王凱　蔡瑞　劉秋元　溫銳鋒　楊勇

摘 要：推動裝配式建筑產業(yè)發(fā)展，實現建筑工廠化，是綠色建筑的發(fā)展趨勢。專業(yè)人才的短缺與技術推廣困難阻礙了產業(yè)發(fā)展。針對傳統(tǒng)施工教學上的問題，文章提出構建一種新型的BIM+VR的裝配式建筑教學平臺。從工程管理教學過程出發(fā)，進行平臺技術框架設計，并結合裝配式建筑項目傳統(tǒng)實現流程的比較分析，對于平臺功能模塊進行設計完善，進而指出裝配式建筑教學平臺的構建對于產業(yè)發(fā)展的意義與前景。

關鍵詞：BIM（建筑信息模型）;VR（虛擬現實）;裝配式建筑;教學平臺

中圖分類號：TP393 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2019）12-0081-05

現階段，我國城市化建設進程持續(xù)深入，研究顯示，我國已建成建筑約400億平方米，其中高耗能建筑比例占比95%（江億，2011），并且此類形式的建筑數量還隨著建設的深入而不斷增加。占比如此高的耗能建筑形式不僅造成了明顯的能源負擔，還直接制約了國民經濟增長，對生態(tài)環(huán)境造成了影響，降低了人與自然的和諧生活質量?；诖耍ㄖ椖恐杏l(fā)強調綠色理念，強調建筑的節(jié)能環(huán)保，而傳統(tǒng)建筑業(yè)施工方式已不符合建筑業(yè)的現代發(fā)展需要。作為綠色建筑的典型代表，裝配式建筑是指將建筑的構件、部品、材料在工廠中預制生產，在施工現場進行組建安裝，最后通過漿錨或后澆混凝土連接成型的建筑產品。與傳統(tǒng)的現澆施工作業(yè)相比，裝配式建筑的施工形式具有了施工周期縮短、現場勞動量降低、施工質量提高、信息管理更加便捷等顯著優(yōu)點。推動裝配式建筑產業(yè)發(fā)展，成為下一步建筑行業(yè)轉型升級的重要路徑。

一、裝配式產業(yè)發(fā)展現狀

裝配式建筑在歐美等發(fā)達國家出現較早，自上世紀70年代美國開始推廣建筑配件化施工和機械化生產。而我國早在上世紀50年代即提出推動相關產業(yè)發(fā)展，但受限于有限的建筑能力以及薄弱的經濟基礎，產業(yè)的發(fā)展受到較大阻礙。2016年頒布的《中共中央國務院關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》明確要求，力爭未來10年左右，在全國范圍內使裝配式建筑占新建建筑面積比例達到30%，其發(fā)展前景巨大。

近年來，國內各大城市均積極出臺裝配式建筑產業(yè)推進的政策與指導文件，更要求運用裝配式建筑施工來完成居民保障房建設工作。裝配式建筑在中國的持續(xù)發(fā)展離不開政策支持和市場導向，眾多地產企業(yè)也逐漸自發(fā)參與到裝配式建筑的產業(yè)探索之中。由此可見，國內裝配式建筑的發(fā)展條件正在逐步完善與加強。

然而，國內裝配式建筑產業(yè)發(fā)展目前存有兩大問題：①專業(yè)人才的短缺。目前國內建筑業(yè)的人才培養(yǎng)與管理體系尚不適應裝配式建筑發(fā)展需求。各大中專院校相關專業(yè)設置欠缺，缺乏培訓技術工人的渠道。②技術推廣難。行業(yè)技術壁壘導致進入門檻較高，直接阻礙各企業(yè)的轉型進步與互動交流。就現狀而言，新建建筑面積中裝配式建筑只占5%。規(guī)模效應不足，使得造價成本相比傳統(tǒng)方式較高，并且技術門檻高，規(guī)模擴大困難?，F有針對裝配式建筑的教學及施工培訓中，存在成本高、難度大、可重復性與可操作性較差的問題，教學者存在指導不夠直觀、演示不清晰的問題，而教學對象在接受學習的過程中也會感到較為抽象，結合操作性不夠的因素，在能力接受層面上顯得較為困難。

由上可知，裝配式建筑施工及其預制構件的安裝，對于施工工藝、技術參數、材料組成與工程人員要求均較高，傳統(tǒng)的教學模式實現成本高昂，既缺少可用于實踐的建筑項目，在學習互動上也不夠直觀，難以傳達知識信息給目標群體。通過新型技術應用，關注企業(yè)建設能力提升，相關專業(yè)人才的培育在整個建筑產業(yè)工業(yè)化體系中就尤其重要。針對上述問題，引入BIM+VR技術構建裝配式建筑教學平臺的意義愈發(fā)顯著。一方面能快速培養(yǎng)具有實際操作能力的專業(yè)人才，另一方面基于BIM技術的優(yōu)勢與特點也能進一步達到節(jié)約成本的項目管理目標。

