AR技術(shù)在裝配整體式結(jié)構(gòu)施工教學(xué)中的應(yīng)用研究

干學(xué)宏,王 偉,江晨暉

(浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311231)

1 概 述

進(jìn)入21世紀(jì)后,國外建筑進(jìn)入了以標(biāo)準(zhǔn)化、體系化、通用化構(gòu)配件為中心,組織專業(yè)化、生產(chǎn)社會化和供應(yīng)商品化的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)模式[1-2]。2014年7月,住建部正式出臺《關(guān)于推進(jìn)建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》,明確提出應(yīng)大力推動建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化。所謂“建筑產(chǎn)業(yè)化”[3],指用工業(yè)化生產(chǎn)的方式來建造住宅,以提高住宅生產(chǎn)的勞動生產(chǎn)率,提高住宅的整體質(zhì)量、降低成本,降低物耗、能耗。在建筑工業(yè)化發(fā)展的背景下,裝配式建筑的發(fā)展模式百花齊放[4]。作為三大典型裝配式建筑形式之一,預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)承載力、使用壽命與傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相當(dāng),且具有施工周期短、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在中國具有更好的發(fā)展?jié)摿5]。《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 51231—2016)》已正式發(fā)布實(shí)施[6]。《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》中明確提出“到2020年,裝配式建筑占新建建筑的比例20%以上,到2025年,裝配式建筑占新建建筑比例50%以上”[2]。目前,掌握裝配整體式結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的高素質(zhì)技能型人才相當(dāng)缺乏,成為制約裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的最大瓶頸。

目前,建筑行業(yè)積極響應(yīng)國家號召,努力對接行業(yè)需求,依靠“企業(yè)培訓(xùn)”和“學(xué)校教學(xué)”兩個支點(diǎn),全力推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化人才培養(yǎng)工作。在裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐中,很多資料努力做到理論聯(lián)系實(shí)踐,并精選大量的工程圖片和視頻,但是相關(guān)教學(xué)效果總是差強(qiáng)人意。問題在于這些資料無法真正做到理論知識與工程實(shí)踐融合貫通。裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)施工過程繁瑣,很多節(jié)點(diǎn)“看不見,摸不著”,而這些節(jié)點(diǎn)恰恰就是質(zhì)量控制的關(guān)鍵。此外,很多行業(yè)專家理論水平很高,但表現(xiàn)手段的缺乏,很多構(gòu)造節(jié)點(diǎn)和施工工藝,盡管花了大量篇幅進(jìn)行解讀,但學(xué)習(xí)者最終還是無法掌握。“在最短時間內(nèi),深入解剖裝配整體式結(jié)構(gòu)施工技術(shù)”成為建筑產(chǎn)業(yè)化技能人才培養(yǎng)的關(guān)鍵所在。

2 基于AR技術(shù)的裝配整體式結(jié)構(gòu)施工教學(xué)設(shè)計

2.1 “增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”技術(shù)

“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”技術(shù)(Augmented Reality,簡稱 AR),是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個分支,原本在現(xiàn)實(shí)世界一定時空范圍內(nèi)難以體驗(yàn)到的視覺、聲音、觸覺等實(shí)體信息,在科學(xué)技術(shù)模擬仿真作用下,疊加在現(xiàn)實(shí)世界中再被人類感官所感知,從而實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)的一種技術(shù)[7-8]。AR技術(shù)將虛擬信息疊加到真實(shí)場景中,構(gòu)造出虛實(shí)三維空間,現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界共存,互相增強(qiáng),營造出似真似幻的曼妙時空,充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的參與意識、互動思維和學(xué)習(xí)熱情。

