基于BIM模型對(duì)工程施工管理中VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用研究

張道衢　黃樹利　張桂松

摘要內(nèi)容：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及國家對(duì)BIM技術(shù)的大力推行，近年來，我國建筑行業(yè)飛速發(fā)展，建筑形式多樣，施工技術(shù)不斷更新，參與角色更為多元。傳統(tǒng)的二維圖紙已不能滿足當(dāng)今建筑行業(yè)的需求，BIM技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際工程中，實(shí)現(xiàn)多方協(xié)同合作，VR技術(shù)能更直觀地模擬真實(shí)的環(huán)境，增加互動(dòng)性 。在實(shí)際項(xiàng)目中，利用VR技術(shù)模擬真實(shí)的三維環(huán)境，對(duì)其在施工進(jìn)度管理、成本管理、質(zhì)量管理、安全管理等方面的應(yīng)用進(jìn)行探討，為解決工程問題 提供有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);施工管理

1? BIM與VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

1.1? BIM 技術(shù)

BIM（Building Information Modeling）簡稱建筑信息模型，最初是由美國佐治亞技術(shù)學(xué)院建筑與計(jì)算機(jī)專業(yè)的扎克伊士曼提出的，把不同階段、不同專業(yè)的所有建筑信息，整合集成在統(tǒng)一的三維模型中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方、施工方、運(yùn)營方等各方在設(shè)計(jì)過程、施工過程、運(yùn)營管理過程的信息共享、協(xié)同工作。BIM技術(shù)以模型作為載體，將建筑結(jié)構(gòu)等各個(gè)專業(yè)的相關(guān)信息集合到模型中，使數(shù)據(jù)具有完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，建立多維度、結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫，解決建筑工程中海量數(shù)據(jù)的建立與管理、因技術(shù)造成的返工和多專業(yè)協(xié)同復(fù)雜的難題，在數(shù)據(jù)、技術(shù)和協(xié)同管理三大層面，提供了革命性項(xiàng)目管理手段，進(jìn)而減少工程建設(shè)過程中各方信息不對(duì)等的情況，避免施工過程中可能出現(xiàn)的施工安全問題，從源頭提升安全性和可靠性。目前，越來越多的建設(shè)工程采用BIM技術(shù)。

1.2? VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VR（Virtual Reality）是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種模擬體驗(yàn)虛擬世界的交互式仿真系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)融合多源信息，通過三維動(dòng)態(tài)視景去感知實(shí)體行為下的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實(shí)綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬境界中，并且能夠通過語言、手勢(shì)等自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。VR技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、圖形技術(shù)、顯示技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)以及其他關(guān)鍵技術(shù)，通過 BIM模型進(jìn)行沉浸、交互和體驗(yàn)?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了VR技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于游戲、電影、科教、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域，如 VR游戲、VR校園、VR教學(xué)平臺(tái)、智慧工地上的 VR演示等。近來，我國國內(nèi)VR成型產(chǎn)品加速落地，與建筑直接相關(guān)的產(chǎn)品包括展示設(shè)備、拍攝設(shè)備、設(shè)計(jì)軟件等，目前應(yīng)用主要集中于VR樣板房展示、云渲染家裝、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換VR平臺(tái)等。當(dāng)前，VR正逐步照進(jìn)建筑設(shè)計(jì)和工程施工領(lǐng)域，已有效應(yīng)用于西方工業(yè)設(shè)計(jì);未來有望在中國建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛推廣使用，目前已在樣板房展示等營銷領(lǐng)域落地。在建筑設(shè)計(jì)上，可視性方面，VR可以增強(qiáng)建筑及室內(nèi)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)成果的展示效果，還可以以沉浸式的方式進(jìn)行施工模擬演練，幫助施工方了解施工過程。交互性方面，室內(nèi)設(shè)計(jì)師可以利用VR完成沉浸式的家裝設(shè)計(jì)，同時(shí)VR設(shè)計(jì)軟件的支持下，建筑師有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)VR建筑設(shè)計(jì)。VR在工程施工中的應(yīng)用，目前一般用于開始施工之前來創(chuàng)建和體驗(yàn)三維建筑模型。

