基于BIM＋AR技术在水利工程中施工安全管理的应用研究

张亚飞，魏兰，李俊豪，赵葳，刘蔚淼

（黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150027）

1 研究背景：

1.1 BIM的现状及背景

BIM全称为建筑信息模型。将建筑数据信息通过转换后成为三维信息模型，贯穿整个建筑全生命周期；在施工，决策，建立建筑模型等都有着至关重要的作用。具有立体可视化、模拟性、协调性、设计管理优化、信息统一化的特点，在现今随建设跨度越来越大，结构越来越复杂；越应该通过BIM充分发挥智能信息化，现阶段是借助大数据资源库，使用数字化技术来合成一个建筑信息模型；对施工建设进行全生命周期的数据化管理与应用，对建筑业是一个跨时代的进展。在国内，BIM是国家“十一五”规划中的重点科技项目，起着不可代替的作用，后续又被纳入我国“十二五”规划中的重点研究课题，BIM应用目前在我国已渐渐兴起，在现在这个信息高度化的社会中，只有牢牢抓住先进的技术和高科技的应用才能占据更加辽阔的市场发展前景，在建筑这一行业中，BIM技术的应用正是一个重要力量。

1.2 AR的现状及背景

AR技术是将虚拟网络世界和现实世界进行数字、图像的叠加，在现实世界中加入虚拟信息，特定点和虚拟信息互相关联，能从不同角度查看虚拟对象，即虚拟对象永远在标记的顶部。具有非线性时空性，构想真实性，打破时空阻碍性，兼具实用性等特点。

在建筑领域利用AR技术，能够有效的解决施工环境中的复杂性和不可预测性，项目决策方面、沟通与教学方面、检查施工现场方面、检查进度方面、地下工程方面等，能高效准确、低失误的完成施工作业工作。

BIM和AR技术有便利性、打断时空阻碍性、兼并实用性、模拟真实性等特点。在BIM信息模型无法与现实环境相融和导致建筑信息差异大等问题中，BIM＋AR能够很好的相融合起来，实现跨领域作业使建筑的建设成本降低，减少人力物力的消耗，进行高效率的应用。

2 在BIM＋AR技术下智慧建筑方面的应用

目前在国内，BIM技术在建筑领域得到了广泛的应用，很多技术都依托于BIM技术的应用，通过BIM技术创建建筑项目相关的3D模型，可以让所有项目参与者清楚的了解到项目的相关信息。在建筑行业，使用相关的BIM技术，可以降低项目施工成本、提高项目的施工质量、缩短项目的施工时间。而智慧建筑已然成为未来建筑发展的必然趋势，而相对应的智慧楼宇这一概念源于建筑楼宇和先进的信息技术的不断碰撞融合，通过这一技术，达到便捷、舒适、低成本、高效率的方式对楼宇进行远程操控，从而达到智慧建筑安全、环保、便捷的目标。而BIM＋AR这一应用也是智慧建筑的重要组成部分，项目成员对BIM＋AR的了解有限，缺乏经验丰富的BIM＋AR实施者，以及缺乏明确的标准和法规来推动 BIM＋AR实施都是基于BIM＋AR的能源绩效管理面临的挑战。在设施管理方面，基于BIM＋AR的设施运维仍面临挑战，基于BIM＋AR的设施管理面临的挑战包括互操作性不足、对BIM＋AR实施的基本运维原理缺乏了解、投资回报不明确等，这些都是我们需要解决的问题。

智慧城市起源于传媒领域，全球都在紧锣密鼓的加强智慧城市的建设，它的核心在于建筑，在这其中绿色建筑则是必不可少的一项。在当今BIM技术广泛应用到建筑施工中，对于绿色建筑的应用更是必不可少的，BIM技术最显著的优点是应用于绿色设计和可持续性设计领域。通过使用BIM技术加入到建筑中可以达到最少耗能，并借助通风、布局、采光等达到节能环保的作用。选用BIM＋AR技术，可以为设计建筑项目注入新兴力量。

低碳建筑是社会对低碳科技的需求，通过BIM＋AR技术的加速整合，使建筑低碳环保成为了可能。低碳建筑主要目的是达到降低二氧化碳的排放效果，而建筑行业必须认识到科技驱动低碳发展，将以化石能源为基础的工业文明用新兴的低碳科技来代替，尽量减少化石能源的使用，颠覆建筑行业旧有的思维，带来低碳能源的全新革命，使用BIM＋AR技术融入建筑行业，将极大的提高生产效率、促进设备电气化。高新技术的快速发展并加入建筑行业，使建筑创作发展为建筑创新，使建筑创新发展推动智慧建造，面对这一机遇和挑战，建筑行业必须加快变革速度。