2.2 專業(yè)教學(xué)與AR相結(jié)合

基于“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”技術(shù),對專業(yè)理論知識進(jìn)行三維解剖和立體式打造,通過真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境的情境學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)者可輕松克服傳統(tǒng)學(xué)習(xí)上的認(rèn)知障礙,學(xué)習(xí)效果大大提升,在短時間內(nèi)迅速理解和掌握相關(guān)知識節(jié)點(diǎn)。對于講解者而言,在教學(xué)講解中深入結(jié)合AR技術(shù),相關(guān)專業(yè)理論知識和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造通過立體平臺360°呈現(xiàn),所謂“高深莫測的節(jié)點(diǎn)知識”層次分明,一目了然,達(dá)到“所見即所得”,既減少了講解者的工作量,又極大提升了受眾的學(xué)習(xí)效果。

3 裝配整體式結(jié)構(gòu)施工工藝的AR系統(tǒng)

3.1 技術(shù)方案

研究者深入研究了Cinma4D和Unity3D技術(shù)。CINEMA 4D即4D電影,其本身也為3D軟件,由德國Maxon Computer開發(fā),以極高運(yùn)算速度和強(qiáng)大的渲染插件著稱,很多模塊功能較同類軟件更先進(jìn)。Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個讓學(xué)習(xí)者輕松創(chuàng)建諸如三維視頻、建筑可視化、實(shí)時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具,是一個全面整合的專業(yè)引擎。

圖1 裝配整體式框架結(jié)構(gòu)施工工藝流程圖

3.2 研究成果

本研究集中采用了Cinema4D技術(shù)和Unity3D技術(shù),對裝配整體式結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的關(guān)鍵施工工藝(圖1)進(jìn)行深入解剖和全面分析,精心設(shè)計和打造了裝配整體式結(jié)構(gòu)施工工藝的AR系統(tǒng),研究開發(fā)了三維素材資源、獨(dú)立學(xué)習(xí)程序和課外自學(xué)APP。其中,Cinema4D 主要是對裝配整體式結(jié)構(gòu)施工工藝的關(guān)鍵工序和施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維圖片和三維動畫設(shè)計和制作,并形成三維圖片和三維動畫素材。Unity3D技術(shù)則主要負(fù)責(zé)全系統(tǒng)資源整合和集成,這些資源包括三維圖片、三維動畫、現(xiàn)場照片、現(xiàn)場視頻、考核題庫和其它資料。

3.2.1 三維素材資源

采用Cinma4D技術(shù),本研究設(shè)計開發(fā)了一系列三維圖片(圖2)和三維動畫(圖3)等素材資源,全面構(gòu)建了針對裝配整體式框架結(jié)構(gòu)施工工藝的資源庫,為后續(xù)的AR系統(tǒng)搭建奠定資源基礎(chǔ)。三維資源庫清單見表1。

表1 已開發(fā)三維素材

備注：限于篇幅,表格只羅列部分建設(shè)的三維素材。

圖2 裝配式結(jié)構(gòu)雙排腳手架示意圖

圖3 疊合樓板三維模型

3.2.2 獨(dú)立學(xué)習(xí)程序

本研究形成了AR獨(dú)立學(xué)習(xí)小程序,該程序可以在windows環(huán)境下安裝運(yùn)行,不受電腦和地點(diǎn)限制,極大的方便了學(xué)習(xí)者。學(xué)習(xí)者在任意電腦上打開“AR獨(dú)立學(xué)習(xí)小程序”,程序運(yùn)行之后,出現(xiàn)指定施工節(jié)點(diǎn)界面,學(xué)習(xí)者可以自由進(jìn)行“放大”“縮小”“拉遠(yuǎn)”“拉近” “旋轉(zhuǎn)”“進(jìn)入內(nèi)部”等操作,查看任何想掌握的知識節(jié)點(diǎn)和工藝構(gòu)造做法。見圖4、圖5。在工程實(shí)踐中,由于現(xiàn)場條件和施工需要,很多關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)被覆蓋隱蔽,即使學(xué)習(xí)者在施工現(xiàn)場24 h旁站,也無法獲取想要學(xué)習(xí)的節(jié)點(diǎn)內(nèi)容和知識。獨(dú)立學(xué)習(xí)程序就解決了上述難題,按照工程現(xiàn)場的施工工藝精確建模,為學(xué)習(xí)者提供了全方位立體式的學(xué)習(xí)平臺。

