BIM+MR在建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

【摘要】

將BIM與MR相結(jié)合并在建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，通過(guò)校企合作建設(shè)BIM+MR的專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)中心，打造了基于建筑信息模型（BIM）和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）的建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)環(huán)境，形成了“產(chǎn)、學(xué)、研、訓(xùn)”于一體的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了課程的MR信息資源，創(chuàng)新了基于BIM+MR技術(shù)的建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)模式。

【關(guān)鍵詞】

BIM+MR; 信息技術(shù); 教學(xué)模式。

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642.0【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-04-25

［基金項(xiàng)目］四川省教育廳2022－2024年職業(yè)教育人才培養(yǎng)和教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：GZJG2022-811）；教育部行業(yè)職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)職業(yè)教育改革創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)課題（項(xiàng)目編號(hào)：HBKC217126）。

［作者簡(jiǎn)介］李萬(wàn)渠（1974—），女，碩士，副教授，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ夹g(shù)、建筑信息化、職業(yè)教育、教育信息化。

1 BIM+MR理論依據(jù)及意義

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱(chēng)BIM）技術(shù)是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具，核心是通過(guò)建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫(kù)。

混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)MR）技術(shù)指的是現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界相融合的可視化環(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)的處理，將所需要的虛擬數(shù)字信息疊加在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，在現(xiàn)實(shí)、虛擬和用戶之間構(gòu)建出一個(gè)可交互的全新世界。MR涵蓋了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），是兩者技術(shù)的更深一步發(fā)展，被譽(yù)為下一代計(jì)算平合。

BIM技術(shù)為MR設(shè)備在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，MR設(shè)備為深層次挖掘BIM 應(yīng)用潛力提供了高效，BIM+MR結(jié)合應(yīng)用將為建筑工程行業(yè)帶來(lái)無(wú)限的可能，推動(dòng)工程建設(shè)領(lǐng)域邁向信息化、智慧化［1］。

高職學(xué)生空間思維能力教弱，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不足，對(duì)實(shí)踐性環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)興趣明顯高于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。近年來(lái)在信息技術(shù)的推動(dòng)下，雖然教學(xué)方式不斷創(chuàng)新，教學(xué)內(nèi)容不斷改進(jìn)，但由于建筑工程的特殊性，部分課堂教學(xué)內(nèi)容、實(shí)訓(xùn)實(shí)操部分一直無(wú)法很好為學(xué)生提供豐富多樣的內(nèi)容組織和呈現(xiàn)方式，缺乏有效的教學(xué)互動(dòng)體驗(yàn)，也無(wú)法針對(duì)實(shí)際工程中出現(xiàn)的問(wèn)題展開(kāi)多次模擬操作等。將BIM與MR相結(jié)合并在建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，可以解決傳統(tǒng)教學(xué)中由于安全、時(shí)間等客觀原因無(wú)法直觀展現(xiàn)的內(nèi)容，減少潛在的安全隱患，增加有效的教學(xué)互動(dòng)，改變教與學(xué)的方式和方法，使課堂更加真實(shí)、有趣、安全，從而提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)高素質(zhì)技術(shù)技能人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

2 國(guó)內(nèi)外的研究水平

在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室是MR教育領(lǐng)域應(yīng)用研究的重要載體。美國(guó)十分重視虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與開(kāi)發(fā)， 在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已處于領(lǐng)先地位。麻省理工學(xué)院、美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究會(huì)、意大利帕瓦多大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)相繼建立了遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室。近年來(lái)，國(guó)外利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，從而提升職業(yè)教育核心競(jìng)爭(zhēng)力。挪威為培養(yǎng)航海專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐操作能力，將微軟 Kinect 傳感器帶到課堂，利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行海上甲板作業(yè)模擬訓(xùn)練；波蘭利用可重構(gòu)制造系統(tǒng)（RMS）與混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)培訓(xùn)學(xué)生們的實(shí)踐操作能力；丹麥應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)型工廠，成立“數(shù)字技術(shù)教學(xué)應(yīng)用中心”。另外，混合現(xiàn)實(shí)在生物、建筑、音樂(lè)等學(xué)科教學(xué)中也有不少應(yīng)用。

