BIM与AR技术结合在施工质量控制中的应用

覃月金 唐际宇 唐阁威 宁华宏

中国建筑第八工程局有限公司广西分公司 广西 南宁 530028

1 工程概况

广西南宁华润中心东写字楼项目（图1）建筑高度为445 m，地下3层、地上90层。工程结构收缩变化大，施工难度大且工期紧。鉴于工程的特殊性，在项目引进BIM技术的基础上，结合AR（增强现实）技术探求更高效、安全的施工现场生产与管理手段，极具研究价值[1-4]。

施工前通过BIM技术优化施工方案并进行三维可视化交底，施工中将虚拟信息和真实环境进行叠加实现现场施工指导，根据现场变化将问题即时记录并反馈到三维模型中，以便后期维护和管理，切实弥补BIM技术无法将模型与现场实际进行实时交互的短板，实现质量控制的优化。

2 BIM与AR技术结合在质量控制中的应用

图1 项目整体效果图

施工过程中影响工程质量问题的因素主要分为产品质量因素、技术质量因素、参与主体的目标差异和外部环境影响，无论是哪种因素造成的质量缺陷，都将带来大量的返工，不但影响建筑整体性能还增加工程成本的负担。建筑行业作为技术水平低、粗放、高能耗的一个典型行业，亟待新兴科技对传统施工理念和流程进行升级与改造。

技术质量的合格，应该是保证所有建筑构件质量符合要求的前提，技术方案的合理性、施工顺序的正确性、施工用料的准确性都会对产品的质量起到关键性影响。传统的施工完全依赖于现场工人的技术经验、技术水平以及对图纸的理解，质量缺陷的形成不可控[5-7]。

据此，从本项目实际情况与需求出发，选取极具代表性且具备研究可行性的节点进行探索，在传统技术施工方案的基础上，结合BIM与AR技术，制订了基于BIM与AR技术的施工质量控制执行方案，包括施工前的方案模拟、施工现场的三维指导、施工后的质量检查以及施工全过程的动态管理，实现事前控制和事中控制结合、事后及时反馈调整的主动控制管理思维。

2.1 施工前的方案模拟

通过Revit（土建）、Tekla（钢结构）软件对质量控制点创建三维模型，使用Navisworks、BIM 5D、Lumion、3Ds Max、MAYA等软件根据施工方案进行三维漫游、碰撞检查、施工模拟、大型设备吊装模拟等，然后用Unity＋VuforiaSDK创建允许人机交互的AR场景，根据软件形成的检查报告或者直接识别，找出方案中不合理的地方，进行深化设计，直至方案合理可行。

首先，施工过程中，三维模型能够提供直观的建筑成品的形态，帮助工人很好地理解图纸，体现了BIM模型可视化的特征；其次，我们充分利用BIM的模拟性和优化性，模拟施工工序，制作模拟动画，最后通过AR技术将虚拟模型或模拟动画叠加到真实场景中（图2），在我们面前呈现的是一个生动而真实的建筑成品，方便施工方在施工前就将方案修改到最佳效果。

图2 AR展示效果

2.2 施工现场的三维指导

尽管施工前参建各方已经敲定最佳施工方案，减少了质量缺陷风险，但在现场复杂多变的环境中，例如交底培训宣贯不足、测量放线定位不准、紧前工序累计误差过大，都可能造成现行施工方案的不适应。通过AR技术进行三维指导，一方面，在现场实时指导的过程中，能够人机交互进行标记，有利于控制现场的变化情况，并将反馈信息记录下来持续跟踪反馈，管理人员能够根据现场变化及时调整方案。另一方面，有了AR技术，我们只需要一本图纸或规范，带上我们的手机或平板，便可轻装上阵，因为AR模型不像单纯的BIM模型需要电脑查看，AR模型在软件中经过处理能生成移动端适用的程序，而且显示效果更加真实立体（图3、图4）。

2.3 施工后的质量检查

图3 机电专业现场安装的AR指导模型

图4 封闭式楼梯的AR指导模型

以上施工过程中的质量检查都是针对单一构件或专业内部的检查，施工后还应该有整体空间关系的检查，而施工过程的现场实况与模型查对一般是现场工人或施工员的自检，在施工完成后还有质量部和监理甚至第三方的检查。此时，将AR模型提供为质量检查的依据，并将AR标记的在现实环境中能触发虚拟场景的image target贴到相应的构件上，一旦我们对哪个构件有疑问，便现场使用手机或者其他移动设备识别构件上的image target从而调出AR模型进行检查（图5）。除此之外，如需要进一步检查整体空间关系，仍可以使用手机或者其他移动设备来识别标记整个房间的image target来进行检查。

图5 钢构桁架加强层安装后的整体空间关系检查

检查过程中一旦发现问题，现场人员就将问题对应的模型截图后发送给工程部和技术部，待后续的查改。整个过程的信息传递非常高效、便捷、准确。

2.4 施工全过程的动态管理

BIM结合AR技术在施工质量全过程动态管理中的价值很容易被理解，施工前的方案模拟、施工现场的三维指导、施工后的质量检查，都会不断出现新的质量风险，为了达到事前控制的目的，最大限度地避免质量缺陷，应将后续工序出现的问题反馈至前面各工序。BIM与AR技术结合在现场质量控制的应用中，整个方案实施过程的信息都会在数据库中存储，这些数据不断地被积累，最终形成强大的数据库，为后续应用或新建项目提供最大化的经验积累，从而为企业的纵向管理做出贡献。

3 总结及设想

3.1 应用总结

BIM与AR技术结合应用于施工现场质量控制，形成一个从施工前到施工后的全过程动态管理，为现场质量控制提供了一种创新的模式。现阶段AR技术切实有效地解决了BIM在施工质量控制中的应用缺陷，推动了BIM在建筑全生命周期中的价值体现。

在广西南宁华润中心东写字楼项目中，BIM结合AR技术的应用覆盖了钢结构冲突检测、顶模爬升模拟及冲突检测、管线综合应用、系统培训、土建及钢筋建模培训、管井综合深化、机电与二次结构（圈梁、构造柱）冲突检测等，目前为止，共节约工期36.5 d，总经济效益7 501 400元。

3.2 AR应用展望

目前AR应用还仅在单一操作面板的水平上，如果房间过于复杂或整个建筑包含构件数量庞大，对构件一一标记image target显得过于麻烦。设想在Unity 3D软件中，对Hiar插件进行简单的代码操作，创建UI系统按钮，形成主面板和子集面板，可将整个房间所有构件的模型都配置到同一个AR资源包中，根据“房间—竖向结构—构件1—钢筋”“房间—水平结构—构件2—钢筋”的关系逐层地打开需要查看的信息，每个房间仅对应一个image target图片。然而这样我们将面临的难题是AR模型承载的内存过大，对硬件设备的要求非常高，反而不利于AR技术的现场应用。综上所述，无论是BIM的轻量化研究障碍，还是软件产品的专业化程度不足，AR应用研究的道路还很漫长。

4 结语

建筑行业是一个信息、技术密集型产业，每一个建筑项目都蕴含着丰富的图纸信息，在传统的“按图施工”管理模式中，施工指导高度依赖图纸，而BIM管理理念的提出，切实地在提升人的认知能力方面将我们从痛苦中解放出来，它在建筑领域中对大量数据的准确读取并可视化表达，深度挖掘并系统地存储将发挥不可估量的作用。

尽管BIM或AR技术仍存在很多人为因素或技术因素亟待解决和改进，但在施工指导中的应用前景是毋庸置疑的。