探究BIM、3D打印和VR技術在市政行業的應用

何文飛 萬成騫

市政工程為人們的生活提供了基本的保障，市政工程的施工效果與城市發展具有密切的關聯性。隨著信息技術的發展，BIM技術、3D打印技術以及VR技術等現代化技術手段開始在市政行業當中得到廣泛應用，并展現出了明顯的優勢，這不僅提高了市政工程施工的效率和質量，同時還降低了施工成本，減少了人力資源的投入。基于此，本文運用文獻分析法、歸納總結法，分別對這三種技術手段在市政行業當中的應用問題進行了分析與研究，希望為該領域的技術人員和管理人員提供參考與借鑒。

一、BIM技術在市政行業的應用

1.BIM技術在市政地形勘察中的應用

市政工程涉及到了城市的道路和橋梁等項目，無論是無人區道路的開辟還是中心區域的重新規劃，都需要做好地形勘察的工作。通過有效的勘察，可以對目標地形形成具體化與詳細化的描述，并基于此對項目進行可行性研究和可行性論證，為后續的設計與施工創造條件。在過去，勘探員在地形勘察環節需要進行人工采樣，要基于施工地的地形、地質以及水文狀況等進行測繪和勘探，使用GPS進行逐個取點。在遇到復雜地形與地勢的時候，勘探員的行動很容易受到限制，最終會對勘察數據的準確性造成影響。在BIM技術的支持下，這些問題可以得到解決。勘探員可以通過遙控無人機的形式來獲得鳥瞰影像和斜射影像，并通過激光照射反饋雷達來獲得定位信息，這樣可以使高程數據變得更為真實和準確。在操控無人機進行采樣的過程中，可以一次性獲取多個點位，并將勘察信息自動導入到BIM軟件當中去，構建起實景標的模型，這不僅提高了勘察的效率，同時確保了勘察員的安全。

2.BIM技術在市政商務中的應用

（1）輔助工程量計算

很多市政工程都分布在一些特殊的地區，這些區域的地形與地勢并不均勻，在對土方開挖、土方回填等進行計算的時候，容易出現人工手算誤差。而基于BIM技術，可以構建起一個準確的地形圖。在該地形圖當中，根據回填高度和回填范圍，就可以將土方量精準地計算出來。在傳統市政工程當中，工程量的計算主要是依托于人工套用“經驗公式”，這不僅會影響施工管理的水平，同時也容易出現計算誤差，對其中的各項損耗難以做到精準控制，不利于對成本的精準把控。通過BIM技術，可以構建起一個精細化的模型，在該模型當中對工程量的計算效果進行優化。對于市政橋梁結構，還可以構建異形參數化“族”來提高工程量計算的準確性，獲得施工的凈用量信息，并以此作為底線獲得真實的施工成本。

（2）輔助項目資金管理

在市政行業當中，工程施工周期通常比較長，所需要的資金量也比較大。在這個環節，可以使用BIM與5D平臺相結合的形式來輔助項目資金管理。在平臺當中導入資金計劃信息得到計劃資金與實際資金的對比曲線圖，這可以將不同時間點資金的結余情況和盈虧情況反映出來。在做好盈虧平衡分析的基礎上，可以找到實際資金多于計劃資金的月份，并根據實際情況找到偏差項，進而對偏差的原因進行分析。通過這種方式，管理人員可以更好地對項目的成本進行分析。與此同時，在BIM技術的支持下，還可以對實際工日與計劃工日進行對比、將機械臺班與實時臺班進行對比，找到工日和臺班浪費的原因，并采取有效的措施減少浪費，以此對施工成本進行有效控制。

3.BIM技術在市政施工中的應用

（1）對施工現場管理進行優化

在市政工程現場施工的過程當中，可以通過BIM建模的形式來使圖紙立體化與直觀化地呈現出來，為施工活動的開展提供指導。同時，通過場布建模的形式，可以使施工管理人員對施工現場的情況形成全面化了解，并在這個基礎上對場地進行布局。基于三維地形圖，可以對施工現場進行策劃、布局以及協調。通過這種方式，施工人員可以對更多的施工方案進行模擬。同時，還可以通過渲染漫游、動畫制作等形式將相關施工工藝展示出來，幫助勞務人員對構件的結構形成深刻的理解，這有利于增強施工交底工作的有效性。

（2）對施工安全管控進行優化

在市政工程施工的過程中，為了確保施工人員的安全性，就要做好安全管理的工作。在這個過程中，可以基于BIM技術構建起一個三維立體化的模型，并基于該模型來對模板和腳手架的搭建進行優化，通過這種方式來對項目存在的問題進行分析和預測，及時發現對施工過程當中常見的安全問題和質量問題。同時，管理人員還可以基于工程的地形模型來合理選擇土護降施工方案，并基于BIM模型來開展模擬實驗，對施工方案的可行性進行論證。對于常見的施工安全問題，可以通過精準定位和跟蹤分析來找到問題的原因并制定處理措施。最后，施工現場的很多勞務人員難以對圖紙進行準確認讀，因此可以在正式施工之前基于BIM技術來對他們進行施工交底，使他們了解施工的重點和難點，關注危險部位的施工，避免因為不知情而發生安全事故。