在國(guó)內(nèi)，大家已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到混合現(xiàn)實(shí)的虛擬仿真是信息科技的重要部分、人類(lèi)科技革命的關(guān)鍵一步， 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）正在走向深入、全面、系統(tǒng)。在企業(yè)中應(yīng)用專(zhuān)業(yè)化、多樣化， 如中建一局、美國(guó)天寶公司、北京麥格天寶科技股份有限公司合作建立混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，將通過(guò) MR 眼鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)與建筑信息模型（BIM）技術(shù)的融合，探索混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用；上海鐵路局，遠(yuǎn)端專(zhuān)家利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以實(shí)時(shí)視頻查看一線工人操作，進(jìn)行故障分析，標(biāo)記指導(dǎo)作業(yè)。在教育及培訓(xùn)領(lǐng)域， 得到了廣泛關(guān)注，同時(shí)也為變革傳統(tǒng)教育帶來(lái)機(jī)遇。清華大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室將混合現(xiàn)實(shí)資源融入日常教學(xué)，打造安全、高效、直觀的科研空間，提供全息教學(xué)支持；上海市振華外經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)打造獨(dú)特的專(zhuān)業(yè)介紹，以豐富互動(dòng)展現(xiàn)振華電商、旅游、國(guó)貿(mào)三大王牌專(zhuān)業(yè)。

將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等創(chuàng)新人機(jī)交互技術(shù)與土木工程人才培養(yǎng)深度融合的新一代信息化教學(xué)模式，為提供精準(zhǔn)、個(gè)性化土木工程人才培養(yǎng)目標(biāo)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，是與土木工程教育創(chuàng)新融合的重要手段和必然趨勢(shì)［2］。在建筑工程領(lǐng)域，目前關(guān)于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究并不成熟，大多只是在 AR+BIM 的基礎(chǔ)上對(duì)建筑工程進(jìn)行研究，MR比AR具有實(shí)時(shí)性、可視性、交互性的優(yōu)點(diǎn)，更能把建筑信息模型（BIM）的實(shí)用價(jià)值體現(xiàn)出來(lái)，MR與高等職業(yè)教育的深度融合，可推動(dòng)職業(yè)教育變革，促進(jìn)職業(yè)教育領(lǐng)域的不斷突破與創(chuàng)新。

3 BIM與MR在建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 建設(shè)基于BIM+MR的建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)的課程教學(xué)環(huán)境

深入研究建筑信息模型（BIM）+混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）在建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，建成BIM+MR的專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)中心，打造一個(gè)基于BIM+MR的建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)的課程教學(xué)環(huán)境，結(jié)合原有的建筑技術(shù)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地、裝配式建筑體驗(yàn)館等實(shí)訓(xùn)條件，研究形成了一個(gè)集“產(chǎn)、學(xué)、研、訓(xùn)”于一體的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)平臺(tái)。將MR 技術(shù)和 BIM 技術(shù)結(jié)合起來(lái)，并輔以全息影像技術(shù)、3D激光掃描技術(shù)在建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中，以實(shí)現(xiàn) BIM 技術(shù)運(yùn)用的多元化，實(shí)現(xiàn)720°全景、沉浸式施工模擬，突破了建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中教學(xué)成本高、安全隱患大的教學(xué)問(wèn)題，使課堂更加真實(shí)、有趣、安全［3］。

3.2 開(kāi)發(fā)建設(shè)建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)基于BIM+MR的信息化教學(xué)資源

在實(shí)踐教學(xué)的過(guò)程中，深入挖掘教學(xué)痛點(diǎn)，融合建筑信息模型（BIM）和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）的形成系列課程資源。

（1）“建筑構(gòu)造與識(shí)圖”：施工圖是工程師的語(yǔ)言，看不懂施工圖，則無(wú)法進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、造價(jià)、監(jiān)理等工程行業(yè)相關(guān)工作。傳統(tǒng)二維圖紙的識(shí)讀需要有一定的空間思維才能看懂，往往是初學(xué)者的一大難題，通過(guò)基于 BIM 技術(shù)的三維模型+MR技術(shù)可以有效解決這一難題，初學(xué)者可以借助這一手段進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合和互動(dòng)，幫助理解圖紙內(nèi)容。

