xì)化的描述，并基于此對項(xiàng)目進(jìn)行可行性研究和可行性論證，為后續(xù)的設(shè)計(jì)與施工創(chuàng)造條件。在過去，勘探員在地形勘察環(huán)節(jié)需要進(jìn)行人工采樣，要基于施工地的地形、地質(zhì)以及水文狀況等進(jìn)行測繪和勘探，使用GPS進(jìn)行逐個(gè)取點(diǎn)。在遇到復(fù)雜地形與地勢的時(shí)候，勘探員的行動很容易受到限制，最終會對勘察數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成影響。在BIM技術(shù)的支持下，這些問題可以得到解決。勘探員可以通過遙控?zé)o人機(jī)的形式來獲得鳥瞰影像和斜射影像，并通過激光照射反饋雷達(dá)來獲得定位信息，這樣可以使高程數(shù)據(jù)變得更為真實(shí)和準(zhǔn)確。在操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行采樣的過程中，可以一次性獲取多個(gè)點(diǎn)位，并將勘察信息自動導(dǎo)入到BIM軟件當(dāng)中去，構(gòu)建起實(shí)景標(biāo)的模型，這不僅提高了勘察的效率，同時(shí)確保了勘察員的安全。

2.BIM技術(shù)在市政商務(wù)中的應(yīng)用

（1）輔助工程量計(jì)算

很多市政工程都分布在一些特殊的地區(qū)，這些區(qū)域的地形與地勢并不均勻，在對土方開挖、土方回填等進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，容易出現(xiàn)人工手算誤差。而基于BIM技術(shù)，可以構(gòu)建起一個(gè)準(zhǔn)確的地形圖。在該地形圖當(dāng)中，根據(jù)回填高度和回填范圍，就可以將土方量精準(zhǔn)地計(jì)算出來。在傳統(tǒng)市政工程當(dāng)中，工程量的計(jì)算主要是依托于人工套用“經(jīng)驗(yàn)公式”，這不僅會影響施工管理的水平，同時(shí)也容易出現(xiàn)計(jì)算誤差，對其中的各項(xiàng)損耗難以做到精準(zhǔn)控制，不利于對成本的精準(zhǔn)把控。通過BIM技術(shù)，可以構(gòu)建起一個(gè)精細(xì)化的模型，在該模型當(dāng)中對工程量的計(jì)算效果進(jìn)行優(yōu)化。對于市政橋梁結(jié)構(gòu)，還可以構(gòu)建異形參數(shù)化“族”來提高工程量計(jì)算的準(zhǔn)確性，獲得施工的凈用量信息，并以此作為底線獲得真實(shí)的施工成本。

（2）輔助項(xiàng)目資金管理

在市政行業(yè)當(dāng)中，工程施工周期通常比較長，所需要的資金量也比較大。在這個(gè)環(huán)節(jié)，可以使用BIM與5D平臺相結(jié)合的形式來輔助項(xiàng)目資金管理。在平臺當(dāng)中導(dǎo)入資金計(jì)劃信息得到計(jì)劃資金與實(shí)際資金的對比曲線圖，這可以將不同時(shí)間點(diǎn)資金的結(jié)余情況和盈虧情況反映出來。在做好盈虧平衡分析的基礎(chǔ)上，可以找到實(shí)際資金多于計(jì)劃資金的月份，并根據(jù)實(shí)際情況找到偏差項(xiàng)，進(jìn)而對偏差的原因進(jìn)行分析。通過這種方式，管理人員可以更好地對項(xiàng)目的成本進(jìn)行分析。與此同時(shí)，在BIM技術(shù)的支持下，還可以對實(shí)際工日與計(jì)劃工日進(jìn)行對比、將機(jī)械臺班與實(shí)時(shí)臺班進(jìn)行對比，找到工日和臺班浪費(fèi)的原因，并采取有效的措施減少浪費(fèi)，以此對施工成本進(jìn)行有效控制。

3.BIM技術(shù)在市政施工中的應(yīng)用

（1）對施工現(xiàn)場管理進(jìn)行優(yōu)化

在市政工程現(xiàn)場施工的過程當(dāng)中，可以通過BIM建模的形式來使圖紙立體化與直觀化地呈現(xiàn)出來，為施工活動的開展提供指導(dǎo)。同時(shí)，通過場布建模的形式，可以使施工管理人員對施工現(xiàn)場的情況形成全面化了解，并在這個(gè)基礎(chǔ)上對場地進(jìn)行布局。基于三維地形圖，可以對施工現(xiàn)場進(jìn)行策劃、布局以及協(xié)調(diào)。通過這種方式，施工人員可以對更多的施工方案進(jìn)行模擬。同時(shí)，還可以通過渲染漫游、動畫制作等形式將相關(guān)施工工藝展示出來，幫助勞務(wù)人員對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形成深刻的理解，這有利于增強(qiáng)施工交底工作的有效性。

