基于VR技术的建筑施工安全教育系统构建及应用

彭玲茜 潘瑜 范自盛

(福建船政交通职业学院 福建福州 350007)

0 引言

随着我国经济快速增长和城市化进程的不断推进，建筑施工行业也得到了快速的发展。 但另一方面，建筑施工过程中的诸多环节仍存在多种安全隐患，易引发事故，不仅会造成企业的财产损失，还会危及施工人员的生命安全，建筑施工安全管理问题日益突出。现阶段大型复杂高层建筑的增多，导致施工难度也随之增大，对技术的专业性要求也不断提高。根据住房和城乡建设部办公厅统计，2018年全国共发生房屋市政工程生产安全事故734起、死亡840人[1]。造成安全生产事故的原因，主要是安全管理不到位导致的。因此，建筑施工安全教育成为业界关注的焦点。当前，建筑施工安全教育主要围绕安全技术交底及安全检查、验收与持续改进等方面进行，基本是通过文件学习、视频教育、笔试考核等传统的学习手段，来传递安全教育的意图、目标和内容。然而，受训者很难通过理论性的课堂教育，深刻认识安全施工生产的重要性和安全事故的严重性。基于被动式的理论知识学习安全教育模式，在一定程度上会造成施工人员对安全技术内容的理解困难，例如，不能全面地分析作业现场和施工人员的实际情况；或是对施工现场存在的隐患辨识不全面、不彻底，不能有效地进行建筑施工安全教育培训等，从而难以提升施工人员安全技术水平，无法达到提高施工人员安全意识和防范事故发生的目的。因此，如何将现代信息技术手段应用于建筑施工安全教育已成为安全培训业内的当务之急。

VR技术能够让受训者进入虚拟环境获取建筑信息数据，进行方案优化、事故体验，在有限的空间，减少固定式实物体验项目的投入，符合绿色施工的理念。同时，对建筑行业项目施工具有较强的指导作用，能够有效提高安全管理效率。所以，具备沉浸感、仿真性、互动性的VR技术被广泛应用在建筑施工行业安全教育中。

1 VR技术应用在建筑施工安全教育方面的优势

VR技术是集计算机、电子信息、仿真技术于一体，结合传感技术与人工智能，基于计算机模拟虚拟环境给人以环境沉浸感的人机交互技术。VR系统的构建主要通过Unity3D引擎软件及3DMAX建模软件协同开发完成。VR技术具有突破时空限制，再现施工现场环境、进行沉浸式教学，任务式学习以及保证高风险体验项目的安全性等优点，可为建筑施工安全教育提供技术支持。基于VR技术开发的建筑施工安全教育仿真系统，可以较全面地涵盖施工作业过程中遇到的安全问题，有利于建筑施工安全教育的展开[2]。

1.1 突破时空限制，再现施工现场环境

VR技术能够模拟施工现场环境，通过建筑施工安全教育仿真系统建设，可再现前期施工准备阶段、地基与基础施工阶段、节能工程施工阶段以及建筑装饰装修施工阶段全过程，使受训者不用到达施工现场，也可突破时空限制，真实地了解施工全过程。

1.2 沉浸式课堂，任务式学习

VR技术能够构建沉浸式课堂，让受训者在虚拟空间中完成任务式学习。受训者可以借助VR设备模拟进入虚拟的建筑施工现场，以第一人称的身份去体验施工中可能发生的险情，感受安全事故发生所造成的后果。在体验完成后，可通过第三人称回顾事故发生的情景，并有针对性地进行事故分析和总结。沉浸式课堂可帮助受训者在学习突发事件应急处置过程中，通过了解现场各项工序及施工环境中的安全隐患，从而提高安全防范意识。结合VR技术沉浸感、仿真性、互动性的特点，加以人机交互，受训者可通过建筑施工安全教育系统平台，进行施工过程技术交底、安全隐患排查等工作任务的学习。

