BIM+VR技術(shù)在裝配式建筑構(gòu)造虛擬仿真實驗教學中的應用研究

李萌萌 李帆 姜鳳珍

摘?要：在國家大力倡導發(fā)展裝配式建筑的背景下，結(jié)合裝配式建筑構(gòu)造復雜性、長期性、一次性、特點以及為適應裝配式建筑管理人才方面的需要，提出將成熟的BIM+VR技術(shù)應用到裝配式建筑構(gòu)造虛擬仿真實驗教學中。從工程管理專業(yè)課程體系出發(fā)，構(gòu)建基于BIM與VR技術(shù)的裝配式建筑構(gòu)造過程虛擬沉浸式體驗平臺，通過案例形象生動的向?qū)W生呈現(xiàn)裝配式建筑從設(shè)計、場地布局、現(xiàn)場施工等過程，豐富課程體系內(nèi)容，促進裝配式建筑構(gòu)造進一步向信息化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：BIM;VR;裝配式建筑;虛擬仿真;實驗教學

中圖分類號：G642.0??文獻標識碼：A

BIM（Building?Information?Model）技術(shù)從建筑全生命周期出發(fā)，已成為建筑業(yè)備受關(guān)注的熱點，推動了建筑業(yè)技術(shù)手段的變革。VR技術(shù)以其交互性、沉浸性、構(gòu)想性等特點逐漸被應用到建筑行業(yè)方方面面。BIM技術(shù)的信息集成性為VR技術(shù)的實施提供了前景，二者技術(shù)的融合，能夠深度優(yōu)化虛擬建筑仿真效果，促進建筑行業(yè)信息化方向的發(fā)展。與此同時，我國建筑工業(yè)化、住宅產(chǎn)業(yè)化和綠色技術(shù)也在不斷推進，不管是在工程材料上還是技術(shù)上都取得了很大的進步，這種形式下，裝配式建筑應勢而生。國內(nèi)不少城市響應國家政策，出臺促進裝配式建筑發(fā)展的政策文件，并提供一定服務。由此可見，裝配式建筑的應用，是未來建筑行業(yè)發(fā)展的一大趨勢。

2016年國務院出臺《國務院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》，要大力培養(yǎng)具有裝配式建筑專業(yè)知識的人才，鼓勵高等院校在課程體系中合理設(shè)置相關(guān)課程，與對口企業(yè)開展校企合作，促進專業(yè)人才的培養(yǎng)。目前，很多高校都沒有開設(shè)裝配式建筑課程，雖然不少高校正逐漸將BIM技術(shù)納入課程體系，但將BIM技術(shù)與VR技術(shù)應用到裝配式建筑構(gòu)造實驗教學中的高校很少，造成裝配式建筑專業(yè)人才的缺乏。

基于上述現(xiàn)狀，已有部分學者對BIM技術(shù)、VR技術(shù)在建筑類專業(yè)教學中的應用進行了探索。余宏亮等提出了BIM虛擬仿真實訓平臺的整體架構(gòu)，并將其應用于工程管理專業(yè)[1]。王凱等構(gòu)建了一種新型的BIM+VR裝配式建筑教學平臺，進而指出裝配式建筑教學平臺的構(gòu)建對于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意義與前景[2]。陸海燕等結(jié)合傳統(tǒng)土木工程施工類課程，構(gòu)建了基于BIM+VR的仿真教學系統(tǒng)，促進了教學方法的改革[3]。楊陽等結(jié)合實際工程案例，對基于BIM和VR技術(shù)的土木工程施工課程進行了研究與探索，創(chuàng)新了教學模式[4]。這些研究為基于BIM技術(shù)和VR技術(shù)在建筑類專業(yè)中的教育開辟了新天地。

目前不少高校的工程管理專業(yè)課程體系中雖然含有裝配式建筑構(gòu)造知識，但相關(guān)知識的學習僅限于傳統(tǒng)理論教學，學生在掌握知識上較為被動，因此，引入BIM+VR技術(shù)裝配式建筑構(gòu)造教學平臺具有顯著的意義。

1?BIM與VR技術(shù)在裝配式建筑構(gòu)造虛擬仿真實驗教學中的整體構(gòu)思

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實驗教學以其可視化、效率高、安全性、成本低、資源共享等特點在各高校中得到廣泛應用，不僅在一定程度上解決高校實驗實訓的困難，還可豐富實驗內(nèi)容，提升實驗教學效果。工程管理專業(yè)是工程技術(shù)與管理相互交叉綜合性學科，主要培養(yǎng)從事工程方面的復合型人才[5]。通過對本校工程管理專業(yè)課程體系及對應的實踐教學進行研究，發(fā)現(xiàn)裝配式建筑的知識是穿插在傳統(tǒng)現(xiàn)澆式建筑相關(guān)課程中，由專業(yè)教師通過理論知識、圖畫、視頻等形式向?qū)W生進行講解，加之學生校外實踐機會少，學生對裝配式建筑知識的學習沒能及時轉(zhuǎn)化為實踐能力。

