基于BIM模型對工程施工管理中VR虛擬現實技術的創新應用研究

張道衢　黃樹利　張桂松

摘要內容：隨著科學技術的進步以及國家對BIM技術的大力推行，近年來，我國建筑行業飛速發展，建筑形式多樣，施工技術不斷更新，參與角色更為多元。傳統的二維圖紙已不能滿足當今建筑行業的需求，BIM技術逐漸應用于實際工程中，實現多方協同合作，VR技術能更直觀地模擬真實的環境，增加互動性 。在實際項目中，利用VR技術模擬真實的三維環境，對其在施工進度管理、成本管理、質量管理、安全管理等方面的應用進行探討，為解決工程問題 提供有力的技術支持。

關鍵詞：BIM技術;VR虛擬現實技術;施工管理

1? BIM與VR虛擬現實技術概述

1.1? BIM 技術

BIM（Building Information Modeling）簡稱建筑信息模型，最初是由美國佐治亞技術學院建筑與計算機專業的扎克伊士曼提出的，把不同階段、不同專業的所有建筑信息，整合集成在統一的三維模型中，實現設計方、施工方、運營方等各方在設計過程、施工過程、運營管理過程的信息共享、協同工作。BIM技術以模型作為載體，將建筑結構等各個專業的相關信息集合到模型中，使數據具有完備性、關聯性、一致性，實現各專業的協同設計，建立多維度、結構化的數據庫，解決建筑工程中海量數據的建立與管理、因技術造成的返工和多專業協同復雜的難題，在數據、技術和協同管理三大層面，提供了革命性項目管理手段，進而減少工程建設過程中各方信息不對等的情況，避免施工過程中可能出現的施工安全問題，從源頭提升安全性和可靠性。目前，越來越多的建設工程采用BIM技術。

1.2? VR虛擬現實技術

VR（Virtual Reality）是指虛擬現實技術，是一種模擬體驗虛擬世界的交互式仿真系統，利用計算機融合多源信息，通過三維動態視景去感知實體行為下的虛擬世界。虛擬現實綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中，并且能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互。VR技術融合了計算機仿真技術、圖形技術、顯示技術、人工智能、傳感技術以及其他關鍵技術，通過 BIM模型進行沉浸、交互和體驗。科學技術的進步推動了VR技術的發展，該技術已經廣泛應用于游戲、電影、科教、醫療、建筑等領域，如 VR游戲、VR校園、VR教學平臺、智慧工地上的 VR演示等。近來，我國國內VR成型產品加速落地，與建筑直接相關的產品包括展示設備、拍攝設備、設計軟件等，目前應用主要集中于VR樣板房展示、云渲染家裝、設計轉換VR平臺等。當前，VR正逐步照進建筑設計和工程施工領域，已有效應用于西方工業設計;未來有望在中國建筑設計領域廣泛推廣使用，目前已在樣板房展示等營銷領域落地。在建筑設計上，可視性方面，VR可以增強建筑及室內設計的設計成果的展示效果，還可以以沉浸式的方式進行施工模擬演練，幫助施工方了解施工過程。交互性方面，室內設計師可以利用VR完成沉浸式的家裝設計，同時VR設計軟件的支持下，建筑師有望在不久的將來實現VR建筑設計。VR在工程施工中的應用，目前一般用于開始施工之前來創建和體驗三維建筑模型。

1.3? BIM+VR虛擬現實技術優勢

在 VR 場景中將信息管理、信息溝通問題與BIM技術融合展示，提高建筑行業的設計質量和效率，促進我國建筑行業可視化技術的迅速發展。在設計前期運用BIM+VR 技術更好地輔助設計師進行設計并提高信息傳輸效率，減少信息有誤的損失。實現模型虛擬仿真，為模型的設計和施工方法提供了科學、快捷的手段，基于BIM模型的虛擬現實技術具有交互性、直觀性、場景化等優點，綜合BIM和VR的特點，更大程度地發揮“BIM+VR”優勢。

