基于BIM+VR 技術的虛擬樣板在施工管理中的應用研究

周兆銀，余政，周治臣，謝艷，蔡碩累

（重慶科技學院 建筑工程學院，重慶 401331）

0 引言

為確保工程建設項目的質量管理、安全管理、進度管理等工作順利開展，針對新技術、新工藝、新材料或者存在重點、難點工藝的節(jié)點，根據設計圖紙和相關規(guī)范標準文件搭設實體樣板展示區(qū)，使接受展示的人員可清楚了解該節(jié)點的質量要求、施工工藝及注意事項等內容[1]。目前，實體樣板展示區(qū)面臨的問題主要有以下三點[2]：第一，由于樣板區(qū)占地面積較大，易造成施工場地浪費，影響施工現(xiàn)場部署；第二，傳統(tǒng)實體施工樣板區(qū)無法移動，拆除后無法回收利用，產生大量建筑垃圾，且多采用通用、常規(guī)標準做法，對于復雜且具有嚴格施工工藝標準的節(jié)點區(qū)域無法準確、細致表達；第三，實體施工樣板區(qū)需耗費較多人力、物力和財力，增加成本支出。

隨著數字化技術的發(fā)展，建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）技術、虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）等技術被應用于建筑設計、施工管理中，如建筑師在設計過程中可對三維建筑模型通過運行碰撞檢查，進一步優(yōu)化工程設計，減少在施工階段因設計問題導致的返工及損失；VR 技術可以使作業(yè)人員沉浸式體驗各種危險性高的場景，通過虛擬安全體驗區(qū)進行真實互動，學習安全知識和技能，有利于提升作業(yè)人員的安全意識，降低事故發(fā)生率。

基于實體樣板存在的問題及數字化技術在建筑業(yè)發(fā)展中的應用，并響應“十四五”高質量發(fā)展號召，將BIM 技術、VR 技術與樣板結合，搭建一種隨時、高效、準確、信息化和智能化的樣板引路，充分發(fā)揮BIM 技術的可視化與VR 技術的交互性等優(yōu)勢，使BIM+VR 技術的虛擬樣板在施工管理中精確模擬工程建設項目現(xiàn)場的施工情況，及時發(fā)現(xiàn)和掌握施工過程中出現(xiàn)的各種問題與隱患。通過三維動態(tài)化、虛擬化的安全情景模擬進行虛擬事故演練，有助于施工階段實現(xiàn)全方位安全監(jiān)督與管理，從而替代傳統(tǒng)建筑行業(yè)中對實體樣板展示區(qū)的定義，有效克服實體樣板展示區(qū)搭設成本高、周期長、選址受限、材料浪費等問題，實現(xiàn)節(jié)地、節(jié)材、節(jié)能的綠色施工管理理念。

1 基于BIM+VR 技術虛擬樣板的構建

1.1 基于BIM+VR 技術的虛擬樣板總體設計

基于BIM+VR 技術的虛擬樣板的總體設計主要由基礎層、資源層、支撐層和應用層四個部分構成?；A層、資源層共同構成BIM+VR 技術的虛擬樣板，基礎層包含計算機軟硬件、計算機網絡以及數字化技術，通過基礎層提供的設備和技術使資源層的各項文件內容在BIM 平臺和VR 平臺中準確表達，并將成果上傳至云存儲平臺。其中，資源層的各項文件內容隨工程建設項目的不同而變化。在支撐層中，各建設主體均可隨時提取與共享所需信息，通過基礎層和資源層對信息進行查看和修改，使BIM+VR 技術的虛擬樣板應用到實際的施工管理中，滿足其他工程建設項目的需要。應用層包括企業(yè)形象宣傳、優(yōu)化施工方案、技術交底、安全教育、培訓考核等內容。該設計可提前發(fā)現(xiàn)施工組織方案在演示過程中存在的風險因素，使各項資源得到合理分配；可實現(xiàn)信息快速查詢，呈現(xiàn)形式多樣化，打破傳統(tǒng)技術交底的枯燥性；可以體驗與建筑三維模型融合的交互式三維動態(tài)視景和實體操作的VR 場景模擬，以達到安全教育與培訓考核的目的。基于BIM+VR 技術的虛擬樣板的總體設計如圖1 所示。

