AR技术在装配整体式结构施工教学中的应用研究

干学宏,王 伟,江晨晖

(浙江建设职业技术学院,浙江 杭州 311231)

1 概 述

进入21世纪后,国外建筑进入了以标准化、体系化、通用化构配件为中心,组织专业化、生产社会化和供应商品化的现代化产业模式[1-2]。2014年7月,住建部正式出台《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》,明确提出应大力推动建筑产业现代化。所谓“建筑产业化”[3],指用工业化生产的方式来建造住宅,以提高住宅生产的劳动生产率,提高住宅的整体质量、降低成本,降低物耗、能耗。在建筑工业化发展的背景下,装配式建筑的发展模式百花齐放[4]。作为三大典型装配式建筑形式之一,预制装配式混凝土结构承载力、使用寿命与传统现浇钢筋混凝土结构相当,且具有施工周期短、节能环保等优点,在中国具有更好的发展潜力[5]。《装配式混凝土建筑技术标准(GB/T 51231—2016)》已正式发布实施[6]。《建筑产业现代化发展纲要》中明确提出“到2020年,装配式建筑占新建建筑的比例20%以上,到2025年,装配式建筑占新建建筑比例50%以上”[2]。目前,掌握装配整体式结构施工技术的高素质技能型人才相当缺乏,成为制约装配式建筑产业化进程的最大瓶颈。

目前,建筑行业积极响应国家号召,努力对接行业需求,依靠“企业培训”和“学校教学”两个支点,全力推进建筑产业现代化人才培养工作。在装配整体式混凝土结构工程施工技术的教学实践中,很多资料努力做到理论联系实践,并精选大量的工程图片和视频,但是相关教学效果总是差强人意。问题在于这些资料无法真正做到理论知识与工程实践融合贯通。装配整体式混凝土结构相关施工过程繁琐,很多节点“看不见,摸不着”,而这些节点恰恰就是质量控制的关键。此外,很多行业专家理论水平很高,但表现手段的缺乏,很多构造节点和施工工艺,尽管花了大量篇幅进行解读,但学习者最终还是无法掌握。“在最短时间内,深入解剖装配整体式结构施工技术”成为建筑产业化技能人才培养的关键所在。

2 基于AR技术的装配整体式结构施工教学设计

2.1 “增强现实”技术

“增强现实”技术(Augmented Reality,简称 AR),是虚拟现实技术的一个分支,原本在现实世界一定时空范围内难以体验到的视觉、声音、触觉等实体信息,在科学技术模拟仿真作用下,叠加在现实世界中再被人类感官所感知,从而实现超越现实的感官体验的一种技术[7-8]。AR技术将虚拟信息叠加到真实场景中,构造出虚实三维空间,现实世界与虚拟世界共存,互相增强,营造出似真似幻的曼妙时空,充分调动学习者的参与意识、互动思维和学习热情。

2.2 专业教学与AR相结合

基于“增强现实”技术,对专业理论知识进行三维解剖和立体式打造,通过真实环境与虚拟环境的情境学习,学习者可轻松克服传统学习上的认知障碍,学习效果大大提升,在短时间内迅速理解和掌握相关知识节点。对于讲解者而言,在教学讲解中深入结合AR技术,相关专业理论知识和节点构造通过立体平台360°呈现,所谓“高深莫测的节点知识”层次分明,一目了然,达到“所见即所得”,既减少了讲解者的工作量,又极大提升了受众的学习效果。

3 装配整体式结构施工工艺的AR系统

3.1 技术方案

研究者深入研究了Cinma4D和Unity3D技术。CINEMA 4D即4D电影,其本身也为3D软件,由德国Maxon Computer开发,以极高运算速度和强大的渲染插件著称,很多模块功能较同类软件更先进。Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让学习者轻松创建诸如三维视频、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具,是一个全面整合的专业引擎。

图1 装配整体式框架结构施工工艺流程图

3.2 研究成果

本研究集中采用了Cinema4D技术和Unity3D技术,对装配整体式结构施工技术的关键施工工艺(图1)进行深入解剖和全面分析,精心设计和打造了装配整体式结构施工工艺的AR系统,研究开发了三维素材资源、独立学习程序和课外自学APP。其中,Cinema4D 主要是对装配整体式结构施工工艺的关键工序和施工节点进行三维图片和三维动画设计和制作,并形成三维图片和三维动画素材。Unity3D技术则主要负责全系统资源整合和集成,这些资源包括三维图片、三维动画、现场照片、现场视频、考核题库和其它资料。

3.2.1 三维素材资源

采用Cinma4D技术,本研究设计开发了一系列三维图片(图2)和三维动画(图3)等素材资源,全面构建了针对装配整体式框架结构施工工艺的资源库,为后续的AR系统搭建奠定资源基础。三维资源库清单见表1。