2? BIM技術在施工管理中的優勢

2.1? 可視化

在傳統的工程項目管理過程中，對于甲方、設計方、施工方等各參與方，在項目實施前和實施過程中建筑產品是“不可見不可觸”的，且各方更多的是通過二維圖紙、CAD模型、現場實地考察等方式溝通交流。利用BIM技術可以實現建筑產品的可視化，“不可見”變“可見”，2D變3D。利用revit軟件創建3D數字化信息模型，二維到三維的轉變，不僅使得建筑產品可視化，而且所有構件信息參數化，且具有互動性和反饋性，便于項目實施過程中實時溝通交流，及時反饋信息，減少信息差。通過BIM，都可以高效地建立工程數字模型，BIM軟件系統既能快速精準地進行工程量造價等數據分析，也可以實現如碰撞檢查、剖面圖砌體排布等技術問題解決，最后實現基于互聯網的項目級企業級的協同管理。

2.2? 協調性

一個工程項目的順利完成，需要各方通力協作，不同專業協調溝通。施工過程中的溝通不暢、反饋不及時等，均可能造成施工效率降低、成本增加、工期拖延。項目前期建立BIM模型的過程中，通過碰撞檢查，可避免硬碰撞和軟碰撞問題產生。且在前期模型建立過程中，從結構、機電、水暖等的設計到施工，都可以利用三維模型信息進行溝通協調，及時發現并解決問題，減少返工、縮短工期、節約成本。

2.3? 模擬性

BIM技術不只是模型的可視化展示，還可以進行虛擬動態模擬，比如進行主體結構施工，可以基于refit導出的GCI文件進行4D施工模擬，預先了解施工過程，優化施工方案。基于施工4D模擬可以進行成本控制5D模擬，在水電暖設計時，可以進行水流、節能等模擬，預估可能發生的安全問題可進行緊急疏散模擬等。

3? BIM+VR虛擬現實技術在施工管理中的優勢

長久以來，建筑行業存在如下兩個痛點，一是建筑效果未知，二是工程質量控制難。建筑效果未知指的是建筑效果不可預測，施工方很難把握設計示意圖，客戶難以預知施工狀況;工程質量控制難是指建筑過程缺乏統籌規劃與項目組之間的溝通，難以控制工期、質量和成本。為了解決上述兩個痛點，BIM應用而生。那么相比單純的BIM應用，VR在BIM三維模型的基礎上，加強了可視性、具象性和交互性。

BIM+VR的使用，可利用VR技術提升BIM應用效果并加速其推廣應用。BIM是以建筑工程項目各項相關信息數據作為模型的基礎，進行建筑模型的建立，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，具有可視化，協調性，模擬性，優化性和可出圖性五大特點。VR沉浸式體驗，加強了具象性及交互功能，大大提升BIM應用效果，從而推動其在建筑業的推廣和應用。

不僅如此，BIM+VR還能加速推進建筑行業轉型，讓建筑觸手可及。BIM+VR除了能解決建筑行業最大的痛點“所見非所得”和“工程控制難”，統籌規劃、資源整合、構建具象化聯系和平臺外，系統化的BIM平臺還能將建筑設計過程信息化、三維化，同時加強建筑施工過程的項目管理能力。VR在BIM的三維模型基礎上，加強了可視性和具象性。通過構建虛擬展示，為使用者提供交互性設計和可視化印象。

對于BIM廠商而言，如果搭載了VR技術，BIM系統就能提供沉浸式體驗，從而有效提高資源整合能力，提高產品的競爭能力。例如，正在開展VR技術結合基建BIM系統的研發，將BIM技術貫穿基建項目的設計到施工、運營階段，通過強大的數據、協調、3D可視技術，減少項目變更，減少材料浪費，縮短工期，為項目帶來巨大效益;并通過引入強大的新型3D引擎，大幅提高畫面的渲染效果，實現構件的真實物理屬性和機械性能;基于VR技術與基建BIM系統的對接，使工程模型和數據實時無縫雙向傳遞，在虛擬場景中對構件進行任意編輯。