二、BIM+VR的混合技術應用

1.技術概況

隨著計算機與信息技術的持續(xù)發(fā)展，建筑信息模型軟件技術日趨成熟。作為建筑工程領域近年來火熱的一項技術和研究熱點，BIM（建筑信息模型）是以三維數字技術為基礎，將建筑工程中各類相關信息數據進行集成搭建模型，是對工程信息的直觀展示與詳盡表達。其技術層面上具有模擬性、優(yōu)化性、可視化、造價可控性、協調性、可出圖性、造價精確性等七大特性。VR則是Virtual Reality的縮寫，于20世紀80年代初被提出，譯為虛擬現實，具體為通過計算機與先進傳感技術結合應用所創(chuàng)造的一種新型人機交互形式。虛擬現實技術是目前各學科領域最具影響力的技術之一，在各領域中具有廣泛應用前景。

2.BIM+VR在建筑工程領域內的結合應用?

在新技術持續(xù)創(chuàng)新推進下，傳統(tǒng)建筑業(yè)發(fā)生了顛覆性的變化。作為促進建筑行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新的重要成果，BIM+VR技術的混合應用在建筑行業(yè)的進步及轉型層面上帶來巨大影響。由于工人技術原因，采用傳統(tǒng)技術所建成的工地樣板質量水平通常參差不齊，并且場地需求大，材料消耗較多，浪費明顯，難以回收重復利用。而通過引入BIM+VR技術所構建的建筑模型，觀測者不僅可以進入虛擬環(huán)境中，針對典型的作業(yè)流程、細節(jié)節(jié)點、施工工藝進行觀察與學習，還能夠在場地布置中以合理規(guī)劃來提高設計質量，達到環(huán)保高效的預定目標。此外，在虛擬環(huán)境中對建筑所需的施工材料進行模擬，通過材質變更、光照差異模擬、內部生活設施布置等模塊，其感受將更加直觀。相比傳統(tǒng)技術，新技術的應用更符合綠色建筑的要求，即可以循環(huán)利用，直接有效地避免材料、人力資源浪費，以及工人技術水平的差異所帶來的施工樣板標準化難題。

同時，BIM+VR技術的混合應用，將解決建筑行業(yè)當前的最大痛點，即“所見非所得”與“工程控制難”，其中的控制難點便在于整體規(guī)劃、整合資源、抽象關聯以及平臺建設。通過BIM平臺的系統(tǒng)化設計，將在加強項目管理能力的同時，進一步對建筑設計過程進行信息化與三維化。而VR的引入，在BIM三維模型基礎上，將增強具象性與可視性，通過構建虛擬展示能夠為用戶提供戶型設計與視覺直觀展示。BIM+VR模式有望提供行業(yè)痛點的解決方案，并推動新業(yè)務形式的出現，大大提升BIM技術的應用效果與深度。

將上述技術引入裝配式建筑產業(yè)，構建教學平臺，將對相關建筑產業(yè)鏈的打造、人才培育、項目管理以及生產運營等方面均具有一定提升及改善。研究通過基于BIM+VR的裝配式建筑教學平臺的構建與設計，對相關產業(yè)體系進行補充與完善。

三、BIM+VR裝配式建筑平臺的基本構架

1.基本原理

BIM+VR的裝配式建筑教學平臺，其基本原理可以簡單描述為將客戶端電腦連接到平臺，通過網絡將客戶端指令傳到平臺，經過平臺服務器處理，將數據圖化壓縮后傳回電腦客戶端的過程。同時通過VR技術使用戶在虛擬現實中了解裝配式建筑的施工、設計原理等知識。同時用戶可以通過VR技術在虛擬世界學習與裝配式建筑相關的一些操作，比如塔吊操作、預制板的拼接等，平臺基本原理如圖1所示。

2.平臺核心技術

裝配式建筑的顯著特征便是工業(yè)化和標準化，對建筑產品的科學解構拆分將是工業(yè)化與標準化的先決條件。建筑的科學解構拆分，直接關系到建筑物的受力特點、結構安全性、使用便利性、成本合理性等各個層面，不同的拆分形式，其結果有著本質區(qū)別。預制構件的拆分通常會考慮五個因素：一是受力合理;二是制作、運輸和吊裝的要求;三是預制構件中配筋結構的要求;四是連接和安裝施工的要求;五是構件標準化的要求，從而達到“少規(guī)格、多組合”的目的。

