基于BIM＋AR技術(shù)在水利工程中施工安全管理的應(yīng)用研究

張亞飛，魏蘭，李俊豪，趙葳，劉蔚淼

（黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150027）

1 研究背景：

1.1 BIM的現(xiàn)狀及背景

BIM全稱為建筑信息模型。將建筑數(shù)據(jù)信息通過轉(zhuǎn)換后成為三維信息模型，貫穿整個(gè)建筑全生命周期；在施工，決策，建立建筑模型等都有著至關(guān)重要的作用。具有立體可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、設(shè)計(jì)管理優(yōu)化、信息統(tǒng)一化的特點(diǎn)，在現(xiàn)今隨建設(shè)跨度越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜；越應(yīng)該通過BIM充分發(fā)揮智能信息化，現(xiàn)階段是借助大數(shù)據(jù)資源庫(kù)，使用數(shù)字化技術(shù)來合成一個(gè)建筑信息模型；對(duì)施工建設(shè)進(jìn)行全生命周期的數(shù)據(jù)化管理與應(yīng)用，對(duì)建筑業(yè)是一個(gè)跨時(shí)代的進(jìn)展。在國(guó)內(nèi)，BIM是國(guó)家“十一五”規(guī)劃中的重點(diǎn)科技項(xiàng)目，起著不可代替的作用，后續(xù)又被納入我國(guó)“十二五”規(guī)劃中的重點(diǎn)研究課題，BIM應(yīng)用目前在我國(guó)已漸漸興起，在現(xiàn)在這個(gè)信息高度化的社會(huì)中，只有牢牢抓住先進(jìn)的技術(shù)和高科技的應(yīng)用才能占據(jù)更加遼闊的市場(chǎng)發(fā)展前景，在建筑這一行業(yè)中，BIM技術(shù)的應(yīng)用正是一個(gè)重要力量。

1.2 AR的現(xiàn)狀及背景

AR技術(shù)是將虛擬網(wǎng)絡(luò)世界和現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行數(shù)字、圖像的疊加，在現(xiàn)實(shí)世界中加入虛擬信息，特定點(diǎn)和虛擬信息互相關(guān)聯(lián)，能從不同角度查看虛擬對(duì)象，即虛擬對(duì)象永遠(yuǎn)在標(biāo)記的頂部。具有非線性時(shí)空性，構(gòu)想真實(shí)性，打破時(shí)空阻礙性，兼具實(shí)用性等特點(diǎn)。

在建筑領(lǐng)域利用AR技術(shù)，能夠有效的解決施工環(huán)境中的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性，項(xiàng)目決策方面、溝通與教學(xué)方面、檢查施工現(xiàn)場(chǎng)方面、檢查進(jìn)度方面、地下工程方面等，能高效準(zhǔn)確、低失誤的完成施工作業(yè)工作。

BIM和AR技術(shù)有便利性、打斷時(shí)空阻礙性、兼并實(shí)用性、模擬真實(shí)性等特點(diǎn)。在BIM信息模型無(wú)法與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相融和導(dǎo)致建筑信息差異大等問題中，BIM＋AR能夠很好的相融合起來，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域作業(yè)使建筑的建設(shè)成本降低，減少人力物力的消耗，進(jìn)行高效率的應(yīng)用。