本研究在遵循虛擬仿真實驗教學原則的基礎(chǔ)上，以工程管理專業(yè)為依托，將BIM與VR技術(shù)相結(jié)合引入裝配式建筑模型設(shè)計、場地布局、現(xiàn)場施工模擬的虛擬仿真實驗教學中。給學生呈現(xiàn)出可視化的圖形和交互式的場景虛擬，讓學生切身感受到裝配式建筑構(gòu)造的施工過程，增強實驗體驗，加深對裝配式建筑構(gòu)造相關(guān)知識的理解與掌握。

基于BIM+VR技術(shù)的裝配式建筑構(gòu)造虛擬仿真實驗教學平臺的開發(fā)，主要分為兩個階段：第一階段是以本校工程管理專業(yè)為參考，梳理工程管理專業(yè)教學大綱與課程體系，搜集裝配式建筑項目相關(guān)案例;第二階段是實驗教學平臺建立的主要階段，首先依托工程管理專業(yè)的工程制圖、房屋建筑學等課程，對裝配式建筑的構(gòu)造模型進行設(shè)計，選取比較成熟的建模軟件Revit進行三維建模，三維模型建好后一鍵導入Fuzor軟件進行VR渲染體驗，兩個軟件可實現(xiàn)同步修改變化，方便學生對裝配式建筑的每個構(gòu)件有直觀的認識與體驗，在虛擬逼真的環(huán)境中可做進一步的深化設(shè)計。在三維模型建立基礎(chǔ)上，根據(jù)工程項目管理、施工組織等課程的理論知識，進行場地布置，選取廣聯(lián)達BIM施工現(xiàn)場布置軟件進行虛擬模擬布置，通過軟件自帶的圖元或?qū)隒AD圖紙、GCL文件等可快速建立直觀、形象的場地模型[6]。最后將三維模型與場布模型導入廣聯(lián)達BIM5D軟件，結(jié)合土木施工技術(shù)等課程，添加進度信息后與模型相關(guān)聯(lián)，可完成裝配式建筑施工模擬，配合VR設(shè)備可進行虛擬漫游VR體驗。

2?BIM與VR技術(shù)在裝配式建筑構(gòu)造虛擬仿真實驗教學平臺的應用

本實驗教學平臺按照學生認知到實踐再到創(chuàng)新設(shè)計的原則出發(fā)，將理論知識與實踐教學相結(jié)合，通過BIM與VR技術(shù)，讓學生清晰地了解裝配式建筑構(gòu)造形式和施工工序。以某裝配式建筑為例，實驗教學平臺主要從以下幾方面設(shè)置。

2.1?裝配式建筑模型的建立

裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆式建筑相比，裝配式建筑的大部分構(gòu)件需要預制加工，且構(gòu)件是在構(gòu)件加工廠生產(chǎn)完成，然后運到施工現(xiàn)場，吊裝就位拼接完成，因此在建模前，應熟悉相關(guān)施工圖示、構(gòu)件平面圖及構(gòu)件連接要點等。結(jié)合預制構(gòu)件模塊化和標準化的特點，利用Revit軟件建立重復利用的預制裝配式墻、柱、樓梯、窗等構(gòu)件，形成構(gòu)件標準模型族庫（見圖1），為方案設(shè)計和調(diào)整、變更提供依據(jù)。為保證Revit建立的模型能夠?qū)霃V聯(lián)達BIM5D軟件，建模時遵循《Revit導入廣聯(lián)達GCL建模交互規(guī)范》的構(gòu)建命名規(guī)則進行命名[7]。

構(gòu)件族創(chuàng)建好后，利用Revit軟件進行構(gòu)件拼裝，形成具有參數(shù)化信息的三維模型。為了讓學生更加真實地體驗所建立的模型，將Revit軟件所建立的三維模型，一鍵同步到VR技術(shù)下的Fuzor軟件中（見圖2），兩個軟件可實現(xiàn)同步變化與修改，一個軟件對構(gòu)建進行了修改都會同步到另一個軟件中。在Fuzor軟件中通過操作可進入模型內(nèi)部進行VR虛擬漫游，結(jié)合軟件中的沖突分析，及時發(fā)現(xiàn)模型存在的問題，導出報表做進一步的深化設(shè)計。

2.2?施工場地的布置

施工現(xiàn)場布置圖設(shè)計是單位工程開工前準備工作的重要內(nèi)容之一。在裝配式建筑施工現(xiàn)場平面布置時，考慮到裝配式建筑多由預制構(gòu)件現(xiàn)場澆筑或機械固定組裝而成，因此在對施工場地規(guī)劃時，應著重考慮預制構(gòu)件堆放區(qū)、機械布置、臨建設(shè)施等的位置。廣聯(lián)達BIM施工現(xiàn)場布置軟件，內(nèi)置豐富的施工場地構(gòu)件庫，可快速建模并對場地布置進行合理性分析，圖3為建立的施工現(xiàn)場布置圖。軟件中的虛擬施工功能，可讓學生形象、直觀地了解到場地布置的流程，對裝配式建筑的施工流程有個前期的了解。此外成果文件可直接輸出形成BIMVR，通過AR臺、3D大屏再現(xiàn)VR場景，實現(xiàn)情景化教學。