該平臺將各類裝配式建筑及其所含各類預制構件工程進行科學拆分，然后通過平臺服務進行同屬性分類并上傳到云平臺上，在平臺上建立大量的“族”庫，用戶在連接到平臺后，該平臺可根據用戶的要求通過數據網絡將“族”輸出到用戶端上，如平臺將建筑體或者預制構件輸出到用戶使用的VR設備上，用戶可根據VR設備進行預制板的搭接、模型拆分等操作，其基本流程如圖2所示。

3.平臺功能框架

基于BIM+VR的裝配式建筑平臺框由儲存層、數據管理與應用服務層、用戶端連接層構成，其基本功能實現如圖3所示。

（1）儲存層

在工程建筑項目的全生命周期進程之中，針對建筑信息的集成管理是所面臨的首要問題。儲存層即平臺儲存中最基礎的部分，建筑的信息數據在此匯集、儲存、調用，其為整個系統(tǒng)數據庫的基礎。構成儲存的儲存設備是NAS、iSCSI等IP儲存設備。而引入云儲存設備，將通過廣域網、互聯網或光纖網絡通道進行聯接，并且在各儲存設備之中都會設計安裝統(tǒng)一的儲存設備管理系統(tǒng)，這樣便可以實現儲存設備之間的邏輯虛擬化管理與集中管理，以及硬件設備的狀態(tài)監(jiān)控與維護升級等功能。

（2）數據管理與應用服務層

數據管理層是基礎建筑全生命周期的云儲存最核心部分。數據信息系統(tǒng)是用于管理建筑生命周期分布數據的計算機信息系統(tǒng)，通過數據集成、系統(tǒng)集成來獲取、儲存、管理、計算、分析和顯示實現與協調基于項目全生命周期之間的各個工作。用戶注冊平臺賬號后，通過網絡進入該平臺即可享受平臺提供的服務，如數據共享、軟件使用、工作流程管理、虛擬教學、數據儲存等。

（3）用戶端連接層

對于使用者來說，平臺連接層是指用戶訪問平臺的連接口，其訪問設備可以是電腦、手機、平板等。用戶利用終端設備連接到平臺系統(tǒng)，可以實現各個項目參與方隨時隨地遠程協同工作，通過VR設備可以實現虛擬學習與遠程虛擬會議的召開。

四、教學平臺功能模塊構建及功能實現

裝配式建筑教學平臺功能模塊的設計可分為施工培訓教學、深化教學兩個模塊。

1.施工培訓教學模塊

施工培訓教學模塊主要針對施工人員，是能夠快速幫助施工人員了解裝配式建筑的一種教學模式。由于我國裝配式建筑起步較晚，很多施工人員不熟悉具體施工模式，在接到裝配式建筑的項目時不知如何入手，由于工期緊而沒有大量時間去深度學習。施工培訓教學模塊由施工模擬、快速建模和自主拼裝功能組成，其中有許多事先構建好的裝配式建筑與預制板等模塊，施工人員可以通過施工模擬功能，運用VR眼鏡在虛擬世界全方位觀看裝配式建筑的整體施工流程。通過自主拼裝功能，施工人員可以用VR設備在虛擬功能模塊中，根據施工模擬中所學習到的施工流程進行預制板的搭接、塔吊的選擇和施工人員的安排，從而了解裝配式建筑預制板的搭接模式，如圖4所示。

同時，施工員還可以將施工圖紙導入到平臺上，針對所承接項目，通過快速建模功能建立模型，在虛擬模式中模擬預制板的搭接與施工場地的布置。系統(tǒng)會自動給出相應判斷與鑒別，從而鎖定虛擬施工過程中存在的錯誤，并在其成為現實問題之前發(fā)現并反饋給施工人員，而其可以依據信息實際及時地排除，重復演示，這將極大地節(jié)省投資、減少資源浪費、節(jié)約建設成本。

2.深化教學模塊

深化教學模塊指對裝配式建筑教學深度進一步拓展的模塊，該教學模塊主要針對于在校學生、行業(yè)研究人員，他們大多具備充足的學習時間。該教學模塊針對不同專業(yè)背景的人員，又可分為工程管理模塊與建筑設計模塊。

