BIM+VR技術在公路施工中的應用研究

王勇，陳輔偉，李揚

（1.甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，蘭州 730000；2.甘肅路橋公路投資有限公司，蘭州 730000）

1 引言

中國的交通發(fā)展已處于世界領先地位，擁有完善的交通基礎設施，并且隨著信息化時代的到來，各種信息技術在交通工程中得到了廣泛應用?，F階段，BIM 技術作為信息化的技術手段，正在逐漸改變傳統(tǒng)的項目管理模式，BIM+VR 技術的應用極大地提升了公路工程建設的智能化和科技化水平，在工程施工方面可以有效提升施工安全性，幫助管理者有效開展工程施工交底工作，在提升各種施工項目管理者和建造者施工技術的同時，提升工程質量和整體進度。對此，本文針對BIM 技術和VR 技術的結合進行研究，旨在發(fā)掘更多的應用點和創(chuàng)新點，從而更好地促進行業(yè)發(fā)展。

2 BIM+VR技術概述

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型，是一種全新的工程技術手段，以工程項目的各項相關信息數據為基礎建立三維模型，通過數字化仿真模擬項目所具有的真實信息。支持各專業(yè)協(xié)同工作、項目的虛擬建造和精細化管理，為交通運輸行業(yè)的提質增效、節(jié)能環(huán)保創(chuàng)造條件[1]。

VR（Virtual Reality）虛擬現實，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬環(huán)境的三維仿真系統(tǒng)技術，利用計算機模擬環(huán)境，融合多源信息，使用戶沉浸到該環(huán)境中。在施工可視化方面，VR可以增強施工方案的成果展示效果，幫助施工人員了解施工過程。

BIM+VR 技術結合了兩種技術的特點，充分利用VR 技術使BIM 應用多元化，以擁有信息數據的模型為基礎，通過仿真模擬系統(tǒng)，給予用戶沉浸式體驗，加強可視性和交互性的同時，也提升了資源的整合能力。BIM 技術已逐步滲透到建筑施工領域，VR 技術帶給了人們不一樣的感知體驗，兩者的結合對于增強相互領域間的技術層次起到了重要的作用。

3 BIM+VR技術研究現狀和發(fā)展動態(tài)

近幾年，隨著BIM 和VR 技術的快速發(fā)展，這兩項新技術在施工領域的應用逐漸被推廣。兩種技術協(xié)同解決了施工過程中成本大、時間長的問題，使施工過程更快、更精確、更靈活，使技術人員可以更加有效地開展工作。利用BIM 技術建立的工程模型，可以將BIM 技術與VR 技術相融合，技術人員通過VR 技術可以全方位地體驗施工過程和現場空間尺寸，并且可以直觀地觀察材料的形狀和空間的采光，對于施工整體可以具有更加真實的體驗，施工人員可以更直觀地感受施工現場，從而提高施工效率與質量。

國外對于BIM+VR 技術的研究更重視發(fā)掘設計工具和設計思維，并將該技術用于建筑設計過程中，研究軟硬件的結合方式，以及通過技術優(yōu)化來實現BIM 模型的實時渲染，闡述了未來信息建模的潛力。BIM 技術的實質是建筑項目中應用信息技術的一種模型構建技術，可以幫助整合工程中的各種信息數據，形成三維化的立體模型，幫助對建筑進行更為精細化的管理，提升施工工程的管理水平。這一技術最早由美國研發(fā)，其應用范圍自問世起不斷擴增，相比中國，西方國家更早接觸BIM 技術，實踐經驗也更為豐富。

4 BIM+VR技術開發(fā)和背景

4.1 項目背景

本文以通渭至定西高速公路工程BIM 技術與應用為例進行分析。該項目路線全長114.831 km，一期工程路線全長110.371 km。依托工程中涉及的Ⅴ、Ⅵ級圍巖黃土隧道施工安全問題為切入點，結合BIM+VR 技術，開發(fā)VR 隧道施工培訓系統(tǒng)。通過三維可視化手段對施工安全教育、施工事故模擬、施工方案技術交底進行仿真模擬，提升工程施工協(xié)同效率與質量，降低項目溝通及建設成本，強化施工作業(yè)人員的安全意識，創(chuàng)新工程專業(yè)人才的培養(yǎng)模式。

4.2 BIM+VR技術開發(fā)

將BIM 技術與VR 技術進行結合時，針對項目道路、橋梁以及隧道等建筑采用Bently 公司開發(fā)的Microstation（構件）、OpenRoads Designer（道路）以及OpenBridge Modeler（橋梁、隧道）專業(yè)建模軟件進行精細化建模，并通過自主研究的減免算法，大幅減少模型幾何面數，實現大場景、復雜模型在三維環(huán)境中的加載，運用先進的虛擬引擎開發(fā)可視化仿真系統(tǒng)，性價比高、功能強大、動畫制作成本低，一方面便于從場景環(huán)境綜合效果進行考慮項目方案，另一方面提高了畫面幀率，支持多種格式的模型導入，并且自身包含豐富的工程施工器械設備、施工場景和施工人員，而且還具有簡單易用的工具，可以進行極度細化的分析器，從而在環(huán)境、場景以及角色等不同資源中進行應用。

