“BIM+VR”技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用
——以浮山縣丞相河特大橋?yàn)槔?/h1>
2021-01-15 16:08:22楊睿之
山西交通科技 2021年3期
楊睿之
（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）
0 引言
在世界上中國(guó)有蓬勃的交通基礎(chǔ)設(shè)施，高速公路、鐵路、港口里程均處于世界領(lǐng)先位置。不僅如此，隨著市場(chǎng)的發(fā)展，中國(guó)的交通產(chǎn)業(yè)與信息化之間的融合越來(lái)越明顯，也越來(lái)越快。同樣，BIM作為信息化的應(yīng)用手段，正在改變傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)格局。BIM憑借更高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，更快的施工速度，更低的建造成本，更通透的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，給交通領(lǐng)域增添了新的發(fā)展動(dòng)力。
BIM使用可視化仿真性能來(lái)分析公路項(xiàng)目并查看項(xiàng)目中的關(guān)鍵施工組件和過(guò)程，以更好地了解各種施工項(xiàng)目的管理者和建造者的施工技術(shù)。使用BIM技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安全布署的模擬，以提高安全性和合理性，項(xiàng)目管理人員也能非常直觀地了解公路施工各過(guò)程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和工序交叉情況,進(jìn)一步提高施工效率和施工方案的安全性[1]。
1 BIM和VR的概念
1.1 BIM的概念和產(chǎn)生背景
BIM是指基于先進(jìn)的三維數(shù)字建筑模型，為設(shè)計(jì)師、建筑師、水暖電工程師、開(kāi)發(fā)者乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析的科學(xué)協(xié)作平臺(tái)，幫助他們利用三維數(shù)字模型對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)管理”。
對(duì)于設(shè)計(jì)師和工程師而言，BIM不僅要求將設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)從二維到三維的轉(zhuǎn)變，更要求在設(shè)計(jì)階段貫徹協(xié)同設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)和可持續(xù)設(shè)計(jì)理念，達(dá)到節(jié)約能源、降低成本和提高效率的目的。BIM絕對(duì)不是一種工具，而是一種理念。
BIM模型可以持續(xù)即時(shí)地提供項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)度以及成本信息，這些信息準(zhǔn)確完善并且百分百協(xié)調(diào)。BIM模型可以幫助設(shè)計(jì)人員、施工單位以及業(yè)主單位及時(shí)清楚地了解項(xiàng)目全部信息。項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理的過(guò)程中能夠加快進(jìn)度、提高質(zhì)量，也可以更好更快地完成。
BIM模型的應(yīng)用不僅僅局限于設(shè)計(jì)階段，而是貫穿于整個(gè)公路工程項(xiàng)目的全生命周期的各個(gè)階段：前期的勘察規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)[2]，BIM模型的信息將可在項(xiàng)目的各個(gè)參與方之間進(jìn)行共享。
1.2 VR的概念和產(chǎn)生背景
虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)虛擬的三維世界，為用戶創(chuàng)造出關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓用戶如同親身經(jīng)歷一般，可以沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物[2]。
早在20世紀(jì)80年代，有關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)的構(gòu)想被美國(guó)VPL公司的創(chuàng)始人拉尼爾（Jaron Lanier）提出。在1968年的美國(guó)，第一個(gè)圖形可視化的“虛擬現(xiàn)實(shí)”設(shè)備被計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父Ivan Sutherland開(kāi)發(fā)出來(lái)，但在當(dāng)時(shí)還不叫“VR”，而是被稱為“頭戴顯示”或“頭盔顯示”（Head Mounted Display,HMD）。現(xiàn)階段的虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡或者虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔在技術(shù)層面上仍可劃分為HMD的范疇。