2.3?裝配式建筑施工模擬

施工模擬是在三維模型的基礎(chǔ)上添加時間軸，隨時間的變化模擬建筑物從開工到竣工的施工過程。建筑模型和場布模型建好后，導入BIM5D軟件，附著上施工進度計劃，施工進度計劃可由Microsoft?Project軟件制作或斑馬夢龍網(wǎng)絡計劃軟件制作，便可讓學生不出教室，就可直觀體驗到裝配式建筑施工過程（如圖4所示），同時也可培養(yǎng)學生的施工組織設(shè)計和管理能力。在BIM5D軟件中進行的施工模擬可導出視頻，配合VR硬件設(shè)備，可實現(xiàn)虛擬教學，提升教學效果。對于預制構(gòu)件的吊裝、拼接等程序，可由教師提前做好案例，導出視頻，在仿真的現(xiàn)場條件下，讓學生真實感受施工現(xiàn)場環(huán)境，理解作業(yè)過程，觀察學習施工工藝。

3?實驗平臺在工程管理專業(yè)中的應用點

3.1?豐富專業(yè)課程體系

實驗平臺在原課程體系的基礎(chǔ)上，添加了裝配式建筑施工過程相關(guān)內(nèi)容，同時將工程制圖、房屋建筑學、土木施工技術(shù)、工程項目管理等課程統(tǒng)籌規(guī)劃，豐富了課程體系內(nèi)容。實驗平臺的各環(huán)節(jié)還可將部分專業(yè)理論知識進行凝練和優(yōu)化，加強課程之間的內(nèi)在聯(lián)系，以綜合實訓為主體，便于學生系統(tǒng)高效掌握理論知識，提高實踐能力。

3.2?提高學生識圖建模能力

在裝配式建筑模型設(shè)計時，利用Revit軟件進行參數(shù)化三維建模，在三維模式下，學生可以清晰了解到每個構(gòu)件的形狀及組成，加深對圖形構(gòu)造的理解。借助Fuzor軟件的VR漫游技術(shù)將模型直觀展示出來，讓學生全情投入模型中進行設(shè)計和觀察，在逼真的實踐情景中夯實理論知識，提高建模能力與創(chuàng)新能力。

3.3?實現(xiàn)裝配式建筑施工流程的可視化教學

高校裝配式建筑相關(guān)知識的學習中，想要深入了解裝配式建筑施工流程，在理論知識扎實的基礎(chǔ)上，必須實際參與到項目中才能達到目標。而借助實驗平臺，在完成BIMVR建模與場地布置的基礎(chǔ)上，鏈接上進度計劃信息，便可實現(xiàn)施工流程的模擬，配合使用VR設(shè)備可在虛幻的情景下全方位了解到裝配式建筑的施工流程。在有限的課時內(nèi)以低成本、安全、高效的形式解決實踐難、不確定性因素多等難題。實驗平臺創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，改善了傳統(tǒng)教學情景，以可視化的教學方式使學生的思維、創(chuàng)新度充分舒展，獲得更好的學習實踐體驗。

結(jié)語

工程管理專業(yè)是一門綜合性的專業(yè)，其培養(yǎng)目標是為社會培養(yǎng)出既懂管理又會技術(shù)的專業(yè)性人才。裝配式建筑是建筑行業(yè)新的方向。通過BIM與VR技術(shù)將裝配式建筑構(gòu)造過程以虛擬實驗的形式應用到工程管理專業(yè)的教學中，不僅可將理論知識串聯(lián)起來提高教學效果，也是建筑行業(yè)對新時代專業(yè)人才提出的新要求。通過實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，將BIM與VR技術(shù)應用到工程管理專業(yè)的裝配式建筑構(gòu)造虛擬仿真實驗教學中是可行的，BIM技術(shù)和VR技術(shù)的綜合應用，可讓學生直觀形象、沉浸式地了解到裝配式建筑構(gòu)造的全過程，加深對理論知識的理解，提高實踐能力。

參考文獻：

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基金項目：2020年度國家自然科學基金委資助項目“多虛擬社區(qū)環(huán)境下員工工作激情演化的突變及控制機制”（72001121）;青島理工大學2020年學校實驗技術(shù)研究項目“BIM?VR技術(shù)在裝配式建筑構(gòu)造虛擬仿真實驗教學中的應用研究”（[2020]20號）

作者簡介：李萌萌（1988—?），女，山東青島人，碩士，實驗師，主要從事建筑工程管理研究。