1.3? BIM+VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在 VR 場(chǎng)景中將信息管理、信息溝通問題與BIM技術(shù)融合展示，提高建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，促進(jìn)我國建筑行業(yè)可視化技術(shù)的迅速發(fā)展。在設(shè)計(jì)前期運(yùn)用BIM+VR 技術(shù)更好地輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)并提高信息傳輸效率，減少信息有誤的損失。實(shí)現(xiàn)模型虛擬仿真，為模型的設(shè)計(jì)和施工方法提供了科學(xué)、快捷的手段，基于BIM模型的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有交互性、直觀性、場(chǎng)景化等優(yōu)點(diǎn)，綜合BIM和VR的特點(diǎn)，更大程度地發(fā)揮“BIM+VR”優(yōu)勢(shì)。

2? BIM技術(shù)在施工管理中的優(yōu)勢(shì)

2.1? 可視化

在傳統(tǒng)的工程項(xiàng)目管理過程中，對(duì)于甲方、設(shè)計(jì)方、施工方等各參與方，在項(xiàng)目實(shí)施前和實(shí)施過程中建筑產(chǎn)品是“不可見不可觸”的，且各方更多的是通過二維圖紙、CAD模型、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察等方式溝通交流。利用BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品的可視化，“不可見”變“可見”，2D變3D。利用revit軟件創(chuàng)建3D數(shù)字化信息模型，二維到三維的轉(zhuǎn)變，不僅使得建筑產(chǎn)品可視化，而且所有構(gòu)件信息參數(shù)化，且具有互動(dòng)性和反饋性，便于項(xiàng)目實(shí)施過程中實(shí)時(shí)溝通交流，及時(shí)反饋信息，減少信息差。通過BIM，都可以高效地建立工程數(shù)字模型，BIM軟件系統(tǒng)既能快速精準(zhǔn)地進(jìn)行工程量造價(jià)等數(shù)據(jù)分析，也可以實(shí)現(xiàn)如碰撞檢查、剖面圖砌體排布等技術(shù)問題解決，最后實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的項(xiàng)目級(jí)企業(yè)級(jí)的協(xié)同管理。

2.2? 協(xié)調(diào)性

一個(gè)工程項(xiàng)目的順利完成，需要各方通力協(xié)作，不同專業(yè)協(xié)調(diào)溝通。施工過程中的溝通不暢、反饋不及時(shí)等，均可能造成施工效率降低、成本增加、工期拖延。項(xiàng)目前期建立BIM模型的過程中，通過碰撞檢查，可避免硬碰撞和軟碰撞問題產(chǎn)生。且在前期模型建立過程中，從結(jié)構(gòu)、機(jī)電、水暖等的設(shè)計(jì)到施工，都可以利用三維模型信息進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，減少返工、縮短工期、節(jié)約成本。

2.3? 模擬性

BIM技術(shù)不只是模型的可視化展示，還可以進(jìn)行虛擬動(dòng)態(tài)模擬，比如進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工，可以基于refit導(dǎo)出的GCI文件進(jìn)行4D施工模擬，預(yù)先了解施工過程，優(yōu)化施工方案?；谑┕?D模擬可以進(jìn)行成本控制5D模擬，在水電暖設(shè)計(jì)時(shí)，可以進(jìn)行水流、節(jié)能等模擬，預(yù)估可能發(fā)生的安全問題可進(jìn)行緊急疏散模擬等。

3? BIM+VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在施工管理中的優(yōu)勢(shì)

長久以來，建筑行業(yè)存在如下兩個(gè)痛點(diǎn)，一是建筑效果未知，二是工程質(zhì)量控制難。建筑效果未知指的是建筑效果不可預(yù)測(cè)，施工方很難把握設(shè)計(jì)示意圖，客戶難以預(yù)知施工狀況;工程質(zhì)量控制難是指建筑過程缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃與項(xiàng)目組之間的溝通，難以控制工期、質(zhì)量和成本。為了解決上述兩個(gè)痛點(diǎn)，BIM應(yīng)用而生。那么相比單純的BIM應(yīng)用，VR在BIM三維模型的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)了可視性、具象性和交互性。