現(xiàn)今，VR技術(shù)已經(jīng)融入了圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)等新的信息技術(shù)，VR為體驗(yàn)虛擬世界提供了強(qiáng)有力的手段，已經(jīng)成為一項(xiàng)人們生活、學(xué)習(xí)、工作廣泛應(yīng)用的技術(shù)。2013年谷歌眼鏡（Google Glass）現(xiàn)世，“虛擬現(xiàn)實(shí)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)逐漸走進(jìn)公眾的視野。盡管谷歌眼鏡的整體顯7K效果低于同一時(shí)期的所有電子產(chǎn)品，但其新穎的成像方式和展示方式得到了人們很大的關(guān)注。這背后揭示了人們對(duì)于已經(jīng)沿用了多年的傳統(tǒng)平面顯示方式的審美疲勞和對(duì)新穎顯示方式的強(qiáng)烈期待。
最近幾年，VR技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸以產(chǎn)品的形式占據(jù)市場(chǎng)，商業(yè)化的趨勢(shì)日益明顯。與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在對(duì)于VR技術(shù)研究時(shí)間及成果上我國(guó)是比較滯后的。在國(guó)外VR技術(shù)高速發(fā)展的刺激下，國(guó)家科研工程中的核心工程也加入了VR技術(shù)，簽過(guò)的科研機(jī)構(gòu)也都積極地推進(jìn)VR技術(shù)的研究工作，其研究成果極其顯著。比如，作為我國(guó)最早參與VR技術(shù)研究的高?！本┖娇蘸教齑髮W(xué)是比較具有權(quán)威性和專業(yè)性的，他們主要進(jìn)行VR技術(shù)中的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)及分布式虛擬環(huán)境等方面的研究工作以及對(duì)VR技術(shù)中物體處理模式的探索。
2 BIM+VR在丞相河特大橋項(xiàng)目中的應(yīng)用
2.1 項(xiàng)目概況
浮山縣丞相河特大橋是國(guó)道241北王鄉(xiāng)至縣城段改線工程項(xiàng)目中的重要控制性節(jié)點(diǎn)，橋梁全長(zhǎng)1 316.08 m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用雙塔斜向雙索面混凝土矮塔斜拉橋，主跨160 m，下部結(jié)構(gòu)采用薄壁Y型空心墩、柱式臺(tái)或柱板臺(tái)，樁基均采用灌注樁基礎(chǔ)。
2.2 項(xiàng)目主要的設(shè)計(jì)方法
2.2.1 采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)
全線僅有的丞相河特大橋引橋采用40 m預(yù)制T梁，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化。設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的工作成本都能得到有效控制，工期較短，工程質(zhì)量符合要求，主要的結(jié)構(gòu)類型為上跨結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)槲磥?lái)的交通運(yùn)輸提供便利，為將來(lái)有可能進(jìn)行工程二期建設(shè)留下條件和空間，能夠?qū)蛄鹤陨淼慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性完美呈現(xiàn)。
2.2.2 注重橋梁景觀設(shè)計(jì)
丞相河特大橋主橋采用雙塔斜向雙索面Y型矮塔斜拉橋，Y型塔索面外傾斜增強(qiáng)了塔身和拉索在空間的層次感，大幅提升了矮塔斜拉橋的上部塔柱，使其更加醒目，同時(shí)也考慮到駕駛員在車上的視野，讓人們的視野廣闊舒暢。
2.2.3 加強(qiáng)橋梁排水設(shè)計(jì)
橋梁跨越水庫(kù)，為了避免對(duì)水體的污染，排水采用集中排水加收集池的設(shè)計(jì)。
2.2.4 重視橋墩耐久性設(shè)計(jì)
a）對(duì)淹沒(méi)范圍內(nèi)的橋墩設(shè)置水下玻纖套筒，利用玻纖套筒的抗侵蝕特性來(lái)有效保護(hù)混凝土基材。
b）在承臺(tái)周圍設(shè)置石籠護(hù)坦，防止水庫(kù)泄洪的時(shí)候樁基被沖蝕，提高樁基結(jié)構(gòu)安全性。橋墩位置處采取M7.5漿砌片石岸坡防護(hù)、水土保持措施，確保岸坡穩(wěn)定。
2.3 項(xiàng)目和信息技術(shù)的對(duì)接
