基于VR技術的建筑施工安全教育系統構建及應用

彭玲茜 潘瑜 范自盛

(福建船政交通職業學院 福建福州 350007)

0 引言

隨著我國經濟快速增長和城市化進程的不斷推進，建筑施工行業也得到了快速的發展。 但另一方面，建筑施工過程中的諸多環節仍存在多種安全隱患，易引發事故，不僅會造成企業的財產損失，還會危及施工人員的生命安全，建筑施工安全管理問題日益突出。現階段大型復雜高層建筑的增多，導致施工難度也隨之增大，對技術的專業性要求也不斷提高。根據住房和城鄉建設部辦公廳統計，2018年全國共發生房屋市政工程生產安全事故734起、死亡840人[1]。造成安全生產事故的原因，主要是安全管理不到位導致的。因此，建筑施工安全教育成為業界關注的焦點。當前，建筑施工安全教育主要圍繞安全技術交底及安全檢查、驗收與持續改進等方面進行，基本是通過文件學習、視頻教育、筆試考核等傳統的學習手段，來傳遞安全教育的意圖、目標和內容。然而，受訓者很難通過理論性的課堂教育，深刻認識安全施工生產的重要性和安全事故的嚴重性。基于被動式的理論知識學習安全教育模式，在一定程度上會造成施工人員對安全技術內容的理解困難，例如，不能全面地分析作業現場和施工人員的實際情況；或是對施工現場存在的隱患辨識不全面、不徹底，不能有效地進行建筑施工安全教育培訓等，從而難以提升施工人員安全技術水平，無法達到提高施工人員安全意識和防范事故發生的目的。因此，如何將現代信息技術手段應用于建筑施工安全教育已成為安全培訓業內的當務之急。

VR技術能夠讓受訓者進入虛擬環境獲取建筑信息數據，進行方案優化、事故體驗，在有限的空間，減少固定式實物體驗項目的投入，符合綠色施工的理念。同時，對建筑行業項目施工具有較強的指導作用，能夠有效提高安全管理效率。所以，具備沉浸感、仿真性、互動性的VR技術被廣泛應用在建筑施工行業安全教育中。

1 VR技術應用在建筑施工安全教育方面的優勢

VR技術是集計算機、電子信息、仿真技術于一體，結合傳感技術與人工智能，基于計算機模擬虛擬環境給人以環境沉浸感的人機交互技術。VR系統的構建主要通過Unity3D引擎軟件及3DMAX建模軟件協同開發完成。VR技術具有突破時空限制，再現施工現場環境、進行沉浸式教學，任務式學習以及保證高風險體驗項目的安全性等優點，可為建筑施工安全教育提供技術支持?；赩R技術開發的建筑施工安全教育仿真系統，可以較全面地涵蓋施工作業過程中遇到的安全問題，有利于建筑施工安全教育的展開[2]。

1.1 突破時空限制，再現施工現場環境

VR技術能夠模擬施工現場環境，通過建筑施工安全教育仿真系統建設，可再現前期施工準備階段、地基與基礎施工階段、節能工程施工階段以及建筑裝飾裝修施工階段全過程，使受訓者不用到達施工現場，也可突破時空限制，真實地了解施工全過程。

1.2 沉浸式課堂，任務式學習

VR技術能夠構建沉浸式課堂，讓受訓者在虛擬空間中完成任務式學習。受訓者可以借助VR設備模擬進入虛擬的建筑施工現場，以第一人稱的身份去體驗施工中可能發生的險情，感受安全事故發生所造成的后果。在體驗完成后，可通過第三人稱回顧事故發生的情景，并有針對性地進行事故分析和總結。沉浸式課堂可幫助受訓者在學習突發事件應急處置過程中，通過了解現場各項工序及施工環境中的安全隱患，從而提高安全防范意識。結合VR技術沉浸感、仿真性、互動性的特點，加以人機交互，受訓者可通過建筑施工安全教育系統平臺，進行施工過程技術交底、安全隱患排查等工作任務的學習。