（1）工程管理教學模塊

傳統(tǒng)教學模式之中，往往只進行理論上的講解，然而理論上的教學對于學習者而言過于抽象，其所能學習的知識與能力較為局限，效果不顯著。而要想真正深入地了解整個施工過程，傳統(tǒng)上又必須實際參與，才能達到能力接受的直觀效果。由于學習場地、成本以及時間等因素，具備相關機會且學習時間的非常少。設計本教學模塊，主要針對學習者無法進入施工現場而建立，通過該教學模塊，學習者能夠使用VR參與整個施工過程，從而達到了解和掌握工程管理的目的。該教學模塊結合工程管理教學，主要由場地布置與施工進度管理兩個功能構成。

①場地布置功能

現階段的施工場地布置功能實現的軟件有很多，比如斯維爾、廣聯達等BIM軟件都有這個功能，但是其目前功能受到技術限制，均較為簡單，比如斯維爾的施工場布軟件只能在二維平面進行布置，這就造成了很大的局限性。比如其中構件的尺寸與現實構件的差異，以及其場地布置的合理性及規(guī)范性都難以精確地展示。

而BIM+VR混合技術平臺的設計，是一個全新的虛擬三維教學平臺，該平臺中有許多真實的裝配式建筑的施工場地案例（如圖5所示）。在場地布置功能中，學習者可以使用VR設備在虛擬模塊中學習，并模擬施工場地的布置，而其中的施工構件將按照現實中構件的尺寸整體縮小比例來布置。通過對比，其虛擬實現與現實吻合度將更高。同時，學習者還可以根據自己的知識學習程度來進行施工場地的布置與安排，如選用什么規(guī)格的塔吊、罐裝車行駛路線的安排等，系統(tǒng)則會根據學習者布置的場地，評估給出相應的分數和策略建議。通過實踐與理論相結合的方式，學習者將能夠更快更高效地掌握專業(yè)知識。

②合理性檢測功能

針對裝配式建筑，其關鍵節(jié)點的設計和施工是顯著的重點和難點。建筑中關鍵節(jié)點的施工質量將直接決定其安全性與保溫性，如墻體與主體結構的結構連接方式，地坪層、板縫、屋面和口窗洞口各位置間的保溫構造。施工中，如何選用板縫密封、外墻構造密封或口窗洞口的密封做法。裝配式建筑在施工過程中，往往出現兩塊板之間所形成的板縫為正八字形，很容易發(fā)生脫落傷人等現象。而在傳統(tǒng)的教學方式中，教學者很難將這些施工細節(jié)描述清楚，學習群體對其視覺現象也難以想象。

合理性檢測功能的實現，是針對施工環(huán)節(jié)中對所存在的問題進行檢測，并給出建議的一個功能，通過虛擬模塊，學習者可以站在裝配式建筑模型中的每一個點，對裝配式建筑預制板搭接節(jié)點進行檢測，如發(fā)現問題，學習團隊可以進行研究與討論，繼而給出解決方案，系統(tǒng)會根據學習者給出的相應方案，進行建筑模型修改。然后，學習者可觀看根據自己方案修改好的模型，然后再進行討論與反饋。此外，在面對不了解或者難以想象的相關問題時，系統(tǒng)會根據學習者提出的問題進行符合條件的解答，通過虛擬演示，將進一步提高學習者的學習興趣，并在裝配式建筑管理過程中，有效提高學習者優(yōu)化設計的能力。

（2）建筑設計模塊

傳統(tǒng)的教學內容通常都經過教師或教材的一定預先設計，并配備了內容詳細的指導書，學習者往往只能在教師所規(guī)定設計的教學框架內完成實驗，處于被動的狀態(tài)，這將難以激發(fā)其創(chuàng)造性與學習興趣。本研究所構建平臺的教學模式是一種新型的教學模式，該模塊由構件搭接、快速建模、評價功能與綠色分析功能組成，與快速教學模式不一樣的是，該模式除了有許多建筑配式建筑模型以外，還有各類預制構件（如門、窗、板、樓梯）的族庫。

學習者在構件搭接功能中，可以將模型進行拆分，了解其設計原理，同時還可以模擬各類預制構件的拼裝，就像積木搭建一樣將預先建立好的構件進行有規(guī)則有條件的搭接。學習者在這個過程中還可以將同類型的“族”進行對比與優(yōu)化，如可以將裝配式建筑模型中的一些預制構件給拆卸下來，更換上同類型不同材料的構件，然后通過屬性對比來學習預制構件的設計原理。

快速建模功能是開放給學習者讓其自己設計并建立模型的功能，操作者可以根據自己的想法進行預制構件的設計與建模，并可以設計與系統(tǒng)同類型不同屬性的構件，還可以設計與系統(tǒng)構件同屬性不同類別的構件，也可以根據自己的觀念結合專業(yè)知識設計構件建立模型，然后可以將所建立構件組裝在系統(tǒng)模型中。而通過評價功能，則會根據所建立構件的設計、功能、結構等屬性給予相應的評價與建議，這樣學習者便可以通過自己反復嘗試與建立構件，而達到能力接受與知識掌握的目的。

