虚拟现实技术助力施工管理智能化

文｜本刊编辑部

BIM技术的理念是建立涵盖建筑工程全生命周期的模型信息库，并实现各个阶段、不同专业之间基于模型的信息集成和共享。BIM技术与虚拟现实技术集成即是应用BIM信息库，辅助虚拟现实技术在建筑工程项目全生命期中更好地应用。BIM技术与虚拟现实技术集成应用的主要内容包括：虚拟场景构建、施工进度模拟、复杂局部施工方案模拟、施工成本模拟、多维模型信息联合模拟以及交互式场景漫游。

以保利大厦项目为例，该项目基坑总面积约4850平方米，基坑延长米约为450米。基坑开挖深度：本工程±0.000=+5.450（吴淞高程），自然地坪相对标高普遍区域标高为-1.300，考虑基底垫层厚度200毫米，本工程基坑挖深为6.9米。基坑西侧为滨江绿化带，且绿化带地坪标高高于坑边地坪2.65米。由于与绿化带距离较近，约为3.2米。本工程基坑开挖深度为6.9米，属于二级安全等级基坑工程，基坑西侧防汛墙距基坑边约10米，在1倍开挖深度范围以外，环境保护等级定为二级。基坑北侧及南侧环境保护等级按三级考虑。

传统的基坑变形监测工作方式采用数据表格、二维变形曲线、文字描述的方式编制成监测报告，项目参与方对监测结果集中进行讨论，分析变形是否过大或是否趋于稳定，及时发现问题，及时反馈并分析，确定是否需采取必要的补救、抢救措施，使基坑不发生意外破坏和变形。每天靠人工操作，翻阅大量Excel表页中的成千个数据，根据每个测点的本次变形值和累计变形值，判断风险临界状态。如要知道变形速率，也只能将少量敏感点一一描绘出其单点时间变形轨迹，用以分析趋势，然后加以是否报警的标注。这样做，一是耗时费力，不利于基坑变形的快速判断；二是靠人工大数据阅读，容易疏忽漏读；三是无法通览基坑大区段块状侧向变形与受监控管线线状垂直沉降之间的三维空间关系；四是无法直观地看到整个基坑的变形时间趋势，迅速找到危险源。

多维模型信息联合模拟技术

在该项目中，采用基于BIM技术的“3D+时间+变形值色阶”的多维模型信息联合模拟技术，将变形监测数据导入模型，自动计算后呈现出整个基坑的彩色变形立体状态，因此就可以立即看到临界区域和超限危险点。这种可视化基坑变形监测方法，简单、准确、快速，为监理、监测人员提供了崭新的基坑监测管理方法。

基于BIM技术的“3D+地勘资料数据”的多维模型信息联合模拟技术，以地勘报告为初始数据，将二维地勘资料转换成三维地勘模型，在Revit软件中与基坑结构模型合并，可以实时、任意视角查看地下室结构构件（地下连续墙、底板、桩等）与不同深度土层之间的关系，快速查看土层属性信息，指导设计、施工，辅助监理、监测人员判断桩基持力层和有效桩长，对比开挖实际情况与地勘报告的符合度，辅助验槽工作。

利用该多维信息模型可以直观、清晰看到土层的分布情况，是否存在暗沟、夹层等不利的地质情况以及不利地质情况的分布位置，有利于辅助监理、设计、施工等工作的开展。通过剖面视图可以准确判断桩端持力层，同时查看对应的静力触探曲线预估沉桩阻力，辅助确定沉桩施工方案。

该多维信息模型不同于以往的地质模型，将地勘模型集成到Revit软件中，并赋予土层属性，使监理、设计、施工人员能在Revit软件中进行设计、校核工作，这种集成式模型更适合民用建筑的监理、施工、设计工作的开展，提高工作效率。同时可以对地勘模型进一步开发，当修改桩长或桩径等属性时能实时输出变化后的桩承载力、桩材料用量及单桩成本，对设计阶段的桩型选取、确定桩基方案有非常重要的实用价值。

在对基坑进行变形监测的同时，基坑巡视是基坑安全必不可少手段。通过巡视，可以及时、直观地观察到地表裂缝、塌陷等表象，对基坑的局部稳定性的判断起着不可替代的作用。一旦发现异常应作好记录，严密观察其变化情况，同时及时向项目部汇报。项目部接到报告后应立即作出反应，分析其原因，并根据对基坑安全的影响程度制定有效控制措施，以防止形势恶化，危及基坑的安全。

