虛擬現實技術助力施工管理智能化

文｜本刊編輯部

BIM技術的理念是建立涵蓋建筑工程全生命周期的模型信息庫，并實現各個階段、不同專業之間基于模型的信息集成和共享。BIM技術與虛擬現實技術集成即是應用BIM信息庫，輔助虛擬現實技術在建筑工程項目全生命期中更好地應用。BIM技術與虛擬現實技術集成應用的主要內容包括：虛擬場景構建、施工進度模擬、復雜局部施工方案模擬、施工成本模擬、多維模型信息聯合模擬以及交互式場景漫游。

以保利大廈項目為例，該項目基坑總面積約4850平方米，基坑延長米約為450米。基坑開挖深度：本工程±0.000=+5.450（吳淞高程），自然地坪相對標高普遍區域標高為-1.300，考慮基底墊層厚度200毫米，本工程基坑挖深為6.9米。基坑西側為濱江綠化帶，且綠化帶地坪標高高于坑邊地坪2.65米。由于與綠化帶距離較近，約為3.2米。本工程基坑開挖深度為6.9米，屬于二級安全等級基坑工程，基坑西側防汛墻距基坑邊約10米，在1倍開挖深度范圍以外，環境保護等級定為二級。基坑北側及南側環境保護等級按三級考慮。

傳統的基坑變形監測工作方式采用數據表格、二維變形曲線、文字描述的方式編制成監測報告，項目參與方對監測結果集中進行討論，分析變形是否過大或是否趨于穩定，及時發現問題，及時反饋并分析，確定是否需采取必要的補救、搶救措施，使基坑不發生意外破壞和變形。每天靠人工操作，翻閱大量Excel表頁中的成千個數據，根據每個測點的本次變形值和累計變形值，判斷風險臨界狀態。如要知道變形速率，也只能將少量敏感點一一描繪出其單點時間變形軌跡，用以分析趨勢，然后加以是否報警的標注。這樣做，一是耗時費力，不利于基坑變形的快速判斷；二是靠人工大數據閱讀，容易疏忽漏讀；三是無法通覽基坑大區段塊狀側向變形與受監控管線線狀垂直沉降之間的三維空間關系；四是無法直觀地看到整個基坑的變形時間趨勢，迅速找到危險源。

多維模型信息聯合模擬技術

在該項目中，采用基于BIM技術的“3D+時間+變形值色階”的多維模型信息聯合模擬技術，將變形監測數據導入模型，自動計算后呈現出整個基坑的彩色變形立體狀態，因此就可以立即看到臨界區域和超限危險點。這種可視化基坑變形監測方法，簡單、準確、快速，為監理、監測人員提供了嶄新的基坑監測管理方法。

基于BIM技術的“3D+地勘資料數據”的多維模型信息聯合模擬技術，以地勘報告為初始數據，將二維地勘資料轉換成三維地勘模型，在Revit軟件中與基坑結構模型合并，可以實時、任意視角查看地下室結構構件（地下連續墻、底板、樁等）與不同深度土層之間的關系，快速查看土層屬性信息，指導設計、施工，輔助監理、監測人員判斷樁基持力層和有效樁長，對比開挖實際情況與地勘報告的符合度，輔助驗槽工作。

利用該多維信息模型可以直觀、清晰看到土層的分布情況，是否存在暗溝、夾層等不利的地質情況以及不利地質情況的分布位置，有利于輔助監理、設計、施工等工作的開展。通過剖面視圖可以準確判斷樁端持力層，同時查看對應的靜力觸探曲線預估沉樁阻力，輔助確定沉樁施工方案。

該多維信息模型不同于以往的地質模型，將地勘模型集成到Revit軟件中，并賦予土層屬性，使監理、設計、施工人員能在Revit軟件中進行設計、校核工作，這種集成式模型更適合民用建筑的監理、施工、設計工作的開展，提高工作效率。同時可以對地勘模型進一步開發，當修改樁長或樁徑等屬性時能實時輸出變化后的樁承載力、樁材料用量及單樁成本，對設計階段的樁型選取、確定樁基方案有非常重要的實用價值。

在對基坑進行變形監測的同時，基坑巡視是基坑安全必不可少手段。通過巡視，可以及時、直觀地觀察到地表裂縫、塌陷等表象，對基坑的局部穩定性的判斷起著不可替代的作用。一旦發現異常應作好記錄，嚴密觀察其變化情況，同時及時向項目部匯報。項目部接到報告后應立即作出反應，分析其原因，并根據對基坑安全的影響程度制定有效控制措施，以防止形勢惡化，危及基坑的安全。