在本項(xiàng)目的BIM工作中，建模部分?jǐn)M采用Dassault 3DEXPERIENCE系列軟件，其中Dassault公司的CATIA是全球高端的設(shè)計(jì)制造軟件，它的三維建模能力、呈現(xiàn)的水平和信息集合能力都在行業(yè)內(nèi)數(shù)一數(shù)二。
可視化模型渲染，使用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)引擎進(jìn)行三維動(dòng)畫漫游部分。開(kāi)發(fā)引擎擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比很高，功能強(qiáng)大，動(dòng)畫制作成本大大降低，而且它對(duì)開(kāi)發(fā)硬件的要求較低，常采用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用廣泛易上手，而且制作流程簡(jiǎn)潔高效，操作性簡(jiǎn)便。同時(shí)具有可以自定義文件類型、所見(jiàn)即所得、跨平臺(tái)發(fā)布等諸多優(yōu)點(diǎn)。
2.4 模型與VR的結(jié)合
利用VR技術(shù)，可以以三維立體的方式直觀地展現(xiàn)橋梁的上下部結(jié)構(gòu)、各個(gè)構(gòu)件三維模型和二維圖紙的結(jié)合情況，了解橋梁如鋼筋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜情況，了解橋梁各部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、周邊空間位置，并在設(shè)計(jì)階段就可以“看”大橋建成之后的樣子。
利用BIM技術(shù)，可根據(jù)路線信息、橋梁的孔徑信息及中心樁號(hào)等信息，快速完成橋梁BIM模型，結(jié)合地形模型，生成橋梁模型與地形相結(jié)合的完整模型，利用Unity3D，將模型導(dǎo)入到場(chǎng)景中，在軟件中完成項(xiàng)目模型以及地形的貼圖和渲染，并利用二次開(kāi)發(fā)，將信息量很大的模型進(jìn)行輕量化處理，減少其不必要的信息，只保留VR需要的項(xiàng)目模型信息。
在Unity3D中完成和SteamVR的接口對(duì)接，使開(kāi)發(fā)環(huán)境與展示環(huán)境相結(jié)合，最終將VR項(xiàng)目利用SteamVR與HTCvive進(jìn)行成果展示。
同時(shí)，VR與BIM三維模型的結(jié)合，也增強(qiáng)了可視性和具象性。在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境當(dāng)中，為用戶提供交互性設(shè)計(jì)和可視化成果。
3 BIM+VR在公路工程項(xiàng)目中的意義
3.1 檢測(cè)錯(cuò)誤和沖突
在建設(shè)項(xiàng)目的早期，一些設(shè)計(jì)上的矛盾和不一致無(wú)法在二維工程圖上看到，并且可能太過(guò)復(fù)雜而無(wú)法僅通過(guò)三維模型輕松檢測(cè)到。此外，項(xiàng)目初期就探測(cè)出錯(cuò)誤和沖突，可避免在設(shè)計(jì)的后期或者施工現(xiàn)場(chǎng)才發(fā)現(xiàn)。這些未知的錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致最終預(yù)算的超出、變更過(guò)多造成項(xiàng)目延期。使用BIM技術(shù)和VR技術(shù)是預(yù)測(cè)施工項(xiàng)目中問(wèn)題的最佳方法。
3.2 優(yōu)化成本和精度
公路工程行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)是十分激烈的，不僅僅是關(guān)于工作是否完成，更重要的是如何才能節(jié)省時(shí)間和控制成本，這就是為什么數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以幫助該行業(yè)改善其成本和合理安排運(yùn)營(yíng)計(jì)劃。VR技術(shù)是一個(gè)可以幫助降低建造成本的工具，可以進(jìn)入BIM模型并在每個(gè)建造步驟中確定成本的優(yōu)化和進(jìn)度推進(jìn)的可能性。
3.3 改善溝通
改善與利益相關(guān)者之間的溝通是建設(shè)項(xiàng)目（尤其是大型項(xiàng)目或復(fù)雜項(xiàng)目）面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，避免項(xiàng)目信息的孤島。借助BIM技術(shù)和VR技術(shù)，可以共享每個(gè)團(tuán)隊(duì)所需要的所有數(shù)據(jù)，提供一個(gè)即使異地也能夠在仿真建筑物上協(xié)同工作的環(huán)境，可以使不同的團(tuán)隊(duì)更好地協(xié)同運(yùn)營(yíng)。
3.4 提高交底質(zhì)量
在虛擬的環(huán)境中BIM技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)可以更快地實(shí)現(xiàn)、更可靠地決策以及利益相關(guān)者之間可以更好地溝通。每個(gè)人在項(xiàng)目上更好地進(jìn)行協(xié)作，更好地考慮預(yù)算成本，這樣有助于提升整個(gè)項(xiàng)目的質(zhì)量。同時(shí)團(tuán)隊(duì)之間更好地溝通也可以減少錯(cuò)誤，更不會(huì)造成誤解。