2 在BIM＋AR技術(shù)下智慧建筑方面的應(yīng)用

目前在國(guó)內(nèi)，BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，很多技術(shù)都依托于BIM技術(shù)的應(yīng)用，通過BIM技術(shù)創(chuàng)建建筑項(xiàng)目相關(guān)的3D模型，可以讓所有項(xiàng)目參與者清楚的了解到項(xiàng)目的相關(guān)信息。在建筑行業(yè)，使用相關(guān)的BIM技術(shù)，可以降低項(xiàng)目施工成本、提高項(xiàng)目的施工質(zhì)量、縮短項(xiàng)目的施工時(shí)間。而智慧建筑已然成為未來建筑發(fā)展的必然趨勢(shì)，而相對(duì)應(yīng)的智慧樓宇這一概念源于建筑樓宇和先進(jìn)的信息技術(shù)的不斷碰撞融合，通過這一技術(shù)，達(dá)到便捷、舒適、低成本、高效率的方式對(duì)樓宇進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，從而達(dá)到智慧建筑安全、環(huán)保、便捷的目標(biāo)。而BIM＋AR這一應(yīng)用也是智慧建筑的重要組成部分，項(xiàng)目成員對(duì)BIM＋AR的了解有限，缺乏經(jīng)驗(yàn)豐富的BIM＋AR實(shí)施者，以及缺乏明確的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)來推動(dòng) BIM＋AR實(shí)施都是基于BIM＋AR的能源績(jī)效管理面臨的挑戰(zhàn)。在設(shè)施管理方面，基于BIM＋AR的設(shè)施運(yùn)維仍面臨挑戰(zhàn)，基于BIM＋AR的設(shè)施管理面臨的挑戰(zhàn)包括互操作性不足、對(duì)BIM＋AR實(shí)施的基本運(yùn)維原理缺乏了解、投資回報(bào)不明確等，這些都是我們需要解決的問題。

智慧城市起源于傳媒領(lǐng)域，全球都在緊鑼密鼓的加強(qiáng)智慧城市的建設(shè)，它的核心在于建筑，在這其中綠色建筑則是必不可少的一項(xiàng)。在當(dāng)今BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用到建筑施工中，對(duì)于綠色建筑的應(yīng)用更是必不可少的，BIM技術(shù)最顯著的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用于綠色設(shè)計(jì)和可持續(xù)性設(shè)計(jì)領(lǐng)域。通過使用BIM技術(shù)加入到建筑中可以達(dá)到最少耗能，并借助通風(fēng)、布局、采光等達(dá)到節(jié)能環(huán)保的作用。選用BIM＋AR技術(shù)，可以為設(shè)計(jì)建筑項(xiàng)目注入新興力量。

低碳建筑是社會(huì)對(duì)低碳科技的需求，通過BIM＋AR技術(shù)的加速整合，使建筑低碳環(huán)保成為了可能。低碳建筑主要目的是達(dá)到降低二氧化碳的排放效果，而建筑行業(yè)必須認(rèn)識(shí)到科技驅(qū)動(dòng)低碳發(fā)展，將以化石能源為基礎(chǔ)的工業(yè)文明用新興的低碳科技來代替，盡量減少化石能源的使用，顛覆建筑行業(yè)舊有的思維，帶來低碳能源的全新革命，使用BIM＋AR技術(shù)融入建筑行業(yè)，將極大的提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)設(shè)備電氣化。高新技術(shù)的快速發(fā)展并加入建筑行業(yè)，使建筑創(chuàng)作發(fā)展為建筑創(chuàng)新，使建筑創(chuàng)新發(fā)展推動(dòng)智慧建造，面對(duì)這一機(jī)遇和挑戰(zhàn)，建筑行業(yè)必須加快變革速度。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）及建筑信息模型（BIM）在水利工程中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 獲得更完備的設(shè)計(jì)效果體驗(yàn)

BIM+AR相結(jié)合的模式可以在水利工程常規(guī)施工的過程中彌補(bǔ)可視化的不足，增強(qiáng)AR與水利工程施工過程中的現(xiàn)實(shí)性，使得BIM+AR與水利工程三者之間的關(guān)系進(jìn)一步增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)真正“三位一體“的直觀表達(dá)模型。在水利工程項(xiàng)目的生命周期中，BIM+AR技術(shù)可以自主的滲入水利工程的安全、造價(jià)和監(jiān)控等各個(gè)方面。以水利工程施工過程舉例，施工人員在BIM+AR模型中可以了解到真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境相結(jié)合的信息，使施工人員能感知到三維虛擬化環(huán)境，而AR效果的存在又會(huì)使施工人員不會(huì)完全脫離現(xiàn)實(shí)的世界，既可以保證項(xiàng)目穩(wěn)步高效的實(shí)施，又使項(xiàng)目的危險(xiǎn)性和材料的浪費(fèi)率大大降低。