表1 已开发三维素材

备注：限于篇幅,表格只罗列部分建设的三维素材。

图2 装配式结构双排脚手架示意图

图3 叠合楼板三维模型

3.2.2 独立学习程序

本研究形成了AR独立学习小程序,该程序可以在windows环境下安装运行,不受电脑和地点限制,极大的方便了学习者。学习者在任意电脑上打开“AR独立学习小程序”,程序运行之后,出现指定施工节点界面,学习者可以自由进行“放大”“缩小”“拉远”“拉近” “旋转”“进入内部”等操作,查看任何想掌握的知识节点和工艺构造做法。见图4、图5。在工程实践中,由于现场条件和施工需要,很多关键节点被覆盖隐蔽,即使学习者在施工现场24 h旁站,也无法获取想要学习的节点内容和知识。独立学习程序就解决了上述难题,按照工程现场的施工工艺精确建模,为学习者提供了全方位立体式的学习平台。

图4 预制柱远景(拉远)

图5 预制柱近景(拉近)

3.2.3 课外自学APP

本研究形成了课外自学APP,APP在手机上进行安装。APP具备“基本信息”“三维模型”“三维动画”“现场图片”“工程视频”和“试题考核”等功能模块,将施工现场的一系列技术要求和数据信息立体多维度呈现在手机屏幕上。学习者只须扫描相应识别码,并用手触碰相应功能按钮(图6),即可学习到相应节点的多维度立体知识(图7),建造过程、施工图纸、现场图片等一系列知识。在手机普及的今天,学习者易接受这种教学方式。此外,老师可以实时掌握学生答题的情况,学生答题完毕以后,教师可以通过APP随时查询学生的答题信息。

图6 APP系统功能键

图7 对三维模型进行旋转操作

3.3 效果分析

研究者组织对建筑产业化有兴趣的学生进行自学,测试独立学习程序和课外自学APP。为了确保研究效果,所有学生对装配整体式框架结构施工工艺都没有事先接触。为了准确评估课外学习效果,研究者抽选建筑工程技术专业的50名学生,安排其在计算机机房对“双排脚手架、预制梁框架柱安装”进行了40 min的自习,自习后进行了学习效果自测和学习感受问卷调查。从自测及调查数据得： 答题的正确率为100%,学习体验良好率为96%,建议推广的比率为88%。此处,“建议推广率”为“明确建议在教学中进行大规模推广”的学习者数量与学习者总数的比值。

在规定时间和地点内,学习者顺利完成了相关学习内容,答题正确率100%,且学习者学习体验最佳率达到75%,良好率达到了96%,只有2名学习者体验一般。88%参与者明确建议,其他专业课应采用这项模式和技术,对传统内容进行立体式多维度打造和重建。教学运行的测试表明：本系统大大革新了传统教学资源和教学方法,学习者在装配整体式混凝土框架结构施工工艺的学习过程中,体验非常愉快,对知识掌握速度快,学习质量好。

4 结 语

结合Cinema4D技术和Unity3D技术,本研究针对装配整体式结构的施工工艺和关键节点开展了大量的研究工作,基于AR技术对传统教学难点进行三维立体式打造,形成了“三维素材资源”“独立学习程序”和“课外自学APP”。相关教学实践和测试表明,通过真实环境与虚拟环境相结合的情境学习,学生可轻松克服传统学习上的认知障碍,学习效果大大提升。对教师而言,节省下来的教学时间又可以辅导学生其他学业,使教学活动进入良性循环。

[1] 刘美霞.国外发展装配式建筑的实践与经验借鉴[J].住宅产业,2016,13(10):16-20．

[2] 向庭薇,黄秀秀,姜又丹.中国建筑行业生产方式的变革——装配式建筑在国内的发展趋势[J].四川建材,2017,43(3):48-50．

[3] 田庄.装配整体式混凝土结构工程施工[M].北京：中国建筑工业出版社,2015．

[4] 戴鹏,朱建雄,李余强.混凝土装配式高层建筑工业化改良路径——从标准化到批量定制化构件的探索[J].预制混凝土,2017,93:82-89．

[5] 王献忠,杨健,沙斌.预制装配式混凝土结构体系与关键技术的研究[J].建筑结构,2017,39(2)：273-275．

[6] 杨思莹.建筑工业化之大力发展装配式建筑的思考[J].山东工业技术,2017(4):64．

[7] 蔡金玲.增强现实技术在在线教育中的应用研究[J].电脑知识与技术,2017,13(6)：148-149．

[8] 李小平,张琳,赵丰年. 虚拟现实/增强现实下混合形态教学设计研究[J].电化教育研究,2017,(7):20-25．