3 增强现实（AR）及建筑信息模型（BIM）在水利工程中应用优势

3.1 获得更完备的设计效果体验

BIM+AR相结合的模式可以在水利工程常规施工的过程中弥补可视化的不足，增强AR与水利工程施工过程中的现实性，使得BIM+AR与水利工程三者之间的关系进一步增强，实现真正“三位一体“的直观表达模型。在水利工程项目的生命周期中，BIM+AR技术可以自主的渗入水利工程的安全、造价和监控等各个方面。以水利工程施工过程举例，施工人员在BIM+AR模型中可以了解到真实环境与虚拟环境相结合的信息，使施工人员能感知到三维虚拟化环境，而AR效果的存在又会使施工人员不会完全脱离现实的世界，既可以保证项目稳步高效的实施，又使项目的危险性和材料的浪费率大大降低。

3.2 在设计方面拥有更加直观的可视化交流

在BIM+AR三维建模技术的支持下，可以更加精准的了解到水利工程的剖面图、断面图，将整体水利工程的内部成分、构造等信息参数具体表达；并且对水利工程的成本投入、质检分析、项目周期控制性等方面存在不可或缺的作用。再加之BIM+AR模型拥有协调联动化设计，一旦有某个视图出现错误，更改后其他视图也随之更改。

3.3 模拟水利工程实际使用情况

BIM+AR模型可以从多角度来模拟水利工程实际使用情况，有效的支撑施工管理过程，并且在模拟运营的过程中出现的加固、改良和塌方等，可以通过BIM+AR技术模型直接分析处理，从而减少后续人力物力的大量投入。

3.4 增强现实（AR）及建筑信息模型（BIM）技术在水利工程方面的应用

水利工程建筑平台BIM+AR模型建立是为了展现一个真实描述工程设计的数字信息模型，将可视化、仿真化、技术化集于一身的工程基础。水利工程与普通建筑工程的建筑特点有差别，对其建模的方法，结构，顺序等要求也会有所不同，因此需要应用BIM+AR技术来对应水利工程在施工阶段的标准，进而实现BIM+AR与水利工程在其施工阶段不断修改，不断完善的作用。

水利工程在结构布局，施工策划，施工方案的实施，以及施工位置的确定都有着不同程度的难点。在方案预确定阶段建立各种建筑的BIM模型及其AR模型，将数据与可视化相结合，通过可视化模型与整体地形相结合，从而建立完整、可协调的总体沙盘，可使施工人员更加直观的了解到水工建筑物与基本建筑物之间、建筑物与周围地形之间的限制关系。基于各种数据、参数的BIM+AR模型可以在空间的任一位置实现可视化，协调化和现实模拟化，实现预更改、全更改的模式，使每次决策都成为完整可视的沙盘。

4 BIM＋AR技术在水利工程中施工安全管理的应用研究

4.1 BIM＋AR技术在施工安全管理中的研究

在施工过程中，安全问题是不容忽视的一个问题，建筑施工现场是一个动态且复杂的作业现场，不论安全教育多完善、管理制度多严格，在施工过程中总无法避免许多安全隐患，所以将BIM＋AR技术融入施工作业中进行施工的安全与质量监控。基于BIM＋AR技术探测施工模型，可以从三维角度剖析施工项目，从而对施工工艺实现三维可视高新技术交底。基于BIM可视化和AR三维化的动态模拟施工建造作业的施工项目、工艺流程，通过这种电子化模拟方式，提前识别工程安全，将施工方案的危险度降到最低，将施工场地布置达到最大安全化，消除安全隐患。利用BIM＋AR技术构建、设计出安全施工模型，在施工工程正式进行之前对工程信息进行掌握，利用BIM＋AR的动态分析功能，及时发现可能出现的安全问题，并及时针对安全问题做出相应对策，使施工安全和施工效率达到最高。通过BIM＋AR对施工工艺模拟达到施工方案、施工场地布置方案的优化，在施工现场，基于BIM＋AR信息平台对施工现场进行监控，将现场实时动态作品上传至云端，通过对违章作业图片进行识别而达到施工安全管理，还可以人工智能识别违章行为，通过将违章行为自动抽取归类达到智能化的现场安全管理，通过这种技术手段，现场工程人员可实时掌握危险作业状况，提前将施工风险降到最低。