3.2 在設(shè)計(jì)方面擁有更加直觀的可視化交流

在BIM+AR三維建模技術(shù)的支持下，可以更加精準(zhǔn)的了解到水利工程的剖面圖、斷面圖，將整體水利工程的內(nèi)部成分、構(gòu)造等信息參數(shù)具體表達(dá)；并且對(duì)水利工程的成本投入、質(zhì)檢分析、項(xiàng)目周期控制性等方面存在不可或缺的作用。再加之BIM+AR模型擁有協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)化設(shè)計(jì)，一旦有某個(gè)視圖出現(xiàn)錯(cuò)誤，更改后其他視圖也隨之更改。

3.3 模擬水利工程實(shí)際使用情況

BIM+AR模型可以從多角度來模擬水利工程實(shí)際使用情況，有效的支撐施工管理過程，并且在模擬運(yùn)營(yíng)的過程中出現(xiàn)的加固、改良和塌方等，可以通過BIM+AR技術(shù)模型直接分析處理，從而減少后續(xù)人力物力的大量投入。

3.4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）及建筑信息模型（BIM）技術(shù)在水利工程方面的應(yīng)用

水利工程建筑平臺(tái)BIM+AR模型建立是為了展現(xiàn)一個(gè)真實(shí)描述工程設(shè)計(jì)的數(shù)字信息模型，將可視化、仿真化、技術(shù)化集于一身的工程基礎(chǔ)。水利工程與普通建筑工程的建筑特點(diǎn)有差別，對(duì)其建模的方法，結(jié)構(gòu)，順序等要求也會(huì)有所不同，因此需要應(yīng)用BIM+AR技術(shù)來對(duì)應(yīng)水利工程在施工階段的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)BIM+AR與水利工程在其施工階段不斷修改，不斷完善的作用。

水利工程在結(jié)構(gòu)布局，施工策劃，施工方案的實(shí)施，以及施工位置的確定都有著不同程度的難點(diǎn)。在方案預(yù)確定階段建立各種建筑的BIM模型及其AR模型，將數(shù)據(jù)與可視化相結(jié)合，通過可視化模型與整體地形相結(jié)合，從而建立完整、可協(xié)調(diào)的總體沙盤，可使施工人員更加直觀的了解到水工建筑物與基本建筑物之間、建筑物與周圍地形之間的限制關(guān)系?；诟鞣N數(shù)據(jù)、參數(shù)的BIM+AR模型可以在空間的任一位置實(shí)現(xiàn)可視化，協(xié)調(diào)化和現(xiàn)實(shí)模擬化，實(shí)現(xiàn)預(yù)更改、全更改的模式，使每次決策都成為完整可視的沙盤。