3.5 避免不必要的返工
VR技術(shù)增強(qiáng)了項(xiàng)目不同參與方之間的溝通，減少了大量的返工，避免了因缺少細(xì)節(jié)和計(jì)劃的不正確而造成的拖延。項(xiàng)目的各個(gè)參與方可快速地訪問(wèn)最新的計(jì)劃、最新的問(wèn)題和最新的變更，可跟蹤到項(xiàng)目的日常進(jìn)度，可使所有的項(xiàng)目參與方更了解該項(xiàng)目的進(jìn)程，更早更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)解決問(wèn)題，也可提前發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致返工的不穩(wěn)定因素，及時(shí)規(guī)避。
4 基于BIM+VR的公路工程的發(fā)展趨勢(shì)
4.1 在BIM+VR的設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中工程師扮演的角色
BIM技術(shù)是一種全新的設(shè)計(jì)思維和精益求精的設(shè)計(jì)和管理態(tài)度，BIM不是一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)字模式，它更是一個(gè)數(shù)字化的信息平臺(tái)。工程師對(duì)于BIM+VR技術(shù)的應(yīng)用，更是一個(gè)項(xiàng)目是否運(yùn)用好BIM+VR技術(shù)的關(guān)鍵因素。
傳統(tǒng)的工作方式中，工程師依靠二維平面圖做溝通，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤、信息落差以及對(duì)平面圖解讀有差異，因此，圖面在溝通的過(guò)程中相對(duì)費(fèi)勁。工程師利用BIM工具，會(huì)應(yīng)用三度空間的觀念，以三維可視化信息模型操作，進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工的檢討與溝通，以達(dá)到解決相關(guān)問(wèn)題、避免圖面錯(cuò)誤的解讀。工程師可通過(guò)BIM技術(shù)，把時(shí)間、空間、成本等信息整合在同一個(gè)四維模型當(dāng)中，有效掌握安排工期工序，有效配置施工區(qū)域達(dá)到空間最大合理化。在進(jìn)度控制上能夠結(jié)合BIM全生命周期、參數(shù)化模型的特點(diǎn)做進(jìn)度排程的工序、工時(shí)規(guī)劃。
4.2 新的技術(shù)打破了公路行業(yè)的局限性
a）通過(guò)BIM+VR技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及鋼筋等部分在設(shè)計(jì)施工階段的碰撞檢測(cè)、分析和模擬，提前消除沖突，減少重復(fù)工作。
b）改善不同專業(yè)間的溝通質(zhì)量，快速建模快速查看，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)內(nèi)容。
c）設(shè)計(jì)與施工的順利協(xié)作保障施工正確及質(zhì)量。
d）正確的施工圖由模型產(chǎn)出，傳遞正確設(shè)計(jì)信息給營(yíng)建商。
e）直觀展示四維建筑信息模型，項(xiàng)目各參與方通過(guò)在虛擬現(xiàn)實(shí)中提前體驗(yàn)工程項(xiàng)目，使設(shè)計(jì)能更好地服務(wù)于工程需求。
4.3 BIM+VR技術(shù)還需要解決的難點(diǎn)和重點(diǎn)
a）軟件的整合性不夠，模型格式各有差異，在轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的過(guò)程中，過(guò)程極其繁瑣，耗時(shí)耗力還會(huì)使得模型丟失大量的數(shù)據(jù)和信息，從而造成BIM數(shù)據(jù)信息不全。
b）目前VR技術(shù)還在一定程度上缺乏豐富的內(nèi)容資源，在某些時(shí)候難以表現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)的真正價(jià)值，VR模型的建立與內(nèi)容、功能上的調(diào)整更需投入大量成本，新技術(shù)存在落地難的困境。
c）VR技術(shù)所能承載的模型還有一定的局限性，模型所包含的信息也不能太多，在保證VR運(yùn)行流暢的前提下是必須要對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理，同時(shí)也需要對(duì)模型所包含的信息進(jìn)行刪減，使得VR技術(shù)在大型工程項(xiàng)目中有些雞肋。
5 結(jié)論