5 BIM+VR技術在施工過程中的應用

5.1 施工設計改良

在公路工程施工專項方案制訂過程中，施工管理人員通常需要考慮各種因素，運用BIM+VR 技術可以通過施工圖模擬不同的施工場景和施工順序，從而直觀地了解施工過程，將難以理解的施工方案通過可視化的方式表達出來，便于及時發(fā)現問題，選擇最合理的方案并及時整改，使施工流程得到優(yōu)化。傳統(tǒng)的施工方案制訂局限于二維圖紙，僅從整體設計效果進行分析還無法避免在細節(jié)當中所遇到的問題，會對項目工程的施工效率和工期產生影響，因此，需要全方位地考慮相關施工因素[2]。例如，在隧道施工過程中，需要針對隧道的不同圍巖等級選擇不同的開挖方式，避免在開挖過程中由于方案不合理而出現工作面坍塌、找頂不徹底、開挖進尺過大、開挖作業(yè)支架失穩(wěn)等危害。采用沉浸式的VR 體驗方式，可以更為詳細地了解設計缺陷，從而及時優(yōu)化和改進相關問題。除此之外，施工方通過應用VR 技術，可以有效地向甲方展示相關施工方案的視覺效果，從而提升業(yè)主的滿意度。

5.2 施工交底模擬

在施工技術交底工作中，BIM+VR 技術可用于推廣標準化的工程施工可視化交底，相比于傳統(tǒng)紙質化交底模式，該技術的應用有效地提升了技術交底的效率。傳統(tǒng)的施工技術交底模式趨向于口頭闡述和紙質化說明，無法直觀展示施工過程，如果以三維可交互的形式動態(tài)展示施工工藝每個步驟細節(jié)的標準化工藝模擬，可以真實地演示施工方案的動態(tài)過程，加深施工人員對施工工藝以及技術規(guī)范的理解和記憶，從而減少在施工過程中產生的錯誤和誤差，對施工單位降低溝通成本、提高工程質量和保證施工工期方面起到重要作用[3]。

5.3 安全教育培訓

在施工人員進行施工作業(yè)前，安全教育培訓必不可少，認真做好培訓工作對整個工程來說至關重要。在施工安全培訓工作中，通過BIM+VR 技術可以有效提升施工人員安全防護意識。傳統(tǒng)的施工管理人員在進行施工安全教育培訓時所用到的方式一般為兩種：（1）通過紙質化的交底方式現場進行安全技術交底；（2）通過每月的安全生產例會對施工班組管理人員進行安全教育培訓。這兩種方式存在的弊端在于培訓形式單一，紙質化的培訓方式不夠清晰，對于經驗不足的施工人員而言還無法明確工程施工中的相關危險施工區(qū)，且無法完全掌握具體的安全施工方法。因此，使用BIM+VR 技術，在三維場景中通過體驗不同的模擬演示，首先可以讓施工人員清晰地了解施工中所遇到的危險因素，比如，安全帽撞擊體驗、高空墜落體驗、隧道逃生體驗、綜合用電體驗、安全急救體驗等，對于施工人員而言，安全合理的施工方式是工程能順利進行的有效保證[4]。

5.4 施工場地規(guī)劃

在建筑工程的施工場地規(guī)劃工作中，運用BIM+VR 技術，可以使場地規(guī)劃的合理性得到有效保證，同時還能夠科學規(guī)劃施工流程。具體而言，在應用BIM+VR 技術開展場地規(guī)劃工作時，首先，施工企業(yè)通過應用BIM 技術可以進一步提升場地規(guī)劃設計的精確性和科學性，而應用VR 技術則可以展示場地規(guī)劃的可視化模型，從而清楚地展示工程施工效果[5]。其次，在應用BIM+VR 技術時，還可以合理設計場地規(guī)劃的相關細節(jié)內容，具體包括植物種植、路燈設計等，使場地規(guī)劃效果得到有效提高，合理控制工程的施工成本。

6 BIM+VR技術在工程施工中的意義

6.1 優(yōu)化施工流程

項目建設初期，一些設計上的誤差和不合理之處還無法從施工圖紙上發(fā)現，通過BIM+VR 技術，可以對可能出現的錯誤和沖突提前預知，而這些未知的情況可能會導致最終工程預算的超支和工程項目的延期。所以，將BIM 技術和VR 技術兩者的優(yōu)點結合，對于工程優(yōu)化起到了重要的作用。

6.2 提升施工技術交底效率

施工前的施工技術交底對于整個項目的進展同樣起到了至關重要的作用，而BIM+VR 技術無疑成為施工管理者和施工人員兩者溝通的快速通道，有效的施工技術交底可以提升施工管理者的管理水平，讓施工人員更好地理解施工工藝，減少返工，對于兩者都起到了提高工作效率的作用。

6.3 提高施工安全意識

安全是每個項目建設周期都需要關注的問題，防止安全事故的重點不僅僅是完善制度和優(yōu)化設備，更需要提升每個施工管理人員和施工人員的安全防護意識，尤其是對于剛剛進入現場工作的新人，有效的安全培訓教育顯得尤為重要，施工人員對施工中所能遇見的危險提前預知可避免在作業(yè)當中事故的發(fā)生。因此，VR 技術通過合理設計工程施工中可能存在的安全事故情況，從而進一步提升施工人員的安全意識。

7 結語

綜上所述，隨著時代的發(fā)展，BIM+VR 逐漸成熟，相關施工企業(yè)逐漸加大對此項技術的應用力度，將兩者技術結合，充分發(fā)揮了二者技術的優(yōu)勢，在數據模型的基礎上，提供可視化功能，真正做到讓施工觸手可及。在提升施工企業(yè)管理水平的同時，也為工程施工創(chuàng)造了有利條件，全面提高建筑工程的建設水平，促進城市的現代化發(fā)展。