4 BIM＋AR技術(shù)在水利工程中施工安全管理的應(yīng)用研究

4.1 BIM＋AR技術(shù)在施工安全管理中的研究

在施工過程中，安全問題是不容忽視的一個(gè)問題，建筑施工現(xiàn)場(chǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)且復(fù)雜的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，不論安全教育多完善、管理制度多嚴(yán)格，在施工過程中總無(wú)法避免許多安全隱患，所以將BIM＋AR技術(shù)融入施工作業(yè)中進(jìn)行施工的安全與質(zhì)量監(jiān)控。基于BIM＋AR技術(shù)探測(cè)施工模型，可以從三維角度剖析施工項(xiàng)目，從而對(duì)施工工藝實(shí)現(xiàn)三維可視高新技術(shù)交底?；贐IM可視化和AR三維化的動(dòng)態(tài)模擬施工建造作業(yè)的施工項(xiàng)目、工藝流程，通過這種電子化模擬方式，提前識(shí)別工程安全，將施工方案的危險(xiǎn)度降到最低，將施工場(chǎng)地布置達(dá)到最大安全化，消除安全隱患。利用BIM＋AR技術(shù)構(gòu)建、設(shè)計(jì)出安全施工模型，在施工工程正式進(jìn)行之前對(duì)工程信息進(jìn)行掌握，利用BIM＋AR的動(dòng)態(tài)分析功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的安全問題，并及時(shí)針對(duì)安全問題做出相應(yīng)對(duì)策，使施工安全和施工效率達(dá)到最高。通過BIM＋AR對(duì)施工工藝模擬達(dá)到施工方案、施工場(chǎng)地布置方案的優(yōu)化，在施工現(xiàn)場(chǎng)，基于BIM＋AR信息平臺(tái)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)作品上傳至云端，通過對(duì)違章作業(yè)圖片進(jìn)行識(shí)別而達(dá)到施工安全管理，還可以人工智能識(shí)別違章行為，通過將違章行為自動(dòng)抽取歸類達(dá)到智能化的現(xiàn)場(chǎng)安全管理，通過這種技術(shù)手段，現(xiàn)場(chǎng)工程人員可實(shí)時(shí)掌握危險(xiǎn)作業(yè)狀況，提前將施工風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

4.2 BIM+AR技術(shù)在水利工程中信息安全管理的應(yīng)用

BIM+AR技術(shù)模型可以在水利工程運(yùn)營(yíng)期間為安全檢測(cè)工作提供水利建筑物從開始規(guī)劃、設(shè)計(jì)、進(jìn)行施工到投入運(yùn)營(yíng)的生命周期過程中全部的信息流調(diào)、發(fā)展趨向，為水利工程項(xiàng)目管理者提供了一套完善且高效的數(shù)字化信息安全管理應(yīng)用平臺(tái)，進(jìn)而對(duì)水利工程項(xiàng)目全生命周期的水工建筑物安全實(shí)現(xiàn)全信息化監(jiān)測(cè)管理，改善了傳統(tǒng)水利工程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)缺少集成系統(tǒng)化的存儲(chǔ)、分析、應(yīng)用與管理的問題。在BIM+AR技術(shù)高精度的參數(shù)整合模擬過程中，管理者既可以對(duì)指定的水工建筑物模型構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)的信息分析，又可以精確監(jiān)測(cè)到水利工程項(xiàng)目中全部的水工建筑物所容納的所有信息。BIM+AR技術(shù)在水利工程施工安全檢測(cè)的過程中最重要的特性是加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬模型信息參數(shù)化。使得整個(gè)水利工程可以實(shí)現(xiàn)全面的虛擬模型信息參數(shù)化而又不會(huì)脫離現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而將與現(xiàn)實(shí)與模型所相關(guān)的所有信息集成化，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問題同步解決，大大縮減了管理者在日常檢測(cè)中所花費(fèi)的人力、物力，最大程度降低了各水利水工建筑之間信息傳遞、分析和解決過程中所發(fā)生的信息失效性。

4.3 基于BIM+AR技術(shù)在水利工程建筑選點(diǎn)方面的應(yīng)用

基于BIM+AR技術(shù)的集成性、可視性，可以模擬出水工建筑物所建筑選點(diǎn)的位置是否具有合理性、可行性。水利位置選點(diǎn)應(yīng)選在地面起伏小、地勢(shì)相對(duì)平整且選取點(diǎn)周圍地勢(shì)地貌近期不能發(fā)生改變?；贐IM+AR技術(shù)所提供的模擬可視化模型以及其集成性的特點(diǎn)，可以有效減少實(shí)地勘測(cè)所需的數(shù)據(jù)處理時(shí)間。且基于BIM+AR技術(shù)系統(tǒng)相較與傳統(tǒng)的壩體附近固定點(diǎn)位高清攝像技術(shù)來說，基于BIM+AR技術(shù)對(duì)壩體的受力應(yīng)力的監(jiān)測(cè)更為直觀，監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度更高，對(duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)性處理更加準(zhǔn)確，使得水利工程在建筑選點(diǎn)方面的數(shù)據(jù)直觀化、可視化，同樣也為后續(xù)的水工建筑物的施工提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)分析。