4.2 BIM+AR技术在水利工程中信息安全管理的应用

BIM+AR技术模型可以在水利工程运营期间为安全检测工作提供水利建筑物从开始规划、设计、进行施工到投入运营的生命周期过程中全部的信息流调、发展趋向，为水利工程项目管理者提供了一套完善且高效的数字化信息安全管理应用平台，进而对水利工程项目全生命周期的水工建筑物安全实现全信息化监测管理，改善了传统水利工程监测的数据缺少集成系统化的存储、分析、应用与管理的问题。在BIM+AR技术高精度的参数整合模拟过程中，管理者既可以对指定的水工建筑物模型构件进行单独的信息分析，又可以精确监测到水利工程项目中全部的水工建筑物所容纳的所有信息。BIM+AR技术在水利工程施工安全检测的过程中最重要的特性是加强现实与虚拟模型信息参数化。使得整个水利工程可以实现全面的虚拟模型信息参数化而又不会脱离现实，进而将与现实与模型所相关的所有信息集成化，实现发现问题同步解决，大大缩减了管理者在日常检测中所花费的人力、物力，最大程度降低了各水利水工建筑之间信息传递、分析和解决过程中所发生的信息失效性。

4.3 基于BIM+AR技术在水利工程建筑选点方面的应用

基于BIM+AR技术的集成性、可视性，可以模拟出水工建筑物所建筑选点的位置是否具有合理性、可行性。水利位置选点应选在地面起伏小、地势相对平整且选取点周围地势地貌近期不能发生改变。基于BIM+AR技术所提供的模拟可视化模型以及其集成性的特点，可以有效减少实地勘测所需的数据处理时间。且基于BIM+AR技术系统相较与传统的坝体附近固定点位高清摄像技术来说，基于BIM+AR技术对坝体的受力应力的监测更为直观，监测的精准度更高，对数据的连续性处理更加准确，使得水利工程在建筑选点方面的数据直观化、可视化，同样也为后续的水工建筑物的施工提供强有力的数据分析。

4.4 BIM+AR技术在水利工程使用中安全监测的应用

BIM+AR技术可以通过现实立体可视化对水工建筑物进行模型分析，为后期建构更高精度的缩放比例模型和对水利工程建筑群的病险监测提供真实的可参考数据。BIM+AR也可以对水库、河流、坝体等进行不间断的监测，对水利工程项目范围内实现实时变化情况汇报，通过实时汇报的数据情况进而获得一系列的模型参数变化情况，如坝体变形、地基沉降、水位变幅等，核验工程是否存在滑坡、垮塌等重大风险的发生，便于水利施工人员对水利工程项目安全性评估、预测。还可以通过BIM+AR技术所反馈的信息进而分析水利工程项目周围的生态水域安全情况，逐步实现在BIM+AR技术加持下安全管理精确化、系统化，从而满足社会发展需要。

4.5 BIM+AR技术在水利工程测量方面的应用

水工建筑物测量作为水利工程规划的重要组成部分之一，准确的进行测量工作对水利工程项目的科学性、合理性，具有重大意义。当水工建筑物在水利工程项目中变得错综复杂时，其建筑物体表面积，空间距离的测量难度也成倍增加，而基于BIM+AR技术的集成性，模拟可视性，测量方面的问题将迎刃而解。只需要对BIM+AR技术所模拟出的水工建筑物模型进行测量，其数据就会被AR技术在相关图层所显示出来，使测量问题变得简单化，进而节省大量的人力物力进行实体测量，从而确保了数据的真实性、精确性。

5 结语

将BIM＋AR技术运用到水利工程施工的安全管理中，是未来发展的必然趋势。在过去施工过程中，施工管理者无法准确对每个施工安全隐患进行把控，BIM＋AR能极好的解决这个问题。BIM＋AR具有专业性和实用性；极大的提高了安全管理的效率，具有极高的应用研究价值。并且与传统的静态图纸相比，BIM＋AR动态图纸与静态施工图纸的相结合，能很好的处理对于施工人员曲解施工图纸和传统思维而影响施工进度。水利工程是我国重要的战略发展事业，施工安全则是重中之重，对促进我国水利工程发展的战略意义重大。