1.3 安全性能高，投入成本少

传统的安全教育一般通过搭建安全体验馆以及质量样板展示区来进行培训。安全体验馆的实体项目，比如高处坠落项目，让受训者在5m高度，突然下坠至海绵铺设的地面，存在一定的体验风险。而质量样板展示区，需要大空间，展示实体施工工艺。但是通过引入VR技术，搭建建筑施工安全教育系统平台，则让受训者在安全的条件下真实体验建筑施工的常见事故。构建基于VR技术的建筑施工安全教育系统不仅可以降低事故体验的风险，还能在保证教育培训效果的基础上，减少固定的安全体验馆以及质量样本展示器材等资金的投入，达到整体安全性能提高和降低投入成本的目的。

2 VR技术安全培训系统框架设计和构建

在建筑施工过程中，安全是永恒的主题。事实证明，单纯对受训者进行理论式的安全培训效果一般，建筑施工安全教育VR系统对象为安全管理人员及施工人员，只有不断加强对他们进行建筑施工的常见事故真实体验的安全教育培训，提高施工者的安全意识，才能筑牢建筑施工安全防线。充分发挥VR技术的优势，开发建筑施工安全教育VR系统，可以有效解决传统安全教育模式无法完全满足建筑施工安全教育需求的问题[3]。因此，本节在分析了VR技术特点的技术上，设计和构建了基于VR技术的建筑施工安全教育系统，旨在借助VR设备模拟进入虚拟的建筑施工现场，提高受训者对建筑施工环境的熟悉度、设备操作的熟练度及应急救援的能力，构建框架设计如图1所示。建筑施工安全教育VR系统包含漫游体验模式、训练模式以及考核模式。漫游模式涵盖施工环境情境漫游及常见安全事故的体验，受训者可以进入VR施工现场，感受真实施工环境，体验施工过程中常见的安全事故，例如高处坠落、物体打击、起重事故等。训练模式包括应急处理方案预演、安全作业规程学习及典型事故案例分析，受训者可以通过学习和模拟操作，进入VR施工现场进行应急处理方法、急救知识、安全技术交底等知识点学习。在学习完成后，可以进入考核模式，进行隐患排查测评。

图1 建筑施工安全教育VR系统构建框架设计

3 VR技术在建筑施工安全教育系统中的构建和应用

以漫游模式下，常见安全事故体验为例，训练内容来源于工程实践案例。根据住房和城乡建设部办公厅的统计，2018年，全国房屋市政工程生产安全事故类型分布，具体如表1所示。通过表1可以看出，高处坠落、物体打击、起重伤害、坍塌事故、机械伤害是工程生产安全事故中的多发的事故类型。因此，我们以这五类常见安全事故类型作为主要研究对象，构建并开发了相应的VR建筑施工安全教育系统。

表1 全国房屋市政工程生产安全事故类型分布表[1]

3.1 高处坠落事故体验VR系统

通过使用VR设备，使受训者能进行全景沉浸式观察学习，在安全的环境下深入分析高处作业的危险环境。高处坠落事故体验VR系统不仅讲解内容全面细致，还可反复观看，给受训者提供了丰富的个人防护用品资讯，也为受训者选取适当的个人防护用品提供了建议。若受训者在进行高处作业时，没有正确穿戴安全防护用品，则有可能会发生从高楼坠落的事故。高处坠落事故体验VR系统场景如图2所示。VR设备可以做到虚实结合，增加事故感知体验，并通过系统中的过程记录做出相关结果评价，将信息化技术与传统安全教育相融合。

图2 高处坠落事故体验VR系统

3.2 物体打击事故体验VR系统

本研究构建的建筑施工场所物体打击事故体验VR系统主要包括，脚手架作业中的物体打击、起重作业中的物体打击、机械作业中的物体打击、土方作业中的物体打击和拆除作业中的物体打击等内容。受训者可以通过使用VR设备，体验在不同施工环境下，由于失控物体的惯性力造成的人身伤害。VR系统再现了在脚手架施工作业中，架子工在搭设外脚手架时，扳手掉落，砸伤地面上的其他工作人员的情景[4]。物体打击事故体验VR系统场景如图3所示。在情景体验后，系统对受训者进行了事故原因分析及预防对策的学习，使受训者切身体会到事故后果的严重性，以到达在施工过程中增强隐患意识，安全作业的目的。