4.4 BIM+AR技術(shù)在水利工程使用中安全監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

BIM+AR技術(shù)可以通過現(xiàn)實(shí)立體可視化對(duì)水工建筑物進(jìn)行模型分析，為后期建構(gòu)更高精度的縮放比例模型和對(duì)水利工程建筑群的病險(xiǎn)監(jiān)測(cè)提供真實(shí)的可參考數(shù)據(jù)。BIM+AR也可以對(duì)水庫(kù)、河流、壩體等進(jìn)行不間斷的監(jiān)測(cè)，對(duì)水利工程項(xiàng)目范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變化情況匯報(bào)，通過實(shí)時(shí)匯報(bào)的數(shù)據(jù)情況進(jìn)而獲得一系列的模型參數(shù)變化情況，如壩體變形、地基沉降、水位變幅等，核驗(yàn)工程是否存在滑坡、垮塌等重大風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，便于水利施工人員對(duì)水利工程項(xiàng)目安全性評(píng)估、預(yù)測(cè)。還可以通過BIM+AR技術(shù)所反饋的信息進(jìn)而分析水利工程項(xiàng)目周圍的生態(tài)水域安全情況，逐步實(shí)現(xiàn)在BIM+AR技術(shù)加持下安全管理精確化、系統(tǒng)化，從而滿足社會(huì)發(fā)展需要。

4.5 BIM+AR技術(shù)在水利工程測(cè)量方面的應(yīng)用

水工建筑物測(cè)量作為水利工程規(guī)劃的重要組成部分之一，準(zhǔn)確的進(jìn)行測(cè)量工作對(duì)水利工程項(xiàng)目的科學(xué)性、合理性，具有重大意義。當(dāng)水工建筑物在水利工程項(xiàng)目中變得錯(cuò)綜復(fù)雜時(shí)，其建筑物體表面積，空間距離的測(cè)量難度也成倍增加，而基于BIM+AR技術(shù)的集成性，模擬可視性，測(cè)量方面的問題將迎刃而解。只需要對(duì)BIM+AR技術(shù)所模擬出的水工建筑物模型進(jìn)行測(cè)量，其數(shù)據(jù)就會(huì)被AR技術(shù)在相關(guān)圖層所顯示出來，使測(cè)量問題變得簡(jiǎn)單化，進(jìn)而節(jié)省大量的人力物力進(jìn)行實(shí)體測(cè)量，從而確保了數(shù)據(jù)的真實(shí)性、精確性。

5 結(jié)語(yǔ)

將BIM＋AR技術(shù)運(yùn)用到水利工程施工的安全管理中，是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。在過去施工過程中，施工管理者無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)每個(gè)施工安全隱患進(jìn)行把控，BIM＋AR能極好的解決這個(gè)問題。BIM＋AR具有專業(yè)性和實(shí)用性；極大的提高了安全管理的效率，具有極高的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。并且與傳統(tǒng)的靜態(tài)圖紙相比，BIM＋AR動(dòng)態(tài)圖紙與靜態(tài)施工圖紙的相結(jié)合，能很好的處理對(duì)于施工人員曲解施工圖紙和傳統(tǒng)思維而影響施工進(jìn)度。水利工程是我國(guó)重要的戰(zhàn)略發(fā)展事業(yè)，施工安全則是重中之重，對(duì)促進(jìn)我國(guó)水利工程發(fā)展的戰(zhàn)略意義重大。