BIM+VR是在一個(gè)多維空間中放入建筑三維信息模型，并使用戶身臨其境地感受此三維模型，得出用戶想要的信息。這等于是說(shuō)在施工前我們已經(jīng)看過(guò)了成型后的“實(shí)體”，這是能夠在不花費(fèi)實(shí)際成本的條件下讓我們看到建筑的最終效果，如果不滿意，可以直接進(jìn)行模型拆改、重組，達(dá)到想要的效果為止。此技術(shù)可以有效地避免施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際因各專業(yè)沖突或方案效果不滿意而造成的打樣拆改環(huán)節(jié)，大大節(jié)約成本，縮短了施工周期。BIM+VR技術(shù)有望解決公路工程項(xiàng)目現(xiàn)存的痛點(diǎn)。
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BIM使用可視化仿真性能來(lái)分析公路項(xiàng)目并查看項(xiàng)目中的關(guān)鍵施工組件和過(guò)程，以更好地了解各種施工項(xiàng)目的管理者和建造者的施工技術(shù)。使用BIM技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安全布署的模擬，以提高安全性和合理性，項(xiàng)目管理人員也能非常直觀地了解公路施工各過(guò)程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和工序交叉情況,進(jìn)一步提高施工效率和施工方案的安全性[1]。
1 BIM和VR的概念
1.1 BIM的概念和產(chǎn)生背景
BIM是指基于先進(jìn)的三維數(shù)字建筑模型，為設(shè)計(jì)師、建筑師、水暖電工程師、開(kāi)發(fā)者乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析的科學(xué)協(xié)作平臺(tái)，幫助他們利用三維數(shù)字模型對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)管理”。
對(duì)于設(shè)計(jì)師和工程師而言，BIM不僅要求將設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)從二維到三維的轉(zhuǎn)變，更要求在設(shè)計(jì)階段貫徹協(xié)同設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)和可持續(xù)設(shè)計(jì)理念，達(dá)到節(jié)約能源、降低成本和提高效率的目的。BIM絕對(duì)不是一種工具，而是一種理念。
BIM模型可以持續(xù)即時(shí)地提供項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)度以及成本信息，這些信息準(zhǔn)確完善并且百分百協(xié)調(diào)。BIM模型可以幫助設(shè)計(jì)人員、施工單位以及業(yè)主單位及時(shí)清楚地了解項(xiàng)目全部信息。項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理的過(guò)程中能夠加快進(jìn)度、提高質(zhì)量，也可以更好更快地完成。
BIM模型的應(yīng)用不僅僅局限于設(shè)計(jì)階段，而是貫穿于整個(gè)公路工程項(xiàng)目的全生命周期的各個(gè)階段：前期的勘察規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)[2]，BIM模型的信息將可在項(xiàng)目的各個(gè)參與方之間進(jìn)行共享。
1.2 VR的概念和產(chǎn)生背景
虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)虛擬的三維世界，為用戶創(chuàng)造出關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓用戶如同親身經(jīng)歷一般，可以沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物[2]。
早在20世紀(jì)80年代，有關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)的構(gòu)想被美國(guó)VPL公司的創(chuàng)始人拉尼爾（Jaron Lanier）提出。在1968年的美國(guó)，第一個(gè)圖形可視化的“虛擬現(xiàn)實(shí)”設(shè)備被計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父Ivan Sutherland開(kāi)發(fā)出來(lái)，但在當(dāng)時(shí)還不叫“VR”，而是被稱為“頭戴顯示”或“頭盔顯示”（Head Mounted Display,HMD）。現(xiàn)階段的虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡或者虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔在技術(shù)層面上仍可劃分為HMD的范疇。
