周兆銀，余政，周治臣，謝艷，蔡碩累

（重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

為確保工程建設(shè)項目的質(zhì)量管理、安全管理、進(jìn)度管理等工作順利開展，針對新技術(shù)、新工藝、新材料或者存在重點(diǎn)、難點(diǎn)工藝的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計圖紙和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)文件搭設(shè)實(shí)體樣板展示區(qū)，使接受展示的人員可清楚了解該節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量要求、施工工藝及注意事項等內(nèi)容[1]。目前，實(shí)體樣板展示區(qū)面臨的問題主要有以下三點(diǎn)[2]：第一，由于樣板區(qū)占地面積較大，易造成施工場地浪費(fèi)，影響施工現(xiàn)場部署；第二，傳統(tǒng)實(shí)體施工樣板區(qū)無法移動，拆除后無法回收利用，產(chǎn)生大量建筑垃圾，且多采用通用、常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)做法，對于復(fù)雜且具有嚴(yán)格施工工藝標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)區(qū)域無法準(zhǔn)確、細(xì)致表達(dá)；第三，實(shí)體施工樣板區(qū)需耗費(fèi)較多人力、物力和財力，增加成本支出。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）等技術(shù)被應(yīng)用于建筑設(shè)計、施工管理中，如建筑師在設(shè)計過程中可對三維建筑模型通過運(yùn)行碰撞檢查，進(jìn)一步優(yōu)化工程設(shè)計，減少在施工階段因設(shè)計問題導(dǎo)致的返工及損失；VR 技術(shù)可以使作業(yè)人員沉浸式體驗(yàn)各種危險性高的場景，通過虛擬安全體驗(yàn)區(qū)進(jìn)行真實(shí)互動，學(xué)習(xí)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(shí)體樣板存在的問題及數(shù)字化技術(shù)在建筑業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用，并響應(yīng)“十四五”高質(zhì)量發(fā)展號召，將BIM 技術(shù)、VR 技術(shù)與樣板結(jié)合，搭建一種隨時、高效、準(zhǔn)確、信息化和智能化的樣板引路，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)的可視化與VR 技術(shù)的交互性等優(yōu)勢，使BIM+VR 技術(shù)的虛擬樣板在施工管理中精確模擬工程建設(shè)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(jìn)行虛擬事故演練，有助于施工階段實(shí)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(shí)體樣板展示區(qū)的定義，有效克服實(shí)體樣板展示區(qū)搭設(shè)成本高、周期長、選址受限、材料浪費(fèi)等問題，實(shí)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(shù)虛擬樣板的構(gòu)建

1.1 基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬樣板總體設(shè)計

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

圖1 基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬樣板的總體設(shè)計

1.2 基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬樣板構(gòu)建流程

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

圖2 基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬樣板的構(gòu)建流程

1.2.1 收集資料

結(jié)合工程建設(shè)項目的需要，選取針對性的施工節(jié)點(diǎn)，通過查閱設(shè)計說明及圖紙獲取該節(jié)點(diǎn)在施工中所需要的材料型號、用量，施工工序等信息。根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、勘察報告等文件，檢查設(shè)計圖紙內(nèi)容是否滿足國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。充分理解相關(guān)技術(shù)資料后再進(jìn)行建模，保證后期建模的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，可指導(dǎo)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(zhǔn)確度，如各構(gòu)件的形體、尺寸、結(jié)構(gòu)層次等。在此階段，利用BIM 技術(shù)的輕量化、精細(xì)化等特點(diǎn)，使虛擬樣板模型具有體型小、易轉(zhuǎn)存的優(yōu)勢和拆分、隱藏等功能。