BIM+VR的使用，可利用VR技術(shù)提升BIM應(yīng)用效果并加速其推廣應(yīng)用。BIM是以建筑工程項(xiàng)目各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，具有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)。VR沉浸式體驗(yàn)，加強(qiáng)了具象性及交互功能，大大提升BIM應(yīng)用效果，從而推動(dòng)其在建筑業(yè)的推廣和應(yīng)用。

不僅如此，BIM+VR還能加速推進(jìn)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型，讓建筑觸手可及。BIM+VR除了能解決建筑行業(yè)最大的痛點(diǎn)“所見非所得”和“工程控制難”，統(tǒng)籌規(guī)劃、資源整合、構(gòu)建具象化聯(lián)系和平臺(tái)外，系統(tǒng)化的BIM平臺(tái)還能將建筑設(shè)計(jì)過程信息化、三維化，同時(shí)加強(qiáng)建筑施工過程的項(xiàng)目管理能力。VR在BIM的三維模型基礎(chǔ)上，加強(qiáng)了可視性和具象性。通過構(gòu)建虛擬展示，為使用者提供交互性設(shè)計(jì)和可視化印象。

對(duì)于BIM廠商而言，如果搭載了VR技術(shù)，BIM系統(tǒng)就能提供沉浸式體驗(yàn)，從而有效提高資源整合能力，提高產(chǎn)品的競爭能力。例如，正在開展VR技術(shù)結(jié)合基建BIM系統(tǒng)的研發(fā)，將BIM技術(shù)貫穿基建項(xiàng)目的設(shè)計(jì)到施工、運(yùn)營階段，通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)、3D可視技術(shù)，減少項(xiàng)目變更，減少材料浪費(fèi)，縮短工期，為項(xiàng)目帶來巨大效益;并通過引入強(qiáng)大的新型3D引擎，大幅提高畫面的渲染效果，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的真實(shí)物理屬性和機(jī)械性能;基于VR技術(shù)與基建BIM系統(tǒng)的對(duì)接，使工程模型和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無縫雙向傳遞，在虛擬場(chǎng)景中對(duì)構(gòu)件進(jìn)行任意編輯。

VR作為一種新興的可視化溝通技術(shù)和溝通平臺(tái)，與BIM技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，能夠發(fā)揮出二者的優(yōu)勢(shì)。二維圖紙到BIM模型是“2D”到“3D”，“不可見不可觸”到“可見不可觸”的轉(zhuǎn)變，而BIM到BIM+VR的應(yīng)用是“可見不可觸”到“可見可觸”的轉(zhuǎn)變。VR不僅能使體驗(yàn)者能夠身臨其境的體驗(yàn)施工的過程，清晰明了地查看工程結(jié)構(gòu)的每一個(gè)部件、也可以全方位掌握施工過程中的工藝工法，有助于實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的穿越。由于工程施工行業(yè)是出了名的利潤率低和效率低下，對(duì)企業(yè)來講，任何能夠降低成本并使建筑物更快完成施工的技術(shù)將是一大優(yōu)勢(shì)。虛擬現(xiàn)實(shí)還可以減少施工錯(cuò)誤，因?yàn)榘ōh(huán)境因素的設(shè)計(jì)可行性測(cè)試可以在VR模型中進(jìn)行，這樣可以突出設(shè)計(jì)和施工的潛在錯(cuò)誤。

BIM與VR技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，使得原來“可視化”的模型“場(chǎng)景化”，參與者可以進(jìn)行場(chǎng)景漫游，預(yù)覽建筑實(shí)體，觀察施工過程，了解施工進(jìn)度，掌握成本控制，查看構(gòu)件狀態(tài)信息等。BIM與VR的關(guān)系中，BIM模型是內(nèi)核，提供建筑信息，VR是外觀，提供建筑信息的直觀表現(xiàn)。

4? BIM+VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用

技術(shù)可面向的對(duì)象多樣化，涵蓋的階段全面化，覆蓋的過程動(dòng)態(tài)化，二維到三維可視化動(dòng)態(tài)控制管理，有利于項(xiàng)目實(shí)施管理最終達(dá)到工期短、成本低、質(zhì)量高、安全好等目標(biāo)。