（2）對施工安全管控進(jìn)行優(yōu)化

在市政工程施工的過程中，為了確保施工人員的安全性，就要做好安全管理的工作。在這個(gè)過程中，可以基于BIM技術(shù)構(gòu)建起一個(gè)三維立體化的模型，并基于該模型來對模板和腳手架的搭建進(jìn)行優(yōu)化，通過這種方式來對項(xiàng)目存在的問題進(jìn)行分析和預(yù)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)對施工過程當(dāng)中常見的安全問題和質(zhì)量問題。同時(shí)，管理人員還可以基于工程的地形模型來合理選擇土護(hù)降施工方案，并基于BIM模型來開展模擬實(shí)驗(yàn)，對施工方案的可行性進(jìn)行論證。對于常見的施工安全問題，可以通過精準(zhǔn)定位和跟蹤分析來找到問題的原因并制定處理措施。最后，施工現(xiàn)場的很多勞務(wù)人員難以對圖紙進(jìn)行準(zhǔn)確認(rèn)讀，因此可以在正式施工之前基于BIM技術(shù)來對他們進(jìn)行施工交底，使他們了解施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，關(guān)注危險(xiǎn)部位的施工，避免因?yàn)椴恢槎l(fā)生安全事故。

二、3D打印技術(shù)在市政行業(yè)的應(yīng)用

1.3D打印技術(shù)在市政建筑前期的應(yīng)用

在市政建筑施工前期，3D打印技術(shù)可以將概念圖和原理圖以1:1的比例還原出來，這為設(shè)計(jì)師的前期預(yù)判創(chuàng)造了條件。通過3D打印，可以將建筑模型當(dāng)中很多細(xì)小的結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來，為建筑設(shè)計(jì)和建筑施工提供模型。在建筑設(shè)計(jì)方面，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速成型，在其中融合了機(jī)械、光學(xué)、電子、軟件、材料等多門學(xué)科的內(nèi)容。3D打印產(chǎn)品具有較大的自由度，無論是由點(diǎn)到線、由線到面還是由面到體都可以應(yīng)用3D打印技術(shù)。同時(shí)，3D打印的精度也比較高，可以精確到0.1毫米，在面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的時(shí)候也可以發(fā)揮作用。當(dāng)前，在市政規(guī)劃圖當(dāng)中已經(jīng)開始使用3D打印技術(shù)，這為市政建筑的設(shè)計(jì)提供了一種新的模式，可以對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。3D打印建筑模型的過程包含了拍照、建模以及打印這三個(gè)環(huán)節(jié)。與使用軟件進(jìn)行畫圖模擬、按照圖紙進(jìn)行仿照加工這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式相比，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以使建筑設(shè)計(jì)變得更為準(zhǔn)確和高效。在完成設(shè)計(jì)之后，還可以基于3D打印技術(shù)形成等比例模型，以一種直觀、真實(shí)的形式來了解建成之后的效果，并對項(xiàng)目對周邊生態(tài)環(huán)境帶來的影響進(jìn)行評估。在提交最終設(shè)計(jì)方案的時(shí)候，可以將各個(gè)設(shè)計(jì)階段的成果進(jìn)行連接，使其成為一個(gè)完整的設(shè)計(jì)，將建筑的空間構(gòu)造展現(xiàn)出來，并關(guān)注在成本、安全以及規(guī)格等方面的需求。

2.3D打印技術(shù)在市政建筑中期的應(yīng)用

在市政建筑中期建造的過程當(dāng)中，可以利用3D打印模型來作為輔助，以此來對建筑實(shí)體的細(xì)微部分進(jìn)行處理，將建筑風(fēng)格充分地體現(xiàn)出來，比如內(nèi)飾和外飾材料的選擇，建筑風(fēng)格和內(nèi)部格局等。對于那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部分，也可以基于3D打印技術(shù)來進(jìn)行構(gòu)造，這可以使建筑物的內(nèi)容變得更為豐富和細(xì)致。在建筑構(gòu)件方面，可以基于3D打印技術(shù)來打印相關(guān)構(gòu)件并直接應(yīng)用于建筑當(dāng)中去。比如可以使用選擇性激光燒結(jié)3D打印技術(shù)，基于工件的尺寸來進(jìn)行分段打印。同時(shí)，在工件上設(shè)置卡合的位置，在完成各個(gè)構(gòu)件的打印之后將其拼接起來。通過這種形式，可以完成承重結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)，并根據(jù)市政建筑的需要將其設(shè)計(jì)成任意的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以被用于水路、氣路以及電路等系統(tǒng)當(dāng)中。