（2）將模型導(dǎo)入Lumion 軟件中進(jìn)行渲染，給予模型真實(shí)材質(zhì)、紋理等，以更好地表達(dá)實(shí)際施工場景。利用Lumion 軟件中的視頻編輯器和相機(jī)-拍照欄窗口，導(dǎo)出HD MP4 視頻文件和圖片，借助數(shù)字化技術(shù)生成二維碼，與企業(yè)公眾號或施工管理平臺相關(guān)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)用戶群體在線上不受限制地進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)，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(shù)是核心。利用Fuzor 軟件對模型的施工工序、施工工藝等信息進(jìn)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(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)闡述，并轉(zhuǎn)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(shè)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(hù)設(shè)施，以第一人稱的視角進(jìn)入虛擬場景，體驗(yàn)基于BIM+VR 技術(shù)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(shù)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(nèi)容按專業(yè)性質(zhì)、工程部位進(jìn)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(shè)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(shù)據(jù)庫和VR 場景模擬數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出后，直接使用或輕微修改后重復(fù)使用，減少不必要的重復(fù)性建模工作，提高虛擬樣板的使用率。

2 基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬樣板在重慶某高校建設(shè)項目中的應(yīng)用

2.1 工程概況

重慶市某高校檔案館建設(shè)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(shù)為1 層，建筑高度12.10m；檔案館6 層，建筑高度23.65m。主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計使用年限為50 年，抗震設(shè)防烈度為6 度。

2.2 基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬樣板的構(gòu)建

以項目KZ16 號結(jié)構(gòu)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(hù)層厚度為50mm，混凝土等級為C35。通過收集的項目KZ16 號結(jié)構(gòu)柱的資料，建立結(jié)構(gòu)柱虛擬樣板，如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)柱虛擬樣板

2.3 基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬樣板在施工管理中的應(yīng)用

2.3.1 優(yōu)化施工方案

在施工準(zhǔn)備階段，通過4D、5D 施工模擬對該項目的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工推演、進(jìn)度模擬、成本模擬等，可以清晰完整地查看結(jié)構(gòu)柱的施工過程，充分掌握結(jié)構(gòu)柱的施工工序、施工工藝等內(nèi)容，準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)柱在施工過程中的進(jìn)度、成本情況。同時，對整個項目進(jìn)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(fēng)險因素，針對出現(xiàn)的問題及時調(diào)整，將優(yōu)化后的虛擬樣板模型用于施工指導(dǎo)，使各項資源得到合理分配，以保證工程建設(shè)項目中的主要材料供應(yīng)計劃、勞動力配置計劃等順利進(jìn)行，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)施工環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)控制，從而減少預(yù)期之外的成本，保障工程建設(shè)項目得以順利按時完成。主體結(jié)構(gòu)的4D 進(jìn)度模擬演示場景如圖4 所示。

圖4 主體結(jié)構(gòu)的4D 進(jìn)度模擬演示場景

2.3.2 三維可視化技術(shù)交底

通過BIM 平臺的拆分、隱藏、實(shí)時測量功能，結(jié)合該項目設(shè)計說明及圖紙，可詳細(xì)查看結(jié)構(gòu)柱的細(xì)部尺寸、構(gòu)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(jié)構(gòu)柱的施工工藝、質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，有效解決傳統(tǒng)技術(shù)交底過程中描述錯誤或不清楚、技術(shù)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(fù)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(jīng)濟(jì)損失。

圖5 結(jié)構(gòu)柱虛擬樣板構(gòu)造展示

2.3.3 安全教育

根據(jù)以往住房和城鄉(xiāng)建設(shè)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(shù)量最多的事故類型[4]?？紤]該項目主體結(jié)構(gòu)施工時可能因模板拼接不嚴(yán)、模板支架或腳手架搭接不牢等原因?qū)е伦鳂I(yè)人員不慎墜落等事故，在施工現(xiàn)場搭建基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬安全體驗(yàn)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(hù)設(shè)施進(jìn)入虛擬場景，對不安全行為進(jìn)行真實(shí)化、零距離的安全情景模擬體驗(yàn)[5]，有效提高安全意識和應(yīng)急處置能力，以達(dá)到事前預(yù)防的目的，有效降低事故發(fā)生率?；贐IM+VR 技術(shù)的虛擬安全體驗(yàn)區(qū)如圖6 所示。

