基于BIM+VR 技术的虚拟样板在施工管理中的应用研究

周兆银，余政，周治臣，谢艳，蔡硕累

（重庆科技学院 建筑工程学院，重庆 401331）

0 引言

为确保工程建设项目的质量管理、安全管理、进度管理等工作顺利开展，针对新技术、新工艺、新材料或者存在重点、难点工艺的节点，根据设计图纸和相关规范标准文件搭设实体样板展示区，使接受展示的人员可清楚了解该节点的质量要求、施工工艺及注意事项等内容[1]。目前，实体样板展示区面临的问题主要有以下三点[2]：第一，由于样板区占地面积较大，易造成施工场地浪费，影响施工现场部署；第二，传统实体施工样板区无法移动，拆除后无法回收利用，产生大量建筑垃圾，且多采用通用、常规标准做法，对于复杂且具有严格施工工艺标准的节点区域无法准确、细致表达；第三，实体施工样板区需耗费较多人力、物力和财力，增加成本支出。

随着数字化技术的发展，建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）技术、虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）等技术被应用于建筑设计、施工管理中，如建筑师在设计过程中可对三维建筑模型通过运行碰撞检查，进一步优化工程设计，减少在施工阶段因设计问题导致的返工及损失；VR 技术可以使作业人员沉浸式体验各种危险性高的场景，通过虚拟安全体验区进行真实互动，学习安全知识和技能，有利于提升作业人员的安全意识，降低事故发生率。

基于实体样板存在的问题及数字化技术在建筑业发展中的应用，并响应“十四五”高质量发展号召，将BIM 技术、VR 技术与样板结合，搭建一种随时、高效、准确、信息化和智能化的样板引路，充分发挥BIM 技术的可视化与VR 技术的交互性等优势，使BIM+VR 技术的虚拟样板在施工管理中精确模拟工程建设项目现场的施工情况，及时发现和掌握施工过程中出现的各种问题与隐患。通过三维动态化、虚拟化的安全情景模拟进行虚拟事故演练，有助于施工阶段实现全方位安全监督与管理，从而替代传统建筑行业中对实体样板展示区的定义，有效克服实体样板展示区搭设成本高、周期长、选址受限、材料浪费等问题，实现节地、节材、节能的绿色施工管理理念。

1 基于BIM+VR 技术虚拟样板的构建

1.1 基于BIM+VR 技术的虚拟样板总体设计

基于BIM+VR 技术的虚拟样板的总体设计主要由基础层、资源层、支撑层和应用层四个部分构成。基础层、资源层共同构成BIM+VR 技术的虚拟样板，基础层包含计算机软硬件、计算机网络以及数字化技术，通过基础层提供的设备和技术使资源层的各项文件内容在BIM 平台和VR 平台中准确表达，并将成果上传至云存储平台。其中，资源层的各项文件内容随工程建设项目的不同而变化。在支撑层中，各建设主体均可随时提取与共享所需信息，通过基础层和资源层对信息进行查看和修改，使BIM+VR 技术的虚拟样板应用到实际的施工管理中，满足其他工程建设项目的需要。应用层包括企业形象宣传、优化施工方案、技术交底、安全教育、培训考核等内容。该设计可提前发现施工组织方案在演示过程中存在的风险因素，使各项资源得到合理分配；可实现信息快速查询，呈现形式多样化，打破传统技术交底的枯燥性；可以体验与建筑三维模型融合的交互式三维动态视景和实体操作的VR 场景模拟，以达到安全教育与培训考核的目的。基于BIM+VR 技术的虚拟样板的总体设计如图1 所示。

图1 基于BIM+VR 技术的虚拟样板的总体设计

1.2 基于BIM+VR 技术的虚拟样板构建流程

完整的BIM+VR 技术的虚拟样板的构建流程中，首先以BIM 技术为载体，将收集的资料注入建筑三维模型中；其次，以VR 技术为媒介，使建筑三维模型在VR 平台中实现具有交互性的施工模拟、VR 场景模拟；然后，将成果进行分类、汇总，为其他工程建设项目做好二次使用准备；最后，通过数字化技术实现施工方案优化、技术交底、安全教育、培训考核等管理环节，进一步突显BIM+VR 技术的虚拟样板在施工管理中的作用。构建过程主要包含四个部分，如图2 所示。