4.1? 進(jìn)度管理

在refit建立的BIM模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合編制的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度計(jì)劃，可以形成4D虛擬施工模擬。例如，將實(shí)體模型、場(chǎng)地模型、施工進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入BIM5D軟件中，通過模型整合、劃分流水段等操作，可以完成基于BIM的4D虛擬施工。4D虛擬施工實(shí)現(xiàn)了施工動(dòng)態(tài)化模擬，施工現(xiàn)場(chǎng)三維化可視化，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度計(jì)劃的調(diào)整，場(chǎng)地方案的改變等均可在虛擬施工過程中實(shí)現(xiàn)。對(duì)于實(shí)際過程中遇到的有關(guān)施工進(jìn)度、施工操作等問題，可以做到提前發(fā)現(xiàn)，及時(shí)優(yōu)化。

4.2? 成本管理

工程項(xiàng)目成本控制涉及整個(gè)項(xiàng)目過程各方面的資源消耗， 如人工、設(shè)備、材料等。BIM模型中包含各構(gòu)件相關(guān)屬性信息， 基于4D虛擬施工模擬，模型與數(shù)據(jù)掛接關(guān)聯(lián)，從而通過5D模擬實(shí)現(xiàn)成本預(yù)算和成本控制。如需進(jìn)行模型修改或施工方案調(diào)整，相應(yīng)關(guān)聯(lián)的成本可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，便于施工單位做好成本控制及信息化管理。

4.3? 質(zhì)量管理

工程項(xiàng)目質(zhì)量管理需全周期、全過程、全方位把控?；贐IM的4D虛擬施工可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和跟蹤各個(gè)階段施工質(zhì)量，實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)各參與方信息共享，避免信息偏差，提高效率和質(zhì)量。

4.4? 安全管理

在安全管理制度健全的基礎(chǔ)上，建立BIM安全信息模型和平臺(tái)，線上線下定期巡查各個(gè)環(huán)節(jié)安全問題。同時(shí)，基于BIM的4D、VR等技術(shù)可以使參與人通過可視化場(chǎng)景、侵入式漫游等方式進(jìn)行安全培訓(xùn)，真實(shí)化的安全情景模擬利于增強(qiáng)當(dāng)事人安全意識(shí)，鍛煉安全應(yīng)急管理能力。

5? 結(jié)語

BIM技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)得到普遍重視和應(yīng)用，也是近些年建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。BIM已滲透到建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并在建造方式上改變了傳統(tǒng)的施工方法，VR的誕生給人們帶來了不一樣的感知交互體驗(yàn)，兩者的結(jié)合勢(shì)必會(huì)增強(qiáng)相互領(lǐng)域間的技術(shù)層次。在數(shù)字信息飛速發(fā)展的時(shí)代，BIM技術(shù)和VR技術(shù)相結(jié)合，有利于提高建筑工程效率，更有益于建筑模型信息化的常態(tài)化發(fā)展。BIM+VR的結(jié)合在設(shè)計(jì)前期方案評(píng)審中有助于規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并在施工中進(jìn)行三維方案模擬，模擬存在安全風(fēng)險(xiǎn)的方案，減少事故率，從而提高整個(gè)項(xiàng)目管理的水平。樣板房、家裝設(shè)計(jì)等只是VR與BIM相融合的開始，未來利用BIM與VR系統(tǒng)平臺(tái)打造虛擬城市，為城市創(chuàng)造更多的新空間，推動(dòng)超大型城市的形成與改變，輔助智慧城市建設(shè)，才是其發(fā)展的長遠(yuǎn)道路。在此過程中，無論是在設(shè)備硬件研究上，還是在內(nèi)容填充上和交互功能體驗(yàn)上，BIM與VR都還有很長的道路需要走。但是現(xiàn)有專業(yè)BIM從業(yè)人員有限，BIM技術(shù)應(yīng)用深度不夠，硬件需求跟不上等問題也是BIM技術(shù)發(fā)展道路上需要解決的問題。當(dāng)BIM與VR真正相互融合，帶給我們的將不只是虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的無痕切換，施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，而是一場(chǎng)全方位感知的盛宴，是一場(chǎng)建筑技術(shù)的新革命！

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