“BIM+VR”技術在公路工程中的應用
——以浮山縣丞相河特大橋為例

楊睿之

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

在世界上中國有蓬勃的交通基礎設施，高速公路、鐵路、港口里程均處于世界領先位置。不僅如此，隨著市場的發展，中國的交通產業與信息化之間的融合越來越明顯，也越來越快。同樣，BIM作為信息化的應用手段，正在改變傳統的基礎設施建設格局。BIM憑借更高的設計質量，更快的施工速度，更低的建造成本，更通透的運營維護，給交通領域增添了新的發展動力。

BIM使用可視化仿真性能來分析公路項目并查看項目中的關鍵施工組件和過程，以更好地了解各種施工項目的管理者和建造者的施工技術。使用BIM技術進行現場安全布署的模擬，以提高安全性和合理性，項目管理人員也能非常直觀地了解公路施工各過程的時間節點和工序交叉情況,進一步提高施工效率和施工方案的安全性[1]。

1 BIM和VR的概念

1.1 BIM的概念和產生背景

BIM是指基于先進的三維數字建筑模型，為設計師、建筑師、水暖電工程師、開發者乃至最終用戶等各環節人員提供“模擬和分析的科學協作平臺，幫助他們利用三維數字模型對項目進行設計、建造及運營管理”。

對于設計師和工程師而言，BIM不僅要求將設計工具實現從二維到三維的轉變，更要求在設計階段貫徹協同設計、綠色設計和可持續設計理念，達到節約能源、降低成本和提高效率的目的。BIM絕對不是一種工具，而是一種理念。

BIM模型可以持續即時地提供項目設計進度以及成本信息，這些信息準確完善并且百分百協調。BIM模型可以幫助設計人員、施工單位以及業主單位及時清楚地了解項目全部信息。項目在設計、施工和運營管理的過程中能夠加快進度、提高質量，也可以更好更快地完成。

BIM模型的應用不僅僅局限于設計階段，而是貫穿于整個公路工程項目的全生命周期的各個階段：前期的勘察規劃、設計、施工及運營維護[2]，BIM模型的信息將可在項目的各個參與方之間進行共享。

1.2 VR的概念和產生背景

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），是利用電腦模擬產生一個虛擬的三維世界，為用戶創造出關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同親身經歷一般，可以沒有限制地觀察三度空間內的事物[2]。

早在20世紀80年代，有關于虛擬現實的構想被美國VPL公司的創始人拉尼爾（Jaron Lanier）提出。在1968年的美國，第一個圖形可視化的“虛擬現實”設備被計算機圖形學之父Ivan Sutherland開發出來，但在當時還不叫“VR”，而是被稱為“頭戴顯示”或“頭盔顯示”（Head Mounted Display,HMD）。現階段的虛擬現實眼鏡或者虛擬現實頭盔在技術層面上仍可劃分為HMD的范疇。

現今，VR技術已經融入了圖像處理技術、計算機技術、網絡技術、傳感器技術、多媒體技術等新的信息技術，VR為體驗虛擬世界提供了強有力的手段，已經成為一項人們生活、學習、工作廣泛應用的技術。2013年谷歌眼鏡（Google Glass）現世，“虛擬現實”這個術語逐漸走進公眾的視野。盡管谷歌眼鏡的整體顯7K效果低于同一時期的所有電子產品，但其新穎的成像方式和展示方式得到了人們很大的關注。這背后揭示了人們對于已經沿用了多年的傳統平面顯示方式的審美疲勞和對新穎顯示方式的強烈期待。

最近幾年，VR技術發展迅速，逐漸以產品的形式占據市場，商業化的趨勢日益明顯。與世界發達國家相比，在對于VR技術研究時間及成果上我國是比較滯后的。在國外VR技術高速發展的刺激下，國家科研工程中的核心工程也加入了VR技術，簽過的科研機構也都積極地推進VR技術的研究工作，其研究成果極其顯著。比如，作為我國最早參與VR技術研究的高校——北京航空航天大學是比較具有權威性和專業性的，他們主要進行VR技術中的三維動態數據庫及分布式虛擬環境等方面的研究工作以及對VR技術中物體處理模式的探索。