綠色分析功能，是指對建筑物采光通風等分析的功能，傳統(tǒng)軟件如斯維爾、Ecotect等能效分析軟件，其分析是通過二維平面進行的，無法直觀地表達相應分析效果。而本平臺綠色分析技術設計，將傳統(tǒng)的綠色分析技術與BIM建模技術、VR虛擬現實技術相結合的一種新型技術，可以在虛擬功能中實現在建筑立面觀看太陽光線、風力等氣候條件的變化，通過顯示參數與比對，從而能更完善地分析該建筑的采光性能與通風條件。

五、結論

目前，基于BIM+VR的裝配式建筑平臺在建筑及其教學領域運用較少，主要受到了技術、教學觀念、行業(yè)從業(yè)理念等因素限制，但在建筑信息化快速發(fā)展與技術普及之下，愈發(fā)受到社會及行業(yè)重視。本研究通過成熟軟件的整合、平臺應用的開發(fā)與模擬，期望基于BIM+VR混合技術的裝配式建筑教學平臺的運用能實現如下幾個目標：教學成本的降低，人才培養(yǎng)的系統(tǒng)化，工程管理成本降低，以及后期運營中的便捷管理和效益改善。上述目標的實現，也體現出BIM+VR技術的應用價值與發(fā)展前景。后續(xù)將在平臺功能模式上進一步改進，推動在企業(yè)中的施工培訓平臺的深入應用，創(chuàng)造更高的價值回報。

教學平臺對于裝配式建筑產業(yè)在我國的發(fā)展與推廣，具有如下三點重要意義：

1.推動裝配式建筑產業(yè)信息化發(fā)展

國務院《關于促進建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》及《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》明確指出，未來將大力推動裝配式建筑產業(yè)發(fā)展，并持續(xù)地應用實施BIM信息化技術。建筑行業(yè)中各參與方面臨新的挑戰(zhàn)與要求，亟需升級轉型。隨著裝配式建筑的產業(yè)推廣與持續(xù)深化，行業(yè)中將需要建筑信息化與工業(yè)化方面的技術人才補充，數量缺口巨大。通過新型技術的混合應用，將為廣大企業(yè)及院校如何培養(yǎng)合格的裝配式建筑產業(yè)人才提供新的路徑與參考。

2.打造新型的教學模式

利用平臺的信息化、大數據特性，充分發(fā)揮網絡功能和個性化服務能力，打造一個學習與實踐互動結合的教學模式，該服務平臺主要利用學習者的專業(yè)理論知識與社會服務需求的有機結合，打造專業(yè)與實踐相結合的鍛煉平臺，為學習者應用能力的培養(yǎng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提升奠定良好的基礎。同時，通過項目的構建、實施，為在校大學生提供一定的創(chuàng)業(yè)、就業(yè)渠道，在一定程度上減輕了大學生的就業(yè)壓力。

3.促進人才培養(yǎng)

建筑工程類應用型人才培養(yǎng)與生活、生產緊密結合，學習過程與虛擬現實技術相結合，讓學習者帶著興趣接受專業(yè)知識，通過VR技術與BIM模型的結合運用，讓學習者可以生動模擬裝配建筑的整個生命周期全過程，易于理解，便于知識記憶，為學習者掌握知識、提高學習質量提供有效途徑。

參考文獻：

[1]常春光，吳飛飛.基于BIM和RFID技術的裝配式建筑施工過程管理[J].沈陽建筑大學學報（社會科學版），2015，17（2）：170-174.

[2]史玉芳，康珅，王秀芬.基于SWOT分析的我國裝配式建筑發(fā)展對策研究[J].建筑經濟，2016，37（11）：5-9.

[3]蔣勤儉.國內外裝配式混凝土建筑發(fā)展綜述[J].建筑技術，2010，41（12）：1074-1077.

[4]齊寶庫，李長福.基于 BIM 的裝配式建筑全生命周期管理問題研究[J].施工技術，2014，43（15）：25-29.

[5]蘇蘊山.大力發(fā)展裝配式建筑推動建筑業(yè)轉型升級[J].建設科技，2016（Z1）：16-18.

[6]李潔，李正茂.淺析通過建筑工業(yè)化技術進步提高裝配式建筑經濟性[J].住宅產業(yè)，2013（8）：19-21.

[7]劉飛鵬.預制裝配式建筑生產施工現狀探究與對策[J].低碳世界，2016（13）：160-161（編輯：魯利瑞）