1.3 安全性能高，投入成本少

傳統的安全教育一般通過搭建安全體驗館以及質量樣板展示區來進行培訓。安全體驗館的實體項目，比如高處墜落項目，讓受訓者在5m高度，突然下墜至海綿鋪設的地面，存在一定的體驗風險。而質量樣板展示區，需要大空間，展示實體施工工藝。但是通過引入VR技術，搭建建筑施工安全教育系統平臺，則讓受訓者在安全的條件下真實體驗建筑施工的常見事故。構建基于VR技術的建筑施工安全教育系統不僅可以降低事故體驗的風險，還能在保證教育培訓效果的基礎上，減少固定的安全體驗館以及質量樣本展示器材等資金的投入，達到整體安全性能提高和降低投入成本的目的。

2 VR技術安全培訓系統框架設計和構建

在建筑施工過程中，安全是永恒的主題。事實證明，單純對受訓者進行理論式的安全培訓效果一般，建筑施工安全教育VR系統對象為安全管理人員及施工人員，只有不斷加強對他們進行建筑施工的常見事故真實體驗的安全教育培訓，提高施工者的安全意識，才能筑牢建筑施工安全防線。充分發揮VR技術的優勢，開發建筑施工安全教育VR系統，可以有效解決傳統安全教育模式無法完全滿足建筑施工安全教育需求的問題[3]。因此，本節在分析了VR技術特點的技術上，設計和構建了基于VR技術的建筑施工安全教育系統，旨在借助VR設備模擬進入虛擬的建筑施工現場，提高受訓者對建筑施工環境的熟悉度、設備操作的熟練度及應急救援的能力，構建框架設計如圖1所示。建筑施工安全教育VR系統包含漫游體驗模式、訓練模式以及考核模式。漫游模式涵蓋施工環境情境漫游及常見安全事故的體驗，受訓者可以進入VR施工現場，感受真實施工環境，體驗施工過程中常見的安全事故，例如高處墜落、物體打擊、起重事故等。訓練模式包括應急處理方案預演、安全作業規程學習及典型事故案例分析，受訓者可以通過學習和模擬操作，進入VR施工現場進行應急處理方法、急救知識、安全技術交底等知識點學習。在學習完成后，可以進入考核模式，進行隱患排查測評。

圖1 建筑施工安全教育VR系統構建框架設計

3 VR技術在建筑施工安全教育系統中的構建和應用

以漫游模式下，常見安全事故體驗為例，訓練內容來源于工程實踐案例。根據住房和城鄉建設部辦公廳的統計，2018年，全國房屋市政工程生產安全事故類型分布，具體如表1所示。通過表1可以看出，高處墜落、物體打擊、起重傷害、坍塌事故、機械傷害是工程生產安全事故中的多發的事故類型。因此，我們以這五類常見安全事故類型作為主要研究對象，構建并開發了相應的VR建筑施工安全教育系統。

表1 全國房屋市政工程生產安全事故類型分布表[1]

3.1 高處墜落事故體驗VR系統

通過使用VR設備，使受訓者能進行全景沉浸式觀察學習，在安全的環境下深入分析高處作業的危險環境。高處墜落事故體驗VR系統不僅講解內容全面細致，還可反復觀看，給受訓者提供了豐富的個人防護用品資訊，也為受訓者選取適當的個人防護用品提供了建議。若受訓者在進行高處作業時，沒有正確穿戴安全防護用品，則有可能會發生從高樓墜落的事故。高處墜落事故體驗VR系統場景如圖2所示。VR設備可以做到虛實結合，增加事故感知體驗，并通過系統中的過程記錄做出相關結果評價，將信息化技術與傳統安全教育相融合。

圖2 高處墜落事故體驗VR系統

3.2 物體打擊事故體驗VR系統

本研究構建的建筑施工場所物體打擊事故體驗VR系統主要包括，腳手架作業中的物體打擊、起重作業中的物體打擊、機械作業中的物體打擊、土方作業中的物體打擊和拆除作業中的物體打擊等內容。受訓者可以通過使用VR設備，體驗在不同施工環境下，由于失控物體的慣性力造成的人身傷害。VR系統再現了在腳手架施工作業中，架子工在搭設外腳手架時，扳手掉落，砸傷地面上的其他工作人員的情景[4]。物體打擊事故體驗VR系統場景如圖3所示。在情景體驗后，系統對受訓者進行了事故原因分析及預防對策的學習，使受訓者切身體會到事故后果的嚴重性，以到達在施工過程中增強隱患意識，安全作業的目的。