2 BIM+VR在丞相河特大橋項目中的應用

2.1 項目概況

浮山縣丞相河特大橋是國道241北王鄉至縣城段改線工程項目中的重要控制性節點，橋梁全長1 316.08 m，主橋上部結構采用雙塔斜向雙索面混凝土矮塔斜拉橋，主跨160 m，下部結構采用薄壁Y型空心墩、柱式臺或柱板臺，樁基均采用灌注樁基礎。

2.2 項目主要的設計方法

2.2.1 采用標準化設計

全線僅有的丞相河特大橋引橋采用40 m預制T梁，結構標準化、統一化。設計、施工和運維的工作成本都能得到有效控制，工期較短，工程質量符合要求，主要的結構類型為上跨結構，能夠為未來的交通運輸提供便利，為將來有可能進行工程二期建設留下條件和空間，能夠將橋梁自身的結構優勢和實用性完美呈現。

2.2.2 注重橋梁景觀設計

丞相河特大橋主橋采用雙塔斜向雙索面Y型矮塔斜拉橋，Y型塔索面外傾斜增強了塔身和拉索在空間的層次感，大幅提升了矮塔斜拉橋的上部塔柱，使其更加醒目，同時也考慮到駕駛員在車上的視野，讓人們的視野廣闊舒暢。

2.2.3 加強橋梁排水設計

橋梁跨越水庫，為了避免對水體的污染，排水采用集中排水加收集池的設計。

2.2.4 重視橋墩耐久性設計

a）對淹沒范圍內的橋墩設置水下玻纖套筒，利用玻纖套筒的抗侵蝕特性來有效保護混凝土基材。

b）在承臺周圍設置石籠護坦，防止水庫泄洪的時候樁基被沖蝕，提高樁基結構安全性。橋墩位置處采取M7.5漿砌片石岸坡防護、水土保持措施，確保岸坡穩定。

2.3 項目和信息技術的對接

在本項目的BIM工作中，建模部分擬采用Dassault 3DEXPERIENCE系列軟件，其中Dassault公司的CATIA是全球高端的設計制造軟件，它的三維建模能力、呈現的水平和信息集合能力都在行業內數一數二。

可視化模型渲染，使用先進的開發引擎進行三維動畫漫游部分。開發引擎擁有諸多優點，性價比很高，功能強大，動畫制作成本大大降低，而且它對開發硬件的要求較低，常采用C#語言進行開發，使用廣泛易上手，而且制作流程簡潔高效，操作性簡便。同時具有可以自定義文件類型、所見即所得、跨平臺發布等諸多優點。

2.4 模型與VR的結合

利用VR技術，可以以三維立體的方式直觀地展現橋梁的上下部結構、各個構件三維模型和二維圖紙的結合情況，了解橋梁如鋼筋結構的復雜情況，了解橋梁各部分的內部結構、周邊空間位置，并在設計階段就可以“看”大橋建成之后的樣子。

利用BIM技術，可根據路線信息、橋梁的孔徑信息及中心樁號等信息，快速完成橋梁BIM模型，結合地形模型，生成橋梁模型與地形相結合的完整模型，利用Unity3D，將模型導入到場景中，在軟件中完成項目模型以及地形的貼圖和渲染，并利用二次開發，將信息量很大的模型進行輕量化處理，減少其不必要的信息，只保留VR需要的項目模型信息。

在Unity3D中完成和SteamVR的接口對接，使開發環境與展示環境相結合，最終將VR項目利用SteamVR與HTCvive進行成果展示。

同時，VR與BIM三維模型的結合，也增強了可視性和具象性。在虛擬現實的環境當中，為用戶提供交互性設計和可視化成果。

3 BIM+VR在公路工程項目中的意義

3.1 檢測錯誤和沖突

在建設項目的早期，一些設計上的矛盾和不一致無法在二維工程圖上看到，并且可能太過復雜而無法僅通過三維模型輕松檢測到。此外，項目初期就探測出錯誤和沖突，可避免在設計的后期或者施工現場才發現。這些未知的錯誤可能會導致最終預算的超出、變更過多造成項目延期。使用BIM技術和VR技術是預測施工項目中問題的最佳方法。

3.2 優化成本和精度

公路工程行業的競爭是十分激烈的，不僅僅是關于工作是否完成，更重要的是如何才能節省時間和控制成本，這就是為什么數字化轉型可以幫助該行業改善其成本和合理安排運營計劃。VR技術是一個可以幫助降低建造成本的工具，可以進入BIM模型并在每個建造步驟中確定成本的優化和進度推進的可能性。