現(xiàn)今，VR技術(shù)已經(jīng)融入了圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)等新的信息技術(shù)，VR為體驗(yàn)虛擬世界提供了強(qiáng)有力的手段，已經(jīng)成為一項(xiàng)人們生活、學(xué)習(xí)、工作廣泛應(yīng)用的技術(shù)。2013年谷歌眼鏡（Google Glass）現(xiàn)世，“虛擬現(xiàn)實(shí)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)逐漸走進(jìn)公眾的視野。盡管谷歌眼鏡的整體顯7K效果低于同一時(shí)期的所有電子產(chǎn)品，但其新穎的成像方式和展示方式得到了人們很大的關(guān)注。這背后揭示了人們對(duì)于已經(jīng)沿用了多年的傳統(tǒng)平面顯示方式的審美疲勞和對(duì)新穎顯示方式的強(qiáng)烈期待。
最近幾年，VR技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸以產(chǎn)品的形式占據(jù)市場(chǎng)，商業(yè)化的趨勢(shì)日益明顯。與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在對(duì)于VR技術(shù)研究時(shí)間及成果上我國(guó)是比較滯后的。在國(guó)外VR技術(shù)高速發(fā)展的刺激下，國(guó)家科研工程中的核心工程也加入了VR技術(shù)，簽過(guò)的科研機(jī)構(gòu)也都積極地推進(jìn)VR技術(shù)的研究工作，其研究成果極其顯著。比如，作為我國(guó)最早參與VR技術(shù)研究的高?！本┖娇蘸教齑髮W(xué)是比較具有權(quán)威性和專業(yè)性的，他們主要進(jìn)行VR技術(shù)中的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)及分布式虛擬環(huán)境等方面的研究工作以及對(duì)VR技術(shù)中物體處理模式的探索。
2 BIM+VR在丞相河特大橋項(xiàng)目中的應(yīng)用
2.1 項(xiàng)目概況
浮山縣丞相河特大橋是國(guó)道241北王鄉(xiāng)至縣城段改線工程項(xiàng)目中的重要控制性節(jié)點(diǎn)，橋梁全長(zhǎng)1 316.08 m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用雙塔斜向雙索面混凝土矮塔斜拉橋，主跨160 m，下部結(jié)構(gòu)采用薄壁Y型空心墩、柱式臺(tái)或柱板臺(tái)，樁基均采用灌注樁基礎(chǔ)。
2.2 項(xiàng)目主要的設(shè)計(jì)方法
2.2.1 采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)
全線僅有的丞相河特大橋引橋采用40 m預(yù)制T梁，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化。設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的工作成本都能得到有效控制，工期較短，工程質(zhì)量符合要求，主要的結(jié)構(gòu)類型為上跨結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)槲磥?lái)的交通運(yùn)輸提供便利，為將來(lái)有可能進(jìn)行工程二期建設(shè)留下條件和空間，能夠?qū)蛄鹤陨淼慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性完美呈現(xiàn)。
2.2.2 注重橋梁景觀設(shè)計(jì)
丞相河特大橋主橋采用雙塔斜向雙索面Y型矮塔斜拉橋，Y型塔索面外傾斜增強(qiáng)了塔身和拉索在空間的層次感，大幅提升了矮塔斜拉橋的上部塔柱，使其更加醒目，同時(shí)也考慮到駕駛員在車上的視野，讓人們的視野廣闊舒暢。
2.2.3 加強(qiáng)橋梁排水設(shè)計(jì)
橋梁跨越水庫(kù)，為了避免對(duì)水體的污染，排水采用集中排水加收集池的設(shè)計(jì)。
2.2.4 重視橋墩耐久性設(shè)計(jì)
a）對(duì)淹沒(méi)范圍內(nèi)的橋墩設(shè)置水下玻纖套筒，利用玻纖套筒的抗侵蝕特性來(lái)有效保護(hù)混凝土基材。
b）在承臺(tái)周圍設(shè)置石籠護(hù)坦，防止水庫(kù)泄洪的時(shí)候樁基被沖蝕，提高樁基結(jié)構(gòu)安全性。橋墩位置處采取M7.5漿砌片石岸坡防護(hù)、水土保持措施，確保岸坡穩(wěn)定。
2.3 項(xiàng)目和信息技術(shù)的對(duì)接
在本項(xiàng)目的BIM工作中，建模部分?jǐn)M采用Dassault 3DEXPERIENCE系列軟件，其中Dassault公司的CATIA是全球高端的設(shè)計(jì)制造軟件，它的三維建模能力、呈現(xiàn)的水平和信息集合能力都在行業(yè)內(nèi)數(shù)一數(shù)二。