同时，保利大厦项目采用第二代Google Glass硬件技术，自主开发了适合土木和建筑工程应用的APP软件。并采用了佩戴式的谷歌眼镜替代了传统的手持式便携媒体设备，使项目参与人员解放双手，能同时查看BIM模型和现场实际情况。在指导、参与现场应急抢险工作时，Google Glass结合虚拟现实技术提供了针对不同情况、不同位置、不同条件下处置现场情况的触发机制，可以使监测员按上海市建筑工程安全质量管理条例的规定快速观看险情，快速调取应急预案，快速按预案中的复测操作动画进行复测。经过复测证实险情后，直接按眼镜中显示的报警电话号码语音拨打报警电话进行报警，然后再按眼镜中预存的抢险操作规程的分解动画作为指导，第一时间协同各参与方进入抢险工作状态。

BIM+虚拟技术

目前虽然对软土深基坑的研究有了一定的进展，但对其变形及力学性质的研究还不够完善，计算模型的假定与工程实际情况存在较大偏差，导致基坑支护工程的变形估算不太准确，从而影响了工程的安全和成本。因此，在施工过程中对基坑围护结构和周边环境的监测就显得十分重要。然而，传统的基坑安全监测数据文件均以报表配合二维曲线、图形的方式表达变形趋势，当工程师查看变形情况时不能方便地整体查阅变形情况，对基坑支护结构的变形趋势难以准确判断。

因此，项目团队将BIM结合虚拟现实技术引入基坑工程监理、监测、管理等工作，以解决以往在基坑围护结构变形监测过程中不能直观表现其变形情况和变形趋势的缺点。

采用多维模型信息联合模拟技术，方便监理人员、工程师、管理人员、业主、施工人员等判断基坑围护结构的变形情况并指导开展相关工作，通过可视化手段辅助基坑建设过程的安全监测，提高了基坑监测的工作效率，有效地降低了安全监测过程中的人为遗漏；采用地勘信息模型指导监理、施工、设计人员直观准确地判断地质情况，协助处理突发情况；采用基于Google Glass的新型呈现技术全方位展现基坑的变形监测、地质情况以及指导基坑抢险和辅助基坑项目监理、监测、管理等日常工作，提高基坑工程的监理、管理、施工等各个环节的工作效率，提高了对危险情况的预判能力。

BIM技术结合虚拟现实技术在保利大厦基坑安全监测方面的拓展应用探索了基坑安全监测的新方法，为BIM技术在基坑工程建设全过程的应用提供了具有实用价值的参考。

随着全球信息化进程的加快，我国的工程建设行业正处于重要的技术变革期，而建筑业的信息化很大程度上取决于建筑施工企业的信息化水平。基于 BIM 理念的虚拟施工技术应用研究，通过在计算机群组上协同工作，对施工中的各种信息及施工中的项目规划、建筑与结构设计、施工组织设计等过程进行全面的仿真再现，以便施工方能够提前发现在实际施工中可能存在的各种问题并采取有效措施修改优化施工方案，从而从整体上降低建筑项目成本，提高施工效率，增强企业在各级施工过程中的决策、优化与控制力，进而提升建筑企业的核心竞争力。

虚拟施工技术仍需进一步完善

然而，BIM技术与虚拟现实技术集成作为一门新兴学科，其理论和实践研究都处于初级阶段，且涉及学科、专业众多，还存在很多问题，例如所使用BIM模型的深度直接决定了虚拟施工应用的效果。如果前期建立的BIM模型不够精细，基于此模型而实现的施工过程的三维模拟结果就会不够准确，无法达到预期的目的。

此外，由于专业、人员、模型、环境的局限，对于基于 BIM 的建筑工程信息体系与架构的探究尚浅。使用头盔显示器和数据采集手套等外部设备进入仿真的建筑物，这种方式能充分体现虚拟现实技术的价值，但是这方面的技术在建筑施工领域应用较少。

从技术层面上讲，虚拟施工技术能够实现对传统的建筑施工方式的全面变革，促使建筑施工企业组织、管理及生产方式等各个方面发生变化。但是由于现阶段各种主客观原因的存在还未能大力发展普及，仍需要各方面力量的积极推动和支持，不断完善其理论和技术体系，以促进施工技术的进步和发展。

如今，虚拟现实技术主要是依靠头盔显示器和数据采集手套等外部设备，用户利用这些设备来体验和参与到模拟事件中去，利用鼠标、键盘、语音和手势来对物体或是角色进行操控。而未来的虚拟现实将会是一个充满着逼真互动体验的包罗万象的新世界，用户可以参与到具体情境中去，所有的一切将会异常真实。

当然，实现这一切需要更加先进、创新的技术、软件及娱乐内容的支持。如果发展能够一直持续的话，我们至少能够进行视觉上的瞬间移动，进入到并不遥远的未来奇幻世界。不可否认，虚拟施工技术在建筑领域的应用将是一个必然趋势，在未来的建筑设计及施工中的应用前景广阔。相信随着虚拟施工技术的发展和完善，必将推动我国工程建筑行业迈入一个崭新的时代。