圖1 基于BIM+VR 技術的虛擬樣板的總體設計

1.2 基于BIM+VR 技術的虛擬樣板構建流程

完整的BIM+VR 技術的虛擬樣板的構建流程中，首先以BIM 技術為載體，將收集的資料注入建筑三維模型中；其次，以VR 技術為媒介，使建筑三維模型在VR 平臺中實現(xiàn)具有交互性的施工模擬、VR 場景模擬；然后，將成果進行分類、匯總，為其他工程建設項目做好二次使用準備；最后，通過數字化技術實現(xiàn)施工方案優(yōu)化、技術交底、安全教育、培訓考核等管理環(huán)節(jié)，進一步突顯BIM+VR 技術的虛擬樣板在施工管理中的作用。構建過程主要包含四個部分，如圖2 所示。

圖2 基于BIM+VR 技術的虛擬樣板的構建流程

1.2.1 收集資料

結合工程建設項目的需要，選取針對性的施工節(jié)點，通過查閱設計說明及圖紙獲取該節(jié)點在施工中所需要的材料型號、用量，施工工序等信息。根據現(xiàn)行相關規(guī)范標準、勘察報告等文件，檢查設計圖紙內容是否滿足國家強制性標準。充分理解相關技術資料后再進行建模，保證后期建模的準確性和真實性，可指導現(xiàn)場施工，起到樣板現(xiàn)行的作用[3]。

1.2.2 模型搭建及渲染

（1）通過Revit 軟件建立虛擬樣板模型，在建模過程中通過信息錄入確保模型的精度和準確度，如各構件的形體、尺寸、結構層次等。在此階段，利用BIM 技術的輕量化、精細化等特點，使虛擬樣板模型具有體型小、易轉存的優(yōu)勢和拆分、隱藏等功能。

（2）將模型導入Lumion 軟件中進行渲染，給予模型真實材質、紋理等，以更好地表達實際施工場景。利用Lumion 軟件中的視頻編輯器和相機-拍照欄窗口，導出HD MP4 視頻文件和圖片，借助數字化技術生成二維碼，與企業(yè)公眾號或施工管理平臺相關聯(lián)，可實現(xiàn)用戶群體在線上不受限制地進行輔助學習，間接宣傳企業(yè)形象，提升企業(yè)知名度。

1.2.3 虛擬場景制作

在此階段，VR 技術是核心。利用Fuzor 軟件對模型的施工工序、施工工藝等信息進行動畫制作，必要時在動畫中添加語音說明或文字備注，對現(xiàn)行相關規(guī)范標準、質量驗收標準等內容進行詳細闡述，并轉化為支持移動端格式的文件，發(fā)布在移動端Fuzor App 上，即可在移動設備中自由瀏覽、批注、測量、查看虛擬樣板模型信息。通過電腦端Fuzor 軟件與HTC VIVE 的接口，連接頭戴式顯示器和手柄，佩戴防護設施，以第一人稱的視角進入虛擬場景，體驗基于BIM+VR 技術的虛擬樣板展示的逼真效果。

1.2.4 成果存檔及輸出

基于BIM+VR 技術的虛擬樣板的呈現(xiàn)方式包括BIM 模型、HD MP4 視頻文件、圖片以及VR 虛擬場景等，將上述內容按專業(yè)性質、工程部位進行分類、匯總，使布置更合理，查找更方便。同時，為滿足其他工程建設項目的需要，施工中使用相同或者相似的施工工藝時，可在BIM 模型數據庫和VR 場景模擬數據庫中導出后，直接使用或輕微修改后重復使用，減少不必要的重復性建模工作，提高虛擬樣板的使用率。