同時，保利大廈項目采用第二代Google Glass硬件技術，自主開發了適合土木和建筑工程應用的APP軟件。并采用了佩戴式的谷歌眼鏡替代了傳統的手持式便攜媒體設備，使項目參與人員解放雙手，能同時查看BIM模型和現場實際情況。在指導、參與現場應急搶險工作時，Google Glass結合虛擬現實技術提供了針對不同情況、不同位置、不同條件下處置現場情況的觸發機制，可以使監測員按上海市建筑工程安全質量管理條例的規定快速觀看險情，快速調取應急預案，快速按預案中的復測操作動畫進行復測。經過復測證實險情后，直接按眼鏡中顯示的報警電話號碼語音撥打報警電話進行報警，然后再按眼鏡中預存的搶險操作規程的分解動畫作為指導，第一時間協同各參與方進入搶險工作狀態。

BIM+虛擬技術

目前雖然對軟土深基坑的研究有了一定的進展，但對其變形及力學性質的研究還不夠完善，計算模型的假定與工程實際情況存在較大偏差，導致基坑支護工程的變形估算不太準確，從而影響了工程的安全和成本。因此，在施工過程中對基坑圍護結構和周邊環境的監測就顯得十分重要。然而，傳統的基坑安全監測數據文件均以報表配合二維曲線、圖形的方式表達變形趨勢，當工程師查看變形情況時不能方便地整體查閱變形情況，對基坑支護結構的變形趨勢難以準確判斷。

因此，項目團隊將BIM結合虛擬現實技術引入基坑工程監理、監測、管理等工作，以解決以往在基坑圍護結構變形監測過程中不能直觀表現其變形情況和變形趨勢的缺點。

采用多維模型信息聯合模擬技術，方便監理人員、工程師、管理人員、業主、施工人員等判斷基坑圍護結構的變形情況并指導開展相關工作，通過可視化手段輔助基坑建設過程的安全監測，提高了基坑監測的工作效率，有效地降低了安全監測過程中的人為遺漏；采用地勘信息模型指導監理、施工、設計人員直觀準確地判斷地質情況，協助處理突發情況；采用基于Google Glass的新型呈現技術全方位展現基坑的變形監測、地質情況以及指導基坑搶險和輔助基坑項目監理、監測、管理等日常工作，提高基坑工程的監理、管理、施工等各個環節的工作效率，提高了對危險情況的預判能力。

BIM技術結合虛擬現實技術在保利大廈基坑安全監測方面的拓展應用探索了基坑安全監測的新方法，為BIM技術在基坑工程建設全過程的應用提供了具有實用價值的參考。

隨著全球信息化進程的加快，我國的工程建設行業正處于重要的技術變革期，而建筑業的信息化很大程度上取決于建筑施工企業的信息化水平。基于 BIM 理念的虛擬施工技術應用研究，通過在計算機群組上協同工作，對施工中的各種信息及施工中的項目規劃、建筑與結構設計、施工組織設計等過程進行全面的仿真再現，以便施工方能夠提前發現在實際施工中可能存在的各種問題并采取有效措施修改優化施工方案，從而從整體上降低建筑項目成本，提高施工效率，增強企業在各級施工過程中的決策、優化與控制力，進而提升建筑企業的核心競爭力。

虛擬施工技術仍需進一步完善

然而，BIM技術與虛擬現實技術集成作為一門新興學科，其理論和實踐研究都處于初級階段，且涉及學科、專業眾多，還存在很多問題，例如所使用BIM模型的深度直接決定了虛擬施工應用的效果。如果前期建立的BIM模型不夠精細，基于此模型而實現的施工過程的三維模擬結果就會不夠準確，無法達到預期的目的。

此外，由于專業、人員、模型、環境的局限，對于基于 BIM 的建筑工程信息體系與架構的探究尚淺。使用頭盔顯示器和數據采集手套等外部設備進入仿真的建筑物，這種方式能充分體現虛擬現實技術的價值，但是這方面的技術在建筑施工領域應用較少。

從技術層面上講，虛擬施工技術能夠實現對傳統的建筑施工方式的全面變革，促使建筑施工企業組織、管理及生產方式等各個方面發生變化。但是由于現階段各種主客觀原因的存在還未能大力發展普及，仍需要各方面力量的積極推動和支持，不斷完善其理論和技術體系，以促進施工技術的進步和發展。

如今，虛擬現實技術主要是依靠頭盔顯示器和數據采集手套等外部設備，用戶利用這些設備來體驗和參與到模擬事件中去，利用鼠標、鍵盤、語音和手勢來對物體或是角色進行操控。而未來的虛擬現實將會是一個充滿著逼真互動體驗的包羅萬象的新世界，用戶可以參與到具體情境中去，所有的一切將會異常真實。

當然，實現這一切需要更加先進、創新的技術、軟件及娛樂內容的支持。如果發展能夠一直持續的話，我們至少能夠進行視覺上的瞬間移動，進入到并不遙遠的未來奇幻世界。不可否認，虛擬施工技術在建筑領域的應用將是一個必然趨勢，在未來的建筑設計及施工中的應用前景廣闊。相信隨著虛擬施工技術的發展和完善，必將推動我國工程建筑行業邁入一個嶄新的時代。