BIM與AR技術結合在施工質量控制中的應用

覃月金 唐際宇 唐閣威 寧華宏

中國建筑第八工程局有限公司廣西分公司 廣西 南寧 530028

1 工程概況

廣西南寧華潤中心東寫字樓項目（圖1）建筑高度為445 m，地下3層、地上90層。工程結構收縮變化大，施工難度大且工期緊。鑒于工程的特殊性，在項目引進BIM技術的基礎上，結合AR（增強現實）技術探求更高效、安全的施工現場生產與管理手段，極具研究價值[1-4]。

施工前通過BIM技術優化施工方案并進行三維可視化交底，施工中將虛擬信息和真實環境進行疊加實現現場施工指導，根據現場變化將問題即時記錄并反饋到三維模型中，以便后期維護和管理，切實彌補BIM技術無法將模型與現場實際進行實時交互的短板，實現質量控制的優化。

2 BIM與AR技術結合在質量控制中的應用

圖1 項目整體效果圖

施工過程中影響工程質量問題的因素主要分為產品質量因素、技術質量因素、參與主體的目標差異和外部環境影響，無論是哪種因素造成的質量缺陷，都將帶來大量的返工，不但影響建筑整體性能還增加工程成本的負擔。建筑行業作為技術水平低、粗放、高能耗的一個典型行業，亟待新興科技對傳統施工理念和流程進行升級與改造。

技術質量的合格，應該是保證所有建筑構件質量符合要求的前提，技術方案的合理性、施工順序的正確性、施工用料的準確性都會對產品的質量起到關鍵性影響。傳統的施工完全依賴于現場工人的技術經驗、技術水平以及對圖紙的理解，質量缺陷的形成不可控[5-7]。

據此，從本項目實際情況與需求出發，選取極具代表性且具備研究可行性的節點進行探索，在傳統技術施工方案的基礎上，結合BIM與AR技術，制訂了基于BIM與AR技術的施工質量控制執行方案，包括施工前的方案模擬、施工現場的三維指導、施工后的質量檢查以及施工全過程的動態管理，實現事前控制和事中控制結合、事后及時反饋調整的主動控制管理思維。

2.1 施工前的方案模擬

通過Revit（土建）、Tekla（鋼結構）軟件對質量控制點創建三維模型，使用Navisworks、BIM 5D、Lumion、3Ds Max、MAYA等軟件根據施工方案進行三維漫游、碰撞檢查、施工模擬、大型設備吊裝模擬等，然后用Unity＋VuforiaSDK創建允許人機交互的AR場景，根據軟件形成的檢查報告或者直接識別，找出方案中不合理的地方，進行深化設計，直至方案合理可行。

首先，施工過程中，三維模型能夠提供直觀的建筑成品的形態，幫助工人很好地理解圖紙，體現了BIM模型可視化的特征；其次，我們充分利用BIM的模擬性和優化性，模擬施工工序，制作模擬動畫，最后通過AR技術將虛擬模型或模擬動畫疊加到真實場景中（圖2），在我們面前呈現的是一個生動而真實的建筑成品，方便施工方在施工前就將方案修改到最佳效果。

圖2 AR展示效果

2.2 施工現場的三維指導

盡管施工前參建各方已經敲定最佳施工方案，減少了質量缺陷風險，但在現場復雜多變的環境中，例如交底培訓宣貫不足、測量放線定位不準、緊前工序累計誤差過大，都可能造成現行施工方案的不適應。通過AR技術進行三維指導，一方面，在現場實時指導的過程中，能夠人機交互進行標記，有利于控制現場的變化情況，并將反饋信息記錄下來持續跟蹤反饋，管理人員能夠根據現場變化及時調整方案。另一方面，有了AR技術，我們只需要一本圖紙或規范，帶上我們的手機或平板，便可輕裝上陣，因為AR模型不像單純的BIM模型需要電腦查看，AR模型在軟件中經過處理能生成移動端適用的程序，而且顯示效果更加真實立體（圖3、圖4）。