VR作為一種新興的可視化溝通技術和溝通平臺，與BIM技術的結合應用，能夠發揮出二者的優勢。二維圖紙到BIM模型是“2D”到“3D”，“不可見不可觸”到“可見不可觸”的轉變，而BIM到BIM+VR的應用是“可見不可觸”到“可見可觸”的轉變。VR不僅能使體驗者能夠身臨其境的體驗施工的過程，清晰明了地查看工程結構的每一個部件、也可以全方位掌握施工過程中的工藝工法，有助于實現虛擬與現實的穿越。由于工程施工行業是出了名的利潤率低和效率低下，對企業來講，任何能夠降低成本并使建筑物更快完成施工的技術將是一大優勢。虛擬現實還可以減少施工錯誤，因為包括環境因素的設計可行性測試可以在VR模型中進行，這樣可以突出設計和施工的潛在錯誤。

BIM與VR技術的結合應用，使得原來“可視化”的模型“場景化”，參與者可以進行場景漫游，預覽建筑實體，觀察施工過程，了解施工進度，掌握成本控制，查看構件狀態信息等。BIM與VR的關系中，BIM模型是內核，提供建筑信息，VR是外觀，提供建筑信息的直觀表現。

4? BIM+VR虛擬現實技術在施工管理中的應用

技術可面向的對象多樣化，涵蓋的階段全面化，覆蓋的過程動態化，二維到三維可視化動態控制管理，有利于項目實施管理最終達到工期短、成本低、質量高、安全好等目標。

4.1? 進度管理

在refit建立的BIM模型的基礎上，結合編制的網絡進度計劃，可以形成4D虛擬施工模擬。例如，將實體模型、場地模型、施工進度計劃導入BIM5D軟件中，通過模型整合、劃分流水段等操作，可以完成基于BIM的4D虛擬施工。4D虛擬施工實現了施工動態化模擬，施工現場三維化可視化，網絡進度計劃的調整，場地方案的改變等均可在虛擬施工過程中實現。對于實際過程中遇到的有關施工進度、施工操作等問題，可以做到提前發現，及時優化。

4.2? 成本管理

工程項目成本控制涉及整個項目過程各方面的資源消耗， 如人工、設備、材料等。BIM模型中包含各構件相關屬性信息， 基于4D虛擬施工模擬，模型與數據掛接關聯，從而通過5D模擬實現成本預算和成本控制。如需進行模型修改或施工方案調整，相應關聯的成本可以進行動態調控，便于施工單位做好成本控制及信息化管理。

4.3? 質量管理

工程項目質量管理需全周期、全過程、全方位把控。基于BIM的4D虛擬施工可以實時監控和跟蹤各個階段施工質量，實時監控和調控，實現各參與方信息共享，避免信息偏差，提高效率和質量。

4.4? 安全管理

在安全管理制度健全的基礎上，建立BIM安全信息模型和平臺，線上線下定期巡查各個環節安全問題。同時，基于BIM的4D、VR等技術可以使參與人通過可視化場景、侵入式漫游等方式進行安全培訓，真實化的安全情景模擬利于增強當事人安全意識，鍛煉安全應急管理能力。

5? 結語

BIM技術在國內已經得到普遍重視和應用，也是近些年建筑行業的發展趨勢。BIM已滲透到建筑設計領域，并在建造方式上改變了傳統的施工方法，VR的誕生給人們帶來了不一樣的感知交互體驗，兩者的結合勢必會增強相互領域間的技術層次。在數字信息飛速發展的時代，BIM技術和VR技術相結合，有利于提高建筑工程效率，更有益于建筑模型信息化的常態化發展。BIM+VR的結合在設計前期方案評審中有助于規避設計風險，并在施工中進行三維方案模擬，模擬存在安全風險的方案，減少事故率，從而提高整個項目管理的水平。樣板房、家裝設計等只是VR與BIM相融合的開始，未來利用BIM與VR系統平臺打造虛擬城市，為城市創造更多的新空間，推動超大型城市的形成與改變，輔助智慧城市建設，才是其發展的長遠道路。在此過程中，無論是在設備硬件研究上，還是在內容填充上和交互功能體驗上，BIM與VR都還有很長的道路需要走。但是現有專業BIM從業人員有限，BIM技術應用深度不夠，硬件需求跟不上等問題也是BIM技術發展道路上需要解決的問題。當BIM與VR真正相互融合，帶給我們的將不只是虛擬世界與現實世界的無痕切換，施工過程實時監控，而是一場全方位感知的盛宴，是一場建筑技術的新革命！

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