圖4 預(yù)制柱遠(yuǎn)景(拉遠(yuǎn))

圖5 預(yù)制柱近景(拉近)

3.2.3 課外自學(xué)APP

本研究形成了課外自學(xué)APP,APP在手機(jī)上進(jìn)行安裝。APP具備“基本信息”“三維模型”“三維動畫”“現(xiàn)場圖片”“工程視頻”和“試題考核”等功能模塊,將施工現(xiàn)場的一系列技術(shù)要求和數(shù)據(jù)信息立體多維度呈現(xiàn)在手機(jī)屏幕上。學(xué)習(xí)者只須掃描相應(yīng)識別碼,并用手觸碰相應(yīng)功能按鈕(圖6),即可學(xué)習(xí)到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的多維度立體知識(圖7),建造過程、施工圖紙、現(xiàn)場圖片等一系列知識。在手機(jī)普及的今天,學(xué)習(xí)者易接受這種教學(xué)方式。此外,老師可以實(shí)時掌握學(xué)生答題的情況,學(xué)生答題完畢以后,教師可以通過APP隨時查詢學(xué)生的答題信息。

圖6 APP系統(tǒng)功能鍵

圖7 對三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作

3.3 效果分析

研究者組織對建筑產(chǎn)業(yè)化有興趣的學(xué)生進(jìn)行自學(xué),測試獨(dú)立學(xué)習(xí)程序和課外自學(xué)APP。為了確保研究效果,所有學(xué)生對裝配整體式框架結(jié)構(gòu)施工工藝都沒有事先接觸。為了準(zhǔn)確評估課外學(xué)習(xí)效果,研究者抽選建筑工程技術(shù)專業(yè)的50名學(xué)生,安排其在計算機(jī)機(jī)房對“雙排腳手架、預(yù)制梁框架柱安裝”進(jìn)行了40 min的自習(xí),自習(xí)后進(jìn)行了學(xué)習(xí)效果自測和學(xué)習(xí)感受問卷調(diào)查。從自測及調(diào)查數(shù)據(jù)得： 答題的正確率為100%,學(xué)習(xí)體驗(yàn)良好率為96%,建議推廣的比率為88%。此處,“建議推廣率”為“明確建議在教學(xué)中進(jìn)行大規(guī)模推廣”的學(xué)習(xí)者數(shù)量與學(xué)習(xí)者總數(shù)的比值。

在規(guī)定時間和地點(diǎn)內(nèi),學(xué)習(xí)者順利完成了相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容,答題正確率100%,且學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)體驗(yàn)最佳率達(dá)到75%,良好率達(dá)到了96%,只有2名學(xué)習(xí)者體驗(yàn)一般。88%參與者明確建議,其他專業(yè)課應(yīng)采用這項模式和技術(shù),對傳統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行立體式多維度打造和重建。教學(xué)運(yùn)行的測試表明：本系統(tǒng)大大革新了傳統(tǒng)教學(xué)資源和教學(xué)方法,學(xué)習(xí)者在裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)施工工藝的學(xué)習(xí)過程中,體驗(yàn)非常愉快,對知識掌握速度快,學(xué)習(xí)質(zhì)量好。

4 結(jié) 語

結(jié)合Cinema4D技術(shù)和Unity3D技術(shù),本研究針對裝配整體式結(jié)構(gòu)的施工工藝和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)開展了大量的研究工作,基于AR技術(shù)對傳統(tǒng)教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行三維立體式打造,形成了“三維素材資源”“獨(dú)立學(xué)習(xí)程序”和“課外自學(xué)APP”。相關(guān)教學(xué)實(shí)踐和測試表明,通過真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境相結(jié)合的情境學(xué)習(xí),學(xué)生可輕松克服傳統(tǒng)學(xué)習(xí)上的認(rèn)知障礙,學(xué)習(xí)效果大大提升。對教師而言,節(jié)省下來的教學(xué)時間又可以輔導(dǎo)學(xué)生其他學(xué)業(yè),使教學(xué)活動進(jìn)入良性循環(huán)。

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