基于VR技术的工程施工应用策略

聂 珲 韩 冬 济源职业技术学院

1 虚拟现实综述

虚拟现实也被称为VR技术，是一种融合了计算机技术、传感器技术、人工智能技术等多种技术为一体的新型综合信息技术。VR技术改变了以往媒介的传播信息方式，给用户带来了感官上的真实性体验。VR技术可以通过模拟视觉、听觉、嗅觉、触觉等感觉，协助人们理解新事物，掌握客观事物规律，是科学技术转化为第一生产力的实证。

1.1 虚拟现实系统构成

虚拟现实系统由硬件系统和软件系统组成。软件系统是虚拟现实技术的内容集成平台，利用计算图形技术展现三维模拟画面。硬件系统是与外界进行信息交互和承载内容体验的终端系统，包括各种传感器输入设备、手持式移动控制柄、头盔眼镜等设备。虚拟现实系统是一个综合复合体，离开了硬件设备和软件系统是不能形成虚拟世界与现实世界之间的交互体验。

1.2 虚拟现实系统特性

虚拟现实系统主要有真实性、交互性、沉浸性等特征。随着计算机仿真技术和建模渲染技术的发展，虚拟画面逐渐走向真实性。虚拟现实系统不同于以往直面电脑模型，以上帝视角去看待问题，虚拟现实是利用其真实性将人融入到虚拟内容画面中，让感受者成为其中一份子，沉浸性的感受虚拟世界。同时，为了增强其真实性和沉浸性，虚拟现实系统通过各种输入输出设备将温度、压力、光度、湿度等环境物理量转换为模拟量体现在虚拟系统中[1]。由于虚拟现实技术存在的特性，赋予了建筑工程施工管理新的活力，为建筑工程的施工注入了新的科技成分，保障建筑工程的施工安全，为建筑企业的发展注入了新鲜的活力，使其得到了新的发展。

1.3 虚拟现实技术的新发展

2016年是虚拟现实技术商业运用元年，之后几年由于综合体验未达到良好的体验效果，虚拟现实应用一直处于不温不火的状态。5G的高速网络解决了观看VR视频的流畅度问题。同时，5G网络的传输机制极大地改善了VR体验过程中的延时感、眩晕感，改善了VR的沉浸性体验。随着5G开始大规模商用以及人工智能、云端技术的融合发展，VR体验性得到增强，在接下来的几年里5G高速移动网络将会带动虚拟现实实现新的发展。

2 VR技术在工程施工方面的应用

VR技术在工程施工方面的应用不是单一局部的，VR技术可贯穿整个工程施工应用过程，包括工程施工前招标环境模拟、工程施工过程中的现场管理、工程施工方案的虚拟体验等

2.1 VR技术在工程施工前的应用

2.1.1 应用于工程施工前的工程培训

运用VR技术可以降低企业对工程人员的培训费用，同时VR技术真实直观的画面效果更容易让参与培训的人员快速理解相关工程原理。一些重要设备是不允许出现操作失误的，虚拟现实可以开发出相关设备的虚拟演练系统，规范操作员的操作方式。在工程施工方面，有些复杂工序需要经验丰富的人员进行操作，为了培养职员对其熟练度，开发虚拟现实系统对其人才队伍建设和保持岗位运转稳定性具有及其重要的意义[2]。在现实生活中，企业不可能大范围模拟火灾、爆炸、地震等危险情况，而VR技术在培训过程中更容易模拟危险工况和自然灾害的发生，这有助于培养员工的安全意识和临机应变处理能力。

2.1.2 应用于工程施工前的招标环境模拟

VR技术可用于工程招标环境的模拟，虚拟演练网上招投标。通过虚拟现实技术，演练网上工程招投标，可以避免人为因素干扰，利用数字化的准确性规范招标方式。同时由于突发意外不能参与现场招投标，也可以利用虚拟现实平台进行远程互动参与招投标。例如，2020年的新冠疫情影响，人群聚集参与活动存在感染病毒风险。远程视频会议解决了不能现场参与招投标的难题，如果在视频会议中融入虚拟现实技术，招投标工作将更加便捷迅速。VR技术的优势在于信息数据的直观可视化，建筑设计信息可以让施工方直观感受理解，这样能够让施工方高效快速理解其设计理念[3]。

2.2 VR技术在工程施工中的应用

2.2.1 搭建用户与设计者交流平台

设计者根据用户的需求进行工程设计，传统的文件式或者其他多媒体表达虽然双方在核心设计理念上达成一致，但是随着设计趋于完善，用户会逐渐增加需求或者改动局部内容。为了让用户最大化理解设计内容，充分思考自我需求，通过搭建虚拟现实平台性，可以省去中间大量不必要的时间，让设计者明确消费者的真实需求。同时，虚拟现实平台的搭建也方便了设计者的自我修正。对于一些从未涉及过的难度较大的设计，设计者往往根据之前的相关工作经验，经验的不确定性一定程度上决定着方案可行性走向。虚拟现实平台的搭建，可以模拟相关建造技术，进行虚拟仿真和结构力学分析，从而实现对施工建设的难度及可行性分析，做出结构上的改进及优化，对建筑设计过程中潜在的问题可以及时的发现和预防，防止在实际的施工过程中，因为工程的规划不科学导致建筑工程存在问题的事故发生。