圖6 基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬安全體驗(yàn)區(qū)

2.3.4 培訓(xùn)考核

基于BIM+VR 技術(shù)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(hù)設(shè)施，連接手柄進(jìn)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(jìn)行評估；其次，在登錄選擇界面中選擇主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)柱的施工工序、施工工藝等內(nèi)容；最后，在施工模擬界面進(jìn)行在線考核，直至考核合格后方可完成該施工節(jié)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。有效避免了因作業(yè)人員技能的差別造成的施工標(biāo)準(zhǔn)差異，極大提升了作業(yè)人員的專業(yè)知識和技術(shù)能力，可進(jìn)一步保證工程質(zhì)量?；贐IM+VR 技術(shù)的主體結(jié)構(gòu)場景模擬如圖7 所示。

圖7 基于BIM+VR 技術(shù)的主體結(jié)構(gòu)場景模擬

3 基于BIM+VR 技術(shù)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(shù)的虛擬樣板的構(gòu)建流程和在施工管理中的應(yīng)用分析，與傳統(tǒng)實(shí)體樣板展示區(qū)相比，基于BIM+VR 技術(shù)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(shù)字化技術(shù)，使呈現(xiàn)形式多樣化、過程多元化。基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬樣板借助數(shù)字化技術(shù)，使虛擬樣板以視頻、圖片、虛擬場景等形式呈現(xiàn)，通過手機(jī)客戶端或計算機(jī)客戶端等線上服務(wù)手段即可反復(fù)體驗(yàn)施工節(jié)點(diǎn)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(shù)與VR 技術(shù)，使樣板周轉(zhuǎn)率增加、成本減少。首先，針對不同工程建設(shè)項目的需要，可根據(jù)具體情況對模型進(jìn)行修改，減少不必要的重復(fù)性建模工作，打破傳統(tǒng)實(shí)體樣板的一次性特點(diǎn)，避免材料和人工的浪費(fèi)，提升虛擬樣板周轉(zhuǎn)率；其次，相比于傳統(tǒng)實(shí)體樣板間，基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬場景體驗(yàn)區(qū)具有可拆卸、運(yùn)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(shù)的虛擬場景體驗(yàn)區(qū)，使技術(shù)交底更加便捷。基于BIM+VR 技術(shù)的虛擬樣板具有三維可視化、多感知性等特點(diǎn)，通過施工模擬、培訓(xùn)考核、安全教育等手段真實(shí)實(shí)現(xiàn)施工過程，對施工難點(diǎn)和重點(diǎn)進(jìn)行可視化的方案論證[6]，將施工工序、施工工藝等內(nèi)容通過三維模型傳遞給作業(yè)人員，使技術(shù)交底更加簡單、便捷，有效避免了因技術(shù)能力問題導(dǎo)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(shè)項目得以順利按時完成。

4 結(jié)論

本文通過分析傳統(tǒng)實(shí)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(shù)、VR 技術(shù)與樣板結(jié)合，搭建了一種隨時、高效、準(zhǔn)確、信息化和智能化的樣板引路，構(gòu)建了基于BIM+VR 技術(shù)的應(yīng)用場景。以重慶市某高校檔案館建設(shè)項目為工程背景，將其應(yīng)用在施工方案優(yōu)化、技術(shù)交底、安全教育、培訓(xùn)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(diǎn)的施工工序、施工工藝、質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，使涵蓋的階段全面化，覆蓋的過程動態(tài)化，實(shí)現(xiàn)“二維”到“三維”可視化的轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)實(shí)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(zhì)量、增強(qiáng)安全防范意識等優(yōu)勢，使BIM 和VR 技術(shù)在施工管理中不斷深入應(yīng)用，對建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級具有積極的推進(jìn)作用。