二、3D打印技術在市政行業的應用

1.3D打印技術在市政建筑前期的應用

在市政建筑施工前期，3D打印技術可以將概念圖和原理圖以1:1的比例還原出來，這為設計師的前期預判創造了條件。通過3D打印，可以將建筑模型當中很多細小的結構展現出來，為建筑設計和建筑施工提供模型。在建筑設計方面，3D打印技術可以實現快速成型，在其中融合了機械、光學、電子、軟件、材料等多門學科的內容。3D打印產品具有較大的自由度，無論是由點到線、由線到面還是由面到體都可以應用3D打印技術。同時，3D打印的精度也比較高，可以精確到0.1毫米，在面對復雜結構的時候也可以發揮作用。當前，在市政規劃圖當中已經開始使用3D打印技術，這為市政建筑的設計提供了一種新的模式，可以對設計方案進行調整。3D打印建筑模型的過程包含了拍照、建模以及打印這三個環節。與使用軟件進行畫圖模擬、按照圖紙進行仿照加工這種傳統設計方式相比，3D打印技術的應用可以使建筑設計變得更為準確和高效。在完成設計之后，還可以基于3D打印技術形成等比例模型，以一種直觀、真實的形式來了解建成之后的效果，并對項目對周邊生態環境帶來的影響進行評估。在提交最終設計方案的時候，可以將各個設計階段的成果進行連接，使其成為一個完整的設計，將建筑的空間構造展現出來，并關注在成本、安全以及規格等方面的需求。

2.3D打印技術在市政建筑中期的應用

在市政建筑中期建造的過程當中，可以利用3D打印模型來作為輔助，以此來對建筑實體的細微部分進行處理，將建筑風格充分地體現出來，比如內飾和外飾材料的選擇，建筑風格和內部格局等。對于那些結構復雜的部分，也可以基于3D打印技術來進行構造，這可以使建筑物的內容變得更為豐富和細致。在建筑構件方面，可以基于3D打印技術來打印相關構件并直接應用于建筑當中去。比如可以使用選擇性激光燒結3D打印技術，基于工件的尺寸來進行分段打印。同時，在工件上設置卡合的位置，在完成各個構件的打印之后將其拼接起來。通過這種形式，可以完成承重結構部件的設計，并根據市政建筑的需要將其設計成任意的結構，這些結構可以被用于水路、氣路以及電路等系統當中。

3.3D打印技術在市政建筑后期的應用

一方面，在后期可以使用3D打印技術來將市政項目建設的成果展示出來。3D打印模型除了可以在設計階段和施工階段發揮輔助性作用之外，還可以在后期作為建筑成果展示的手段。政府可以基于3D打印技術在將已經完成的項目制作成為等比例縮放的模型，并將這些模型陳列在展廳當中，以此來將城市景觀體現出來，同時也可以為市政建筑的設計師提供新的設計靈感和設計想法。另一方面，在市政建筑后期的美化與維護方面，3D打印技術也可以發揮作用。尤其是對于那些復雜的結構，可以通過3D打印的形式來表達出來，并在一些個性化和特殊化的場合中發揮作用。

三、VR技術在市政行業的應用

1.VR技術在市政建筑交互設計中的應用

（1）在方案策劃與準備階段的應用

在市政建筑設計方案策劃與準備階段，VR技術的應用可以提高設計交互的效果，同時可以減少重復性的工作，增強數據的兼容性。一方面，要對建筑施工場地進行調研，并完成場景構建。這需要VR工程師深入到施工現場，對地形數據進行記錄，觀察周邊環境，并將風、光線、視野等自然因素納入并反映到場景構建當中去，在設計當中融入實景，在基于拓撲學集合圖形的基礎上將建筑用地、綠化、交通等設計因素進行聯絡和聯合，在這個基礎上對設計進行優化。另一方面，要對建筑設計交互場景進行管理，并基于不同的視角來對虛擬場景進行檢查。對于關鍵節點，需要保存視點，這樣可以提高交互的效率。

（2）在市政建筑虛擬交互設計階段的應用

虛擬交互設計的過程通常需要大量建模和多次修改。在該環節，設計師需要利用虛擬漫游沉浸式的交互體驗來對設計方案進行修改與完善，VR工程師還會定期對設計模型進行修正。在交互設計的過程中，還需要充分考慮各方的意見和建議，基于VR技術可以將設計效果更為直觀地展示出來，使各方基于自身的立場來對設計方案進行點評。在這之后，設計師在充分考慮各方需求的情況下對設計方案進行完善，在其中體現討論與反饋的結果。在整個交互設計的環節，VR設計師都可以將虛擬場景作為起點，從空間尺度和節點構造再到綠化表現，對設計理念不斷進行深化，通過對細節進行完善的形式來提高整體的設計效果。

2.VR技術在消防給排水工程中的應用

在過去，在對消防給排水工程進行設計的時候，需要按照國家的規范要求，基于現有的施工技術，使用CAD等軟件來完成繪制。繪制成的設計圖紙具有較強的專業性特點，同時大多是二維的，對于消防員等非專業人士來說識讀難度是比較大的。在VR技術的支持下，可以在消防給排水工程設計的過程中構建起一個三維立體化的仿真模型，基于工程性質和整體規劃來形成多個工程設計方案，并基于對這些方案的模擬來對消防系統的優勢和不足進行評估，基于消防參數、建設成本等多個角度進行分析，最終選擇最適合的方案來為消防施工提供指導。與此同時，在VR技術的支持下，還可以對不同方案下消火栓系統的使用效果進行分析，并將方案放在具體的場景當中開展模擬試驗，最后基于試驗的結果來對設計方案進行調整，最終為消防救援工作的開展提供支持。

四、結語

綜上所述，在市政行業，BIM技術可以構建起建筑信息模型，3D打印技術可以將數字模型文件為基礎來實現構件的打印，VR技術則可以通過全息展示的形式來降低設計和施工的難度。目前，這三種技術已經在多個市政領域中得到了應用，這減少了人力與物力的投入，簡化了施工程序，同時提高了市政工程的質量。在未來，這三種技術手段還將進一步的融合，在市政行業的更多領域發揮作用，推動城市化建設和發展。