2 基于BIM+VR 技術的虛擬樣板在重慶某高校建設項目中的應用

2.1 工程概況

重慶市某高校檔案館建設項目，總建筑面積29934.44m2（地上建筑面積27199.10 m2，地下建筑面積2735.34 m2），包括報告廳和檔案館兩部分。其中報告廳層數為1 層，建筑高度12.10m；檔案館6 層，建筑高度23.65m。主體結構形式為鋼筋混凝土框架結構，設計使用年限為50 年，抗震設防烈度為6 度。

2.2 基于BIM+VR 技術的虛擬樣板的構建

以項目KZ16 號結構柱為例，其截面尺寸為600×600mm，角筋為4 根直徑25mm 的HRB400，縱筋為6 根直徑25mm 和4 根直徑22mm 的HRB400，箍筋為8mm 的HRB400，加密區(qū)與非加密區(qū)的間距分別為100mm 和200mm，保護層厚度為50mm，混凝土等級為C35。通過收集的項目KZ16 號結構柱的資料，建立結構柱虛擬樣板，如圖3 所示。

圖3 結構柱虛擬樣板

2.3 基于BIM+VR 技術的虛擬樣板在施工管理中的應用

2.3.1 優(yōu)化施工方案

在施工準備階段，通過4D、5D 施工模擬對該項目的主體結構進行施工推演、進度模擬、成本模擬等，可以清晰完整地查看結構柱的施工過程，充分掌握結構柱的施工工序、施工工藝等內容，準確反映結構柱在施工過程中的進度、成本情況。同時，對整個項目進程合理化分析，提前發(fā)現(xiàn)施工方案在演示過程中存在的風險因素，針對出現(xiàn)的問題及時調整，將優(yōu)化后的虛擬樣板模型用于施工指導，使各項資源得到合理分配，以保證工程建設項目中的主要材料供應計劃、勞動力配置計劃等順利進行，進一步實現(xiàn)施工環(huán)節(jié)的精準控制，從而減少預期之外的成本，保障工程建設項目得以順利按時完成。主體結構的4D 進度模擬演示場景如圖4 所示。

圖4 主體結構的4D 進度模擬演示場景

2.3.2 三維可視化技術交底

通過BIM 平臺的拆分、隱藏、實時測量功能，結合該項目設計說明及圖紙，可詳細查看結構柱的細部尺寸、構造等信息，如圖5 所示。使作業(yè)人員更加清晰、透徹地理解結構柱的施工工藝、質量驗收標準等內容，有效解決傳統(tǒng)技術交底過程中描述錯誤或不清楚、技術規(guī)范不統(tǒng)一、前后文字與圖紙矛盾等問題，打破傳統(tǒng)二維平面圖紙復雜、溝通困難等困境，減少現(xiàn)場施工失誤造成的返工、誤工及經濟損失。

圖5 結構柱虛擬樣板構造展示

2.3.3 安全教育

根據以往住房和城鄉(xiāng)建設部的施工安全報告，發(fā)現(xiàn)墜落、物體打擊是發(fā)生事故數量最多的事故類型[4]?？紤]該項目主體結構施工時可能因模板拼接不嚴、模板支架或腳手架搭接不牢等原因導致作業(yè)人員不慎墜落等事故，在施工現(xiàn)場搭建基于BIM+VR 技術的虛擬安全體驗區(qū)，作業(yè)人員通過電腦端Fuzor 軟件與HTC VIVE 的接口，連接頭戴式顯示器和手柄，佩戴防護設施進入虛擬場景，對不安全行為進行真實化、零距離的安全情景模擬體驗[5]，有效提高安全意識和應急處置能力，以達到事前預防的目的，有效降低事故發(fā)生率?；贐IM+VR 技術的虛擬安全體驗區(qū)如圖6 所示。

圖6 基于BIM+VR 技術的虛擬安全體驗區(qū)