图2 基于BIM+VR 技术的虚拟样板的构建流程

1.2.1 收集资料

结合工程建设项目的需要，选取针对性的施工节点，通过查阅设计说明及图纸获取该节点在施工中所需要的材料型号、用量，施工工序等信息。根据现行相关规范标准、勘察报告等文件，检查设计图纸内容是否满足国家强制性标准。充分理解相关技术资料后再进行建模，保证后期建模的准确性和真实性，可指导现场施工，起到样板现行的作用[3]。

1.2.2 模型搭建及渲染

（1）通过Revit 软件建立虚拟样板模型，在建模过程中通过信息录入确保模型的精度和准确度，如各构件的形体、尺寸、结构层次等。在此阶段，利用BIM 技术的轻量化、精细化等特点，使虚拟样板模型具有体型小、易转存的优势和拆分、隐藏等功能。

（2）将模型导入Lumion 软件中进行渲染，给予模型真实材质、纹理等，以更好地表达实际施工场景。利用Lumion 软件中的视频编辑器和相机-拍照栏窗口，导出HD MP4 视频文件和图片，借助数字化技术生成二维码，与企业公众号或施工管理平台相关联，可实现用户群体在线上不受限制地进行辅助学习，间接宣传企业形象，提升企业知名度。

1.2.3 虚拟场景制作

在此阶段，VR 技术是核心。利用Fuzor 软件对模型的施工工序、施工工艺等信息进行动画制作，必要时在动画中添加语音说明或文字备注，对现行相关规范标准、质量验收标准等内容进行详细阐述，并转化为支持移动端格式的文件，发布在移动端Fuzor App 上，即可在移动设备中自由浏览、批注、测量、查看虚拟样板模型信息。通过电脑端Fuzor 软件与HTC VIVE 的接口，连接头戴式显示器和手柄，佩戴防护设施，以第一人称的视角进入虚拟场景，体验基于BIM+VR 技术的虚拟样板展示的逼真效果。

1.2.4 成果存档及输出

基于BIM+VR 技术的虚拟样板的呈现方式包括BIM 模型、HD MP4 视频文件、图片以及VR 虚拟场景等，将上述内容按专业性质、工程部位进行分类、汇总，使布置更合理，查找更方便。同时，为满足其他工程建设项目的需要，施工中使用相同或者相似的施工工艺时，可在BIM 模型数据库和VR 场景模拟数据库中导出后，直接使用或轻微修改后重复使用，减少不必要的重复性建模工作，提高虚拟样板的使用率。

2 基于BIM+VR 技术的虚拟样板在重庆某高校建设项目中的应用

2.1 工程概况

重庆市某高校档案馆建设项目，总建筑面积29934.44m2（地上建筑面积27199.10 m2，地下建筑面积2735.34 m2），包括报告厅和档案馆两部分。其中报告厅层数为1 层，建筑高度12.10m；档案馆6 层，建筑高度23.65m。主体结构形式为钢筋混凝土框架结构，设计使用年限为50 年，抗震设防烈度为6 度。

2.2 基于BIM+VR 技术的虚拟样板的构建

以项目KZ16 号结构柱为例，其截面尺寸为600×600mm，角筋为4 根直径25mm 的HRB400，纵筋为6 根直径25mm 和4 根直径22mm 的HRB400，箍筋为8mm 的HRB400，加密区与非加密区的间距分别为100mm 和200mm，保护层厚度为50mm，混凝土等级为C35。通过收集的项目KZ16 号结构柱的资料，建立结构柱虚拟样板，如图3 所示。

图3 结构柱虚拟样板

2.3 基于BIM+VR 技术的虚拟样板在施工管理中的应用

2.3.1 优化施工方案

在施工准备阶段，通过4D、5D 施工模拟对该项目的主体结构进行施工推演、进度模拟、成本模拟等，可以清晰完整地查看结构柱的施工过程，充分掌握结构柱的施工工序、施工工艺等内容，准确反映结构柱在施工过程中的进度、成本情况。同时，对整个项目进程合理化分析，提前发现施工方案在演示过程中存在的风险因素，针对出现的问题及时调整，将优化后的虚拟样板模型用于施工指导，使各项资源得到合理分配，以保证工程建设项目中的主要材料供应计划、劳动力配置计划等顺利进行，进一步实现施工环节的精准控制，从而减少预期之外的成本，保障工程建设项目得以顺利按时完成。主体结构的4D 进度模拟演示场景如图4 所示。

图4 主体结构的4D 进度模拟演示场景

2.3.2 三维可视化技术交底

通过BIM 平台的拆分、隐藏、实时测量功能，结合该项目设计说明及图纸，可详细查看结构柱的细部尺寸、构造等信息，如图5 所示。使作业人员更加清晰、透彻地理解结构柱的施工工艺、质量验收标准等内容，有效解决传统技术交底过程中描述错误或不清楚、技术规范不统一、前后文字与图纸矛盾等问题，打破传统二维平面图纸复杂、沟通困难等困境，减少现场施工失误造成的返工、误工及经济损失。