（2）“建筑結(jié)構(gòu)”結(jié)構(gòu)如同建筑的骨骼，要承受各種力的作用，形成支撐體系，是建筑物賴(lài)以存在的物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)滿足技術(shù)要求來(lái)滿足建筑的使用功能，形成特定的建筑造型。采用BIM技術(shù)進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，并結(jié)合MR技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)中的錯(cuò)漏、碰撞檢查，能夠有效提升圖紙質(zhì)量，減少返工，降低成本。

（3）“建筑施工技術(shù)”在土方工程、地基與基礎(chǔ)工程、鋼筋混凝土工程等施工技術(shù)的學(xué)習(xí)中，采用BIM+MR技術(shù)將諸如梁鋼筋的綁扎等工藝做法，通過(guò)MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛實(shí)結(jié)合體驗(yàn)教學(xué)，充分利用MR可視化特點(diǎn)，將信息模型中所包含的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和施工安裝進(jìn)行動(dòng)態(tài)虛擬仿真模擬，編制施工組織計(jì)劃方案，優(yōu)化施工工藝，實(shí)現(xiàn)可視化交底，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)三維可視化施工管理，讓學(xué)生快速理解掌握相關(guān)知識(shí)和技能［4］。

3.3 創(chuàng)新基于BIM+MR技術(shù)的課程教學(xué)模式

教師團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)展MR技術(shù)培訓(xùn)，充分利用BIM+MR專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)中心、虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)及建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)基于BIM+MR的信息化教學(xué)資源，研究采用虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互化的體驗(yàn)式、互動(dòng)式開(kāi)展教學(xué)，研究基于BIM+MR技術(shù)的教學(xué)模式（圖6）。

4 總結(jié)及下一步研究方向

將建筑信息模型（BIM）與混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）相結(jié)合并在建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，解決了土木建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè)在傳統(tǒng)教學(xué)中由于安全、時(shí)間等客觀原因無(wú)法直觀展現(xiàn)的問(wèn)題，填補(bǔ)了此類(lèi)專(zhuān)業(yè)在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中可視化和多次反復(fù)實(shí)操的空白，改變了實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式，同時(shí)降低了教學(xué)成本、減少了潛在的安全隱患；在課堂教學(xué)中，也可實(shí)現(xiàn)不出校門(mén)即身臨工地現(xiàn)場(chǎng)，感受工程現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境，增加有效的教學(xué)互動(dòng)體驗(yàn)，改變教與學(xué)的方式方法，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使課堂更加真實(shí)、有趣、安全，從而提高教學(xué)質(zhì)量。在解決問(wèn)題的同時(shí)，建設(shè)了BIM+MR專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)中心，打造基于建筑信息模型（BIM）和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）的建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)環(huán)境，形成“產(chǎn)、學(xué)、研、訓(xùn)”于一體的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)平臺(tái)；開(kāi)發(fā)系列課程的MR信息資源，創(chuàng)新了基于BIM+MR技術(shù)的建筑工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)模式。

由于整個(gè)行業(yè)對(duì)MR（混合現(xiàn)實(shí)）技術(shù)理解深度和掌握程度不夠，缺乏對(duì)MR技術(shù)特征與系統(tǒng)工程層面的研發(fā)投入。與MR產(chǎn)業(yè)相關(guān)的高校院所和企業(yè)在MR技術(shù)研發(fā)層面中存在短板，尤其在場(chǎng)景與對(duì)象建模技術(shù)、復(fù)雜信號(hào)與信息智能處理、智能人機(jī)交互技術(shù)等方面關(guān)鍵核心技術(shù)積累不足，而將BIM技術(shù)和MR技術(shù)兩者進(jìn)行結(jié)合的更是寥寥無(wú)幾。通過(guò)本課題的研究雖然取得了一定的成效，但仍然在BIM技術(shù)對(duì)模型數(shù)據(jù)的創(chuàng)建完整性、BIM技術(shù)和MR技術(shù)的深度集成、數(shù)據(jù)信息格式的交互等方面存在問(wèn)題。同時(shí)，因時(shí)間、場(chǎng)地、資金、工程建設(shè)項(xiàng)目特點(diǎn)等條件的限制，一些課程資源的呈現(xiàn)還較為單一。

參考文獻(xiàn)

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［4］ 張偉，基于BIM+VR+MR技術(shù)的裝配式建筑項(xiàng)目管理研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2019.