2.2.2 验证施工方案，施工管理可行性

利用虚拟现实技术虚拟建设一个施工环境，在建设的施工环境中应围绕着建筑设计场景搭建，建立相关设备三维CAD模型和有限元模型，虚拟装配各种零部件。搭建好了施工场景，可以利用VR技术的真实性，模拟不同的施工方案[4]。通过横向对比不同的施工方案，进行优劣选择和方案的改进工作。在对施工方案进行评估时，可以开发相应的虚拟系统成本评估，让核算成本结果快速生成，对施工方案进行最优解选择。同时，在模拟不同的施工方案中，融入施工管理测评，对施工方案多个纬度进行比较确定具体方案。在确定施工方案后，施工管理可以通过虚拟现实技术进行检验，方便管理者及时发现问题并改进相关措施。

3 VR技术在工程施工应用策略上的注意事项

VR技术目的不在于颠覆工程施工的流程与方式，它只是为了更好的优化工程施工整个流程。将虚拟现实融入工程施工中，首先应该注意建筑信息模型构建。建筑信息不是点与点，面与面之间的位置关系，而是整个模型详细的细节融合。通过整个建筑模型数据，施工方可以获得平面图施工过程中所需要的投影图、建筑部件的材料属性、结构设计的布局图等[5]。建筑设计信息的详细构建，保证了整个施工过程可以合理根据数据信息自动化、智能化进行操作调度。VR体验工程施工所需要的硬件设备并不复杂，包括具有输入输出特性的键盘、鼠标、数字手套、操作柄等设备，但是为了沉浸性体验，需要具有高性能的显示器头盔设备。

为了提高参与人员的体验感，最主要的是软件系统能够营造具体完善的客观世界以及丰富真实的三维立体图像，为建筑工程的施工效果以及工程管理效率起到了重要的保障，因此在建筑工程领域里，加强对VR技术的运用是促进现代化工程管理的重要之举。

4 VR技术与BIM技术的融合发展

BIM技术是随着计算机技术的发展而逐渐形成的，建筑模型技术的发展改变了以往建筑施工的设计技术。三维可视化技术降低了过去对二维平面图的依赖，使用BIM技术极大地方便了工程设计和管理的数据交流。BIM技术最早由美国公司Autodesk公司提出，从建筑的设计到建筑施工管理及项目完结的整个过程，所有关键信息都融于三维立体数字模型中。BIM技术具有整个项目全生命周期管理的特性，与以往传统施工相比，效率更高，施工管理流程更明确，各个部门之间的协调性更好。VR技术与BIM技术不是独立的个体，因为有BIM技术的数字设计基础支撑，VR技术所需要的虚拟仿真环境才具有可搭建性，可实现性。在可预见的未来，VR技术将以BIM技术为依托，逐渐向更深层次融合发展。目前BIM技术与VR技术的结合主要有两种形式，分别为间接效果结合与直接数据结合。

4.1 BIM技术与VR技术间接效果结合

通过基于BIM技术的建筑设计软件进行三维数据格式提取转换，导入到相关VR平台开发软件进行模型渲染、动画交互、编程控制等方面处理。BIM模型转换格式一般以中间格式OBJ、FBX、IFC为主，从整体转换效果来看，FBX应该是适配性、兼容性、数据保留性最好的数据转换格式。VR开发平台主要以游戏引擎Unity3D和U4E为主。Unity3D开发VR软件系统较为便捷但是在整体渲染技术上不如U4E，开发者应该在交互性和真实性体验上合理选择开发软件。

4.2 BIM技术与VR技术直接数据结合

基于BIM技术的设计软件可以直接与VR设备进行适配交互，在VR设备里直接可以体验到建筑模型的空间效果。使用操作手柄可代替鼠标键盘的使用，沉浸性的操作模型进行视觉观察。直接数据结合形式较为简单，使用VR设备观察具有便捷性 但是在开发关于VR综合应用软件上就显得不足。所以BIM技术与VR技术选择结合的方式应该具体问题具体分析，本身并无优劣之分。

5 结束语

虚拟现实技术在工程施工方面具有自身独特优势，对于一些重要项目工程采用虚拟现实技术可以规避系统性风险和重大设计缺陷造成的安全事故。但是盲目追求新技术不结合实际情况，会适得其反增加额外成本。在开发虚拟现实系统时，企业应该注重系统的可持续性、通用性、兼容性，顺应时代潮流发展的同时也得因时制宜、实事求是的发展。另一方面VR技术的发展是促进工程施工发展的必要选择，通过VR技术可以及时规避工程施工所潜在的风险，为企业的安全施工提供技术保障。