图5 结构柱虚拟样板构造展示

2.3.3 安全教育

根据以往住房和城乡建设部的施工安全报告，发现坠落、物体打击是发生事故数量最多的事故类型[4]。考虑该项目主体结构施工时可能因模板拼接不严、模板支架或脚手架搭接不牢等原因导致作业人员不慎坠落等事故，在施工现场搭建基于BIM+VR 技术的虚拟安全体验区，作业人员通过电脑端Fuzor 软件与HTC VIVE 的接口，连接头戴式显示器和手柄，佩戴防护设施进入虚拟场景，对不安全行为进行真实化、零距离的安全情景模拟体验[5]，有效提高安全意识和应急处置能力，以达到事前预防的目的，有效降低事故发生率。基于BIM+VR 技术的虚拟安全体验区如图6 所示。

图6 基于BIM+VR 技术的虚拟安全体验区

2.3.4 培训考核

基于BIM+VR 技术的虚拟场景操作中，首先，作业人员需佩戴头戴式显示器和防护设施，连接手柄进入VR 场景模拟系统并登录账号，通过温馨提示界面对自我身体状况进行评估；其次，在登录选择界面中选择主体结构施工场景模拟并阅读注意事项，以全景、互动的交互形式充分了解结构柱的施工工序、施工工艺等内容；最后，在施工模拟界面进行在线考核，直至考核合格后方可完成该施工节点的学习。有效避免了因作业人员技能的差别造成的施工标准差异，极大提升了作业人员的专业知识和技术能力，可进一步保证工程质量。基于BIM+VR 技术的主体结构场景模拟如图7 所示。

图7 基于BIM+VR 技术的主体结构场景模拟

3 基于BIM+VR 技术的虚拟样板在施工管理中的优势

通过上述基于BIM+VR 技术的虚拟样板的构建流程和在施工管理中的应用分析，与传统实体样板展示区相比，基于BIM+VR 技术的虚拟样板在施工管理中发挥了重要的作用，主要优势包括以下几个方面：

（1）通过数字化技术，使呈现形式多样化、过程多元化。基于BIM+VR 技术的虚拟样板借助数字化技术，使虚拟样板以视频、图片、虚拟场景等形式呈现，通过手机客户端或计算机客户端等线上服务手段即可反复体验施工节点的整个施工过程，不受施工场地、时间的限制，充分利用了虚拟化空间；

（2）通过BIM 技术与VR 技术，使样板周转率增加、成本减少。首先，针对不同工程建设项目的需要，可根据具体情况对模型进行修改，减少不必要的重复性建模工作，打破传统实体样板的一次性特点，避免材料和人工的浪费，提升虚拟样板周转率；其次，相比于传统实体样板间，基于BIM+VR 技术的虚拟场景体验区具有可拆卸、运输、拼装等优势，大幅减少了搭建时所消耗的人力、财力成本；

（3）通过BIM+VR 技术的虚拟场景体验区，使技术交底更加便捷。基于BIM+VR 技术的虚拟样板具有三维可视化、多感知性等特点，通过施工模拟、培训考核、安全教育等手段真实实现施工过程，对施工难点和重点进行可视化的方案论证[6]，将施工工序、施工工艺等内容通过三维模型传递给作业人员，使技术交底更加简单、便捷，有效避免了因技术能力问题导致的返工损失和安全事故，从而减少成本、工期等损失，保障工程建设项目得以顺利按时完成。

4 结论

本文通过分析传统实体样板展示区在施工管理中存在的问题和不足，将BIM 技术、VR 技术与样板结合，搭建了一种随时、高效、准确、信息化和智能化的样板引路，构建了基于BIM+VR 技术的应用场景。以重庆市某高校档案馆建设项目为工程背景，将其应用在施工方案优化、技术交底、安全教育、培训考核等施工管理环节中，使作业人员充分掌握施工节点的施工工序、施工工艺、质量验收标准等内容，使涵盖的阶段全面化，覆盖的过程动态化，实现“二维”到“三维”可视化的转变。与传统实体样板展示区相比，具有显著的提高施工效率、降低施工成本、保证工程质量、增强安全防范意识等优势，使BIM 和VR 技术在施工管理中不断深入应用，对建筑业数字化转型升级具有积极的推进作用。