3.3D打印技術(shù)在市政建筑后期的應(yīng)用

一方面，在后期可以使用3D打印技術(shù)來將市政項(xiàng)目建設(shè)的成果展示出來。3D打印模型除了可以在設(shè)計(jì)階段和施工階段發(fā)揮輔助性作用之外，還可以在后期作為建筑成果展示的手段。政府可以基于3D打印技術(shù)在將已經(jīng)完成的項(xiàng)目制作成為等比例縮放的模型，并將這些模型陳列在展廳當(dāng)中，以此來將城市景觀體現(xiàn)出來，同時(shí)也可以為市政建筑的設(shè)計(jì)師提供新的設(shè)計(jì)靈感和設(shè)計(jì)想法。另一方面，在市政建筑后期的美化與維護(hù)方面，3D打印技術(shù)也可以發(fā)揮作用。尤其是對于那些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以通過3D打印的形式來表達(dá)出來，并在一些個(gè)性化和特殊化的場合中發(fā)揮作用。

三、VR技術(shù)在市政行業(yè)的應(yīng)用

1.VR技術(shù)在市政建筑交互設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（1）在方案策劃與準(zhǔn)備階段的應(yīng)用

在市政建筑設(shè)計(jì)方案策劃與準(zhǔn)備階段，VR技術(shù)的應(yīng)用可以提高設(shè)計(jì)交互的效果，同時(shí)可以減少重復(fù)性的工作，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的兼容性。一方面，要對建筑施工場地進(jìn)行調(diào)研，并完成場景構(gòu)建。這需要VR工程師深入到施工現(xiàn)場，對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，觀察周邊環(huán)境，并將風(fēng)、光線、視野等自然因素納入并反映到場景構(gòu)建當(dāng)中去，在設(shè)計(jì)當(dāng)中融入實(shí)景，在基于拓?fù)鋵W(xué)集合圖形的基礎(chǔ)上將建筑用地、綠化、交通等設(shè)計(jì)因素進(jìn)行聯(lián)絡(luò)和聯(lián)合，在這個(gè)基礎(chǔ)上對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。另一方面，要對建筑設(shè)計(jì)交互場景進(jìn)行管理，并基于不同的視角來對虛擬場景進(jìn)行檢查。對于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，需要保存視點(diǎn)，這樣可以提高交互的效率。

（2）在市政建筑虛擬交互設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

虛擬交互設(shè)計(jì)的過程通常需要大量建模和多次修改。在該環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)師需要利用虛擬漫游沉浸式的交互體驗(yàn)來對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改與完善，VR工程師還會定期對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修正。在交互設(shè)計(jì)的過程中，還需要充分考慮各方的意見和建議，基于VR技術(shù)可以將設(shè)計(jì)效果更為直觀地展示出來，使各方基于自身的立場來對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行點(diǎn)評。在這之后，設(shè)計(jì)師在充分考慮各方需求的情況下對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行完善，在其中體現(xiàn)討論與反饋的結(jié)果。在整個(gè)交互設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，VR設(shè)計(jì)師都可以將虛擬場景作為起點(diǎn)，從空間尺度和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造再到綠化表現(xiàn)，對設(shè)計(jì)理念不斷進(jìn)行深化，通過對細(xì)節(jié)進(jìn)行完善的形式來提高整體的設(shè)計(jì)效果。

2.VR技術(shù)在消防給排水工程中的應(yīng)用

在過去，在對消防給排水工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要按照國家的規(guī)范要求，基于現(xiàn)有的施工技術(shù)，使用CAD等軟件來完成繪制。繪制成的設(shè)計(jì)圖紙具有較強(qiáng)的專業(yè)性特點(diǎn)，同時(shí)大多是二維的，對于消防員等非專業(yè)人士來說識讀難度是比較大的。在VR技術(shù)的支持下，可以在消防給排水工程設(shè)計(jì)的過程中構(gòu)建起一個(gè)三維立體化的仿真模型，基于工程性質(zhì)和整體規(guī)劃來形成多個(gè)工程設(shè)計(jì)方案，并基于對這些方案的模擬來對消防系統(tǒng)的優(yōu)勢和不足進(jìn)行評估，基于消防參數(shù)、建設(shè)成本等多個(gè)角度進(jìn)行分析，最終選擇最適合的方案來為消防施工提供指導(dǎo)。與此同時(shí)，在VR技術(shù)的支持下，還可以對不同方案下消火栓系統(tǒng)的使用效果進(jìn)行分析，并將方案放在具體的場景當(dāng)中開展模擬試驗(yàn)，最后基于試驗(yàn)的結(jié)果來對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，最終為消防救援工作的開展提供支持。

四、結(jié)語

綜上所述，在市政行業(yè)，BIM技術(shù)可以構(gòu)建起建筑信息模型，3D打印技術(shù)可以將數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的打印，VR技術(shù)則可以通過全息展示的形式來降低設(shè)計(jì)和施工的難度。目前，這三種技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)市政領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，這減少了人力與物力的投入，簡化了施工程序，同時(shí)提高了市政工程的質(zhì)量。在未來，這三種技術(shù)手段還將進(jìn)一步的融合，在市政行業(yè)的更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，推動城市化建設(shè)和發(fā)展。