3.3 改善溝通

改善與利益相關者之間的溝通是建設項目（尤其是大型項目或復雜項目）面臨的最嚴峻的挑戰之一，避免項目信息的孤島。借助BIM技術和VR技術，可以共享每個團隊所需要的所有數據，提供一個即使異地也能夠在仿真建筑物上協同工作的環境，可以使不同的團隊更好地協同運營。

3.4 提高交底質量

在虛擬的環境中BIM技術應用數據可以更快地實現、更可靠地決策以及利益相關者之間可以更好地溝通。每個人在項目上更好地進行協作，更好地考慮預算成本，這樣有助于提升整個項目的質量。同時團隊之間更好地溝通也可以減少錯誤，更不會造成誤解。

3.5 避免不必要的返工

VR技術增強了項目不同參與方之間的溝通，減少了大量的返工，避免了因缺少細節和計劃的不正確而造成的拖延。項目的各個參與方可快速地訪問最新的計劃、最新的問題和最新的變更，可跟蹤到項目的日常進度，可使所有的項目參與方更了解該項目的進程，更早更及時地發現問題，同時解決問題，也可提前發現可能會導致返工的不穩定因素，及時規避。

4 基于BIM+VR的公路工程的發展趨勢

4.1 在BIM+VR的設計應用過程中工程師扮演的角色

BIM技術是一種全新的設計思維和精益求精的設計和管理態度，BIM不是一個簡單數字模式，它更是一個數字化的信息平臺。工程師對于BIM+VR技術的應用，更是一個項目是否運用好BIM+VR技術的關鍵因素。

傳統的工作方式中，工程師依靠二維平面圖做溝通，容易產生錯誤、信息落差以及對平面圖解讀有差異，因此，圖面在溝通的過程中相對費勁。工程師利用BIM工具，會應用三度空間的觀念，以三維可視化信息模型操作，進行設計與施工的檢討與溝通，以達到解決相關問題、避免圖面錯誤的解讀。工程師可通過BIM技術，把時間、空間、成本等信息整合在同一個四維模型當中，有效掌握安排工期工序，有效配置施工區域達到空間最大合理化。在進度控制上能夠結合BIM全生命周期、參數化模型的特點做進度排程的工序、工時規劃。

4.2 新的技術打破了公路行業的局限性

a）通過BIM+VR技術進行項目的結構、設備以及鋼筋等部分在設計施工階段的碰撞檢測、分析和模擬，提前消除沖突，減少重復工作。

b）改善不同專業間的溝通質量，快速建模快速查看，達到實時調整設計內容。

c）設計與施工的順利協作保障施工正確及質量。

d）正確的施工圖由模型產出，傳遞正確設計信息給營建商。

e）直觀展示四維建筑信息模型，項目各參與方通過在虛擬現實中提前體驗工程項目，使設計能更好地服務于工程需求。

4.3 BIM+VR技術還需要解決的難點和重點

a）軟件的整合性不夠，模型格式各有差異，在轉入轉出的過程中，過程極其繁瑣，耗時耗力還會使得模型丟失大量的數據和信息，從而造成BIM數據信息不全。

b）目前VR技術還在一定程度上缺乏豐富的內容資源，在某些時候難以表現出虛擬現實的真正價值，VR模型的建立與內容、功能上的調整更需投入大量成本，新技術存在落地難的困境。

c）VR技術所能承載的模型還有一定的局限性，模型所包含的信息也不能太多，在保證VR運行流暢的前提下是必須要對模型進行輕量化處理，同時也需要對模型所包含的信息進行刪減，使得VR技術在大型工程項目中有些雞肋。

5 結論

BIM+VR是在一個多維空間中放入建筑三維信息模型，并使用戶身臨其境地感受此三維模型，得出用戶想要的信息。這等于是說在施工前我們已經看過了成型后的“實體”，這是能夠在不花費實際成本的條件下讓我們看到建筑的最終效果，如果不滿意，可以直接進行模型拆改、重組，達到想要的效果為止。此技術可以有效地避免施工現場實際因各專業沖突或方案效果不滿意而造成的打樣拆改環節，大大節約成本，縮短了施工周期。BIM+VR技術有望解決公路工程項目現存的痛點。