可視化模型渲染，使用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)引擎進(jìn)行三維動(dòng)畫漫游部分。開(kāi)發(fā)引擎擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比很高，功能強(qiáng)大，動(dòng)畫制作成本大大降低，而且它對(duì)開(kāi)發(fā)硬件的要求較低，常采用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用廣泛易上手，而且制作流程簡(jiǎn)潔高效，操作性簡(jiǎn)便。同時(shí)具有可以自定義文件類型、所見(jiàn)即所得、跨平臺(tái)發(fā)布等諸多優(yōu)點(diǎn)。
2.4 模型與VR的結(jié)合
利用VR技術(shù)，可以以三維立體的方式直觀地展現(xiàn)橋梁的上下部結(jié)構(gòu)、各個(gè)構(gòu)件三維模型和二維圖紙的結(jié)合情況，了解橋梁如鋼筋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜情況，了解橋梁各部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、周邊空間位置，并在設(shè)計(jì)階段就可以“看”大橋建成之后的樣子。
利用BIM技術(shù)，可根據(jù)路線信息、橋梁的孔徑信息及中心樁號(hào)等信息，快速完成橋梁BIM模型，結(jié)合地形模型，生成橋梁模型與地形相結(jié)合的完整模型，利用Unity3D，將模型導(dǎo)入到場(chǎng)景中，在軟件中完成項(xiàng)目模型以及地形的貼圖和渲染，并利用二次開(kāi)發(fā)，將信息量很大的模型進(jìn)行輕量化處理，減少其不必要的信息，只保留VR需要的項(xiàng)目模型信息。
在Unity3D中完成和SteamVR的接口對(duì)接，使開(kāi)發(fā)環(huán)境與展示環(huán)境相結(jié)合，最終將VR項(xiàng)目利用SteamVR與HTCvive進(jìn)行成果展示。
同時(shí)，VR與BIM三維模型的結(jié)合，也增強(qiáng)了可視性和具象性。在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境當(dāng)中，為用戶提供交互性設(shè)計(jì)和可視化成果。
3 BIM+VR在公路工程項(xiàng)目中的意義
3.1 檢測(cè)錯(cuò)誤和沖突
在建設(shè)項(xiàng)目的早期，一些設(shè)計(jì)上的矛盾和不一致無(wú)法在二維工程圖上看到，并且可能太過(guò)復(fù)雜而無(wú)法僅通過(guò)三維模型輕松檢測(cè)到。此外，項(xiàng)目初期就探測(cè)出錯(cuò)誤和沖突，可避免在設(shè)計(jì)的后期或者施工現(xiàn)場(chǎng)才發(fā)現(xiàn)。這些未知的錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致最終預(yù)算的超出、變更過(guò)多造成項(xiàng)目延期。使用BIM技術(shù)和VR技術(shù)是預(yù)測(cè)施工項(xiàng)目中問(wèn)題的最佳方法。
3.2 優(yōu)化成本和精度
公路工程行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)是十分激烈的，不僅僅是關(guān)于工作是否完成，更重要的是如何才能節(jié)省時(shí)間和控制成本，這就是為什么數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以幫助該行業(yè)改善其成本和合理安排運(yùn)營(yíng)計(jì)劃。VR技術(shù)是一個(gè)可以幫助降低建造成本的工具，可以進(jìn)入BIM模型并在每個(gè)建造步驟中確定成本的優(yōu)化和進(jìn)度推進(jìn)的可能性。
3.3 改善溝通
改善與利益相關(guān)者之間的溝通是建設(shè)項(xiàng)目（尤其是大型項(xiàng)目或復(fù)雜項(xiàng)目）面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，避免項(xiàng)目信息的孤島。借助BIM技術(shù)和VR技術(shù)，可以共享每個(gè)團(tuán)隊(duì)所需要的所有數(shù)據(jù)，提供一個(gè)即使異地也能夠在仿真建筑物上協(xié)同工作的環(huán)境，可以使不同的團(tuán)隊(duì)更好地協(xié)同運(yùn)營(yíng)。
3.4 提高交底質(zhì)量
在虛擬的環(huán)境中BIM技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)可以更快地實(shí)現(xiàn)、更可靠地決策以及利益相關(guān)者之間可以更好地溝通。每個(gè)人在項(xiàng)目上更好地進(jìn)行協(xié)作，更好地考慮預(yù)算成本，這樣有助于提升整個(gè)項(xiàng)目的質(zhì)量。同時(shí)團(tuán)隊(duì)之間更好地溝通也可以減少錯(cuò)誤，更不會(huì)造成誤解。
3.5 避免不必要的返工
VR技術(shù)增強(qiáng)了項(xiàng)目不同參與方之間的溝通，減少了大量的返工，避免了因缺少細(xì)節(jié)和計(jì)劃的不正確而造成的拖延。項(xiàng)目的各個(gè)參與方可快速地訪問(wèn)最新的計(jì)劃、最新的問(wèn)題和最新的變更，可跟蹤到項(xiàng)目的日常進(jìn)度，可使所有的項(xiàng)目參與方更了解該項(xiàng)目的進(jìn)程，更早更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)解決問(wèn)題，也可提前發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致返工的不穩(wěn)定因素，及時(shí)規(guī)避。