2.3.4 培訓考核

基于BIM+VR 技術的虛擬場景操作中，首先，作業(yè)人員需佩戴頭戴式顯示器和防護設施，連接手柄進入VR 場景模擬系統(tǒng)并登錄賬號，通過溫馨提示界面對自我身體狀況進行評估；其次，在登錄選擇界面中選擇主體結構施工場景模擬并閱讀注意事項，以全景、互動的交互形式充分了解結構柱的施工工序、施工工藝等內容；最后，在施工模擬界面進行在線考核，直至考核合格后方可完成該施工節(jié)點的學習。有效避免了因作業(yè)人員技能的差別造成的施工標準差異，極大提升了作業(yè)人員的專業(yè)知識和技術能力，可進一步保證工程質量?；贐IM+VR 技術的主體結構場景模擬如圖7 所示。

圖7 基于BIM+VR 技術的主體結構場景模擬

3 基于BIM+VR 技術的虛擬樣板在施工管理中的優(yōu)勢

通過上述基于BIM+VR 技術的虛擬樣板的構建流程和在施工管理中的應用分析，與傳統(tǒng)實體樣板展示區(qū)相比，基于BIM+VR 技術的虛擬樣板在施工管理中發(fā)揮了重要的作用，主要優(yōu)勢包括以下幾個方面：

（1）通過數字化技術，使呈現(xiàn)形式多樣化、過程多元化?；贐IM+VR 技術的虛擬樣板借助數字化技術，使虛擬樣板以視頻、圖片、虛擬場景等形式呈現(xiàn)，通過手機客戶端或計算機客戶端等線上服務手段即可反復體驗施工節(jié)點的整個施工過程，不受施工場地、時間的限制，充分利用了虛擬化空間；

（2）通過BIM 技術與VR 技術，使樣板周轉率增加、成本減少。首先，針對不同工程建設項目的需要，可根據具體情況對模型進行修改，減少不必要的重復性建模工作，打破傳統(tǒng)實體樣板的一次性特點，避免材料和人工的浪費，提升虛擬樣板周轉率；其次，相比于傳統(tǒng)實體樣板間，基于BIM+VR 技術的虛擬場景體驗區(qū)具有可拆卸、運輸、拼裝等優(yōu)勢，大幅減少了搭建時所消耗的人力、財力成本；

（3）通過BIM+VR 技術的虛擬場景體驗區(qū)，使技術交底更加便捷。基于BIM+VR 技術的虛擬樣板具有三維可視化、多感知性等特點，通過施工模擬、培訓考核、安全教育等手段真實實現(xiàn)施工過程，對施工難點和重點進行可視化的方案論證[6]，將施工工序、施工工藝等內容通過三維模型傳遞給作業(yè)人員，使技術交底更加簡單、便捷，有效避免了因技術能力問題導致的返工損失和安全事故，從而減少成本、工期等損失，保障工程建設項目得以順利按時完成。

4 結論

本文通過分析傳統(tǒng)實體樣板展示區(qū)在施工管理中存在的問題和不足，將BIM 技術、VR 技術與樣板結合，搭建了一種隨時、高效、準確、信息化和智能化的樣板引路，構建了基于BIM+VR 技術的應用場景。以重慶市某高校檔案館建設項目為工程背景，將其應用在施工方案優(yōu)化、技術交底、安全教育、培訓考核等施工管理環(huán)節(jié)中，使作業(yè)人員充分掌握施工節(jié)點的施工工序、施工工藝、質量驗收標準等內容，使涵蓋的階段全面化，覆蓋的過程動態(tài)化，實現(xiàn)“二維”到“三維”可視化的轉變。與傳統(tǒng)實體樣板展示區(qū)相比，具有顯著的提高施工效率、降低施工成本、保證工程質量、增強安全防范意識等優(yōu)勢，使BIM 和VR 技術在施工管理中不斷深入應用，對建筑業(yè)數字化轉型升級具有積極的推進作用。