(a)真實環境

(b)VR虛擬場景圖3 物體打擊事故體驗VR系統

3.3 起重傷害事故體驗VR系統

起重傷害事故體驗VR系統模擬了重物墜落、起重機失穩傾覆、金屬結構破壞、擠壓等起重機傷害事故的形式。受訓者通過VR設備虛實結合，體驗起重傷害事故，進行事故原因分析，牢記起重機械“十不吊”安全規定，杜絕事故發生。起重傷害事故體驗VR系統場景如圖4所示。

圖4 起重傷害事故體驗VR系統

3.4 模板坍塌事故體驗VR系統

建筑施工模板坍塌事故體驗VR系統，主要包括模板坍塌事故體驗、原因分析、預防措施等三個方面的內容。由于模板支撐系統的施工環節技術性強，必須從設計、材料選用、施工工藝等方面進行學習，通過事故體驗，可以讓受訓者了解其正確的施工工藝、規范施工、保障構造措施合理及檢測措施得當，從根本上預防模板坍塌事故的發生[5]。

3.5 機械傷害事故體驗VR系統

施工現場機械傷害事故體驗VR系統主要涵蓋了事故風險分析、應急工作職責、應急處置方法以及佩戴個人防護用品、搶險救援器材、采取救援對策或措施、現場自救和互救等方面的注意事項。受訓者通過使用VR虛擬仿真設備，切身體會刀具的切割傷害、木料的反彈側倒沖擊傷人事故以及飛出物的打擊傷害。通過事故體驗，受訓者可掌握正確的機械操作方法，以提升安全意識。

4 安全教育VR系統應用評價效果分析

4.1 VR技術融入安全教育，提高培訓效果

本研究對某培訓機構培訓學員進行分組教學。第一組110人進行普通教學模式學習，第二組124人進行基于VR技術建筑施工教學模式。通過對不同教育模式下相同學習模塊的學習效果進行了統計分析,考核通過率數據統計如表2所示。通過表2可以看出，與傳統教學培訓模式相比，使用建筑施工安全教育VR系統后,受訓者在施工現場隱患排查、以及高處墜落、物體打擊、起重傷害、機械傷害、模板坍塌，等安全防范方面,合格率均有顯著提高。

表2 學習效果統計分析表 %

4.2 VR技術在有效資源下，拓展無限空間，資金利用率高

傳統的安全管理教育模式與VR建筑施工安全教育系統應用效益分析如表3所示。傳統的安全管理教育模式需要建設固定的安全體驗館與質量樣板區等硬件設施，存在占地面積大，周轉使用率低，資金投入大等缺點。但是將VR技術融入傳統教育模式后，可以充分發揮VR技術的優勢，通過VR眼鏡、數據手套等傳感設備，以及沉浸式的場景，在有限的實際空間中，擴展出無限的虛擬空間，最大限度地利用有限的空間和建設資金，減少固定式實物體驗項目的投入[6]。

表3 VR技術應用效益分析

5 結論

建筑施工行業是高風險行業之一，危險系數高，事故多發，因此建筑施工安全管理工作一直是業界關注的焦點。本文通過應用VR技術在有限安全空間內把大量難以再現的事故場景及安全隱患融入建筑施工安全教育內容，通過身臨其境的體感體驗，使受訓者了解突發事故應急機制。具體結論如下：

(1)構建了VR技術的建筑施工安全教育系統，覆蓋高處墜落、物體打擊、起重傷害、坍塌事故、機械傷害五類常見安全事故類型，充分發揮VR虛擬現實技術的優勢，在提高受訓者對施工環境熟悉度、設備操作的熟練度及應急救援的能力等方面，取得了良好的教學效果。有效解決了在傳統安全管理教育培訓中，受訓者很難通過理論性的課堂教育，深刻認識建筑施工安全生產的重要性和安全事故的嚴重性等問題。

(2)通過學習效果統計分析，驗證了基于VR技術的建筑施工安全教育系統，與傳統安全教育模式相比較，提高了受訓者的學習主動性，考核通過率明顯上升。

(3)通過應用效益分析，驗證了VR技術融入安全理論教育的可行性，基于VR技術的建筑施工安全教育系統不但保障了安全教育過程中人員的安全的同時降低了安全體驗館的建設成本。

鑒于VR技術在建筑施工安全教育上多方面的優勢，還可以為其他施工行業基于VR技術的安全培訓系統提供一定的借鑒作用。