4 基于BIM+VR的公路工程的發(fā)展趨勢(shì)
4.1 在BIM+VR的設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中工程師扮演的角色
BIM技術(shù)是一種全新的設(shè)計(jì)思維和精益求精的設(shè)計(jì)和管理態(tài)度，BIM不是一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)字模式，它更是一個(gè)數(shù)字化的信息平臺(tái)。工程師對(duì)于BIM+VR技術(shù)的應(yīng)用，更是一個(gè)項(xiàng)目是否運(yùn)用好BIM+VR技術(shù)的關(guān)鍵因素。
傳統(tǒng)的工作方式中，工程師依靠二維平面圖做溝通，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤、信息落差以及對(duì)平面圖解讀有差異，因此，圖面在溝通的過(guò)程中相對(duì)費(fèi)勁。工程師利用BIM工具，會(huì)應(yīng)用三度空間的觀念，以三維可視化信息模型操作，進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工的檢討與溝通，以達(dá)到解決相關(guān)問(wèn)題、避免圖面錯(cuò)誤的解讀。工程師可通過(guò)BIM技術(shù)，把時(shí)間、空間、成本等信息整合在同一個(gè)四維模型當(dāng)中，有效掌握安排工期工序，有效配置施工區(qū)域達(dá)到空間最大合理化。在進(jìn)度控制上能夠結(jié)合BIM全生命周期、參數(shù)化模型的特點(diǎn)做進(jìn)度排程的工序、工時(shí)規(guī)劃。
4.2 新的技術(shù)打破了公路行業(yè)的局限性
a）通過(guò)BIM+VR技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及鋼筋等部分在設(shè)計(jì)施工階段的碰撞檢測(cè)、分析和模擬，提前消除沖突，減少重復(fù)工作。
b）改善不同專業(yè)間的溝通質(zhì)量，快速建模快速查看，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)內(nèi)容。
c）設(shè)計(jì)與施工的順利協(xié)作保障施工正確及質(zhì)量。
d）正確的施工圖由模型產(chǎn)出，傳遞正確設(shè)計(jì)信息給營(yíng)建商。
e）直觀展示四維建筑信息模型，項(xiàng)目各參與方通過(guò)在虛擬現(xiàn)實(shí)中提前體驗(yàn)工程項(xiàng)目，使設(shè)計(jì)能更好地服務(wù)于工程需求。
4.3 BIM+VR技術(shù)還需要解決的難點(diǎn)和重點(diǎn)
a）軟件的整合性不夠，模型格式各有差異，在轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的過(guò)程中，過(guò)程極其繁瑣，耗時(shí)耗力還會(huì)使得模型丟失大量的數(shù)據(jù)和信息，從而造成BIM數(shù)據(jù)信息不全。
b）目前VR技術(shù)還在一定程度上缺乏豐富的內(nèi)容資源，在某些時(shí)候難以表現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)的真正價(jià)值，VR模型的建立與內(nèi)容、功能上的調(diào)整更需投入大量成本，新技術(shù)存在落地難的困境。
c）VR技術(shù)所能承載的模型還有一定的局限性，模型所包含的信息也不能太多，在保證VR運(yùn)行流暢的前提下是必須要對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理，同時(shí)也需要對(duì)模型所包含的信息進(jìn)行刪減，使得VR技術(shù)在大型工程項(xiàng)目中有些雞肋。
5 結(jié)論
BIM+VR是在一個(gè)多維空間中放入建筑三維信息模型，并使用戶身臨其境地感受此三維模型，得出用戶想要的信息。這等于是說(shuō)在施工前我們已經(jīng)看過(guò)了成型后的“實(shí)體”，這是能夠在不花費(fèi)實(shí)際成本的條件下讓我們看到建筑的最終效果，如果不滿意，可以直接進(jìn)行模型拆改、重組，達(dá)到想要的效果為止。此技術(shù)可以有效地避免施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際因各專業(yè)沖突或方案效果不滿意而造成的打樣拆改環(huán)節(jié)，大大節(jié)約成本，縮短了施工周期。BIM+VR技術(shù)有望解決公路工程項(xiàng)目現(xiàn)存的痛點(diǎn)。
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