2.3 施工后的質量檢查

圖3 機電專業現場安裝的AR指導模型

圖4 封閉式樓梯的AR指導模型

以上施工過程中的質量檢查都是針對單一構件或專業內部的檢查，施工后還應該有整體空間關系的檢查，而施工過程的現場實況與模型查對一般是現場工人或施工員的自檢，在施工完成后還有質量部和監理甚至第三方的檢查。此時，將AR模型提供為質量檢查的依據，并將AR標記的在現實環境中能觸發虛擬場景的image target貼到相應的構件上，一旦我們對哪個構件有疑問，便現場使用手機或者其他移動設備識別構件上的image target從而調出AR模型進行檢查（圖5）。除此之外，如需要進一步檢查整體空間關系，仍可以使用手機或者其他移動設備來識別標記整個房間的image target來進行檢查。

圖5 鋼構桁架加強層安裝后的整體空間關系檢查

檢查過程中一旦發現問題，現場人員就將問題對應的模型截圖后發送給工程部和技術部，待后續的查改。整個過程的信息傳遞非常高效、便捷、準確。

2.4 施工全過程的動態管理

BIM結合AR技術在施工質量全過程動態管理中的價值很容易被理解，施工前的方案模擬、施工現場的三維指導、施工后的質量檢查，都會不斷出現新的質量風險，為了達到事前控制的目的，最大限度地避免質量缺陷，應將后續工序出現的問題反饋至前面各工序。BIM與AR技術結合在現場質量控制的應用中，整個方案實施過程的信息都會在數據庫中存儲，這些數據不斷地被積累，最終形成強大的數據庫，為后續應用或新建項目提供最大化的經驗積累，從而為企業的縱向管理做出貢獻。

3 總結及設想

3.1 應用總結

BIM與AR技術結合應用于施工現場質量控制，形成一個從施工前到施工后的全過程動態管理，為現場質量控制提供了一種創新的模式。現階段AR技術切實有效地解決了BIM在施工質量控制中的應用缺陷，推動了BIM在建筑全生命周期中的價值體現。

在廣西南寧華潤中心東寫字樓項目中，BIM結合AR技術的應用覆蓋了鋼結構沖突檢測、頂模爬升模擬及沖突檢測、管線綜合應用、系統培訓、土建及鋼筋建模培訓、管井綜合深化、機電與二次結構（圈梁、構造柱）沖突檢測等，目前為止，共節約工期36.5 d，總經濟效益7 501 400元。

3.2 AR應用展望

目前AR應用還僅在單一操作面板的水平上，如果房間過于復雜或整個建筑包含構件數量龐大，對構件一一標記image target顯得過于麻煩。設想在Unity 3D軟件中，對Hiar插件進行簡單的代碼操作，創建UI系統按鈕，形成主面板和子集面板，可將整個房間所有構件的模型都配置到同一個AR資源包中，根據“房間—豎向結構—構件1—鋼筋”“房間—水平結構—構件2—鋼筋”的關系逐層地打開需要查看的信息，每個房間僅對應一個image target圖片。然而這樣我們將面臨的難題是AR模型承載的內存過大，對硬件設備的要求非常高，反而不利于AR技術的現場應用。綜上所述，無論是BIM的輕量化研究障礙，還是軟件產品的專業化程度不足，AR應用研究的道路還很漫長。

4 結語

建筑行業是一個信息、技術密集型產業，每一個建筑項目都蘊含著豐富的圖紙信息，在傳統的“按圖施工”管理模式中，施工指導高度依賴圖紙，而BIM管理理念的提出，切實地在提升人的認知能力方面將我們從痛苦中解放出來，它在建筑領域中對大量數據的準確讀取并可視化表達，深度挖掘并系統地存儲將發揮不可估量的作用。

盡管BIM或AR技術仍存在很多人為因素或技術因素亟待解決和改進，但在施工指導中的應用前景是毋庸置疑的。