(a)真实环境

(b)VR虚拟场景图3 物体打击事故体验VR系统

3.3 起重伤害事故体验VR系统

起重伤害事故体验VR系统模拟了重物坠落、起重机失稳倾覆、金属结构破坏、挤压等起重机伤害事故的形式。受训者通过VR设备虚实结合，体验起重伤害事故，进行事故原因分析，牢记起重机械“十不吊”安全规定，杜绝事故发生。起重伤害事故体验VR系统场景如图4所示。

图4 起重伤害事故体验VR系统

3.4 模板坍塌事故体验VR系统

建筑施工模板坍塌事故体验VR系统，主要包括模板坍塌事故体验、原因分析、预防措施等三个方面的内容。由于模板支撑系统的施工环节技术性强，必须从设计、材料选用、施工工艺等方面进行学习，通过事故体验，可以让受训者了解其正确的施工工艺、规范施工、保障构造措施合理及检测措施得当，从根本上预防模板坍塌事故的发生[5]。

3.5 机械伤害事故体验VR系统

施工现场机械伤害事故体验VR系统主要涵盖了事故风险分析、应急工作职责、应急处置方法以及佩戴个人防护用品、抢险救援器材、采取救援对策或措施、现场自救和互救等方面的注意事项。受训者通过使用VR虚拟仿真设备，切身体会刀具的切割伤害、木料的反弹侧倒冲击伤人事故以及飞出物的打击伤害。通过事故体验，受训者可掌握正确的机械操作方法，以提升安全意识。

4 安全教育VR系统应用评价效果分析

4.1 VR技术融入安全教育，提高培训效果

本研究对某培训机构培训学员进行分组教学。第一组110人进行普通教学模式学习，第二组124人进行基于VR技术建筑施工教学模式。通过对不同教育模式下相同学习模块的学习效果进行了统计分析,考核通过率数据统计如表2所示。通过表2可以看出，与传统教学培训模式相比，使用建筑施工安全教育VR系统后,受训者在施工现场隐患排查、以及高处坠落、物体打击、起重伤害、机械伤害、模板坍塌，等安全防范方面,合格率均有显著提高。

表2 学习效果统计分析表 %

4.2 VR技术在有效资源下，拓展无限空间，资金利用率高

传统的安全管理教育模式与VR建筑施工安全教育系统应用效益分析如表3所示。传统的安全管理教育模式需要建设固定的安全体验馆与质量样板区等硬件设施，存在占地面积大，周转使用率低，资金投入大等缺点。但是将VR技术融入传统教育模式后，可以充分发挥VR技术的优势，通过VR眼镜、数据手套等传感设备，以及沉浸式的场景，在有限的实际空间中，扩展出无限的虚拟空间，最大限度地利用有限的空间和建设资金，减少固定式实物体验项目的投入[6]。

表3 VR技术应用效益分析

5 结论

建筑施工行业是高风险行业之一，危险系数高，事故多发，因此建筑施工安全管理工作一直是业界关注的焦点。本文通过应用VR技术在有限安全空间内把大量难以再现的事故场景及安全隐患融入建筑施工安全教育内容，通过身临其境的体感体验，使受训者了解突发事故应急机制。具体结论如下：

(1)构建了VR技术的建筑施工安全教育系统，覆盖高处坠落、物体打击、起重伤害、坍塌事故、机械伤害五类常见安全事故类型，充分发挥VR虚拟现实技术的优势，在提高受训者对施工环境熟悉度、设备操作的熟练度及应急救援的能力等方面，取得了良好的教学效果。有效解决了在传统安全管理教育培训中，受训者很难通过理论性的课堂教育，深刻认识建筑施工安全生产的重要性和安全事故的严重性等问题。

(2)通过学习效果统计分析，验证了基于VR技术的建筑施工安全教育系统，与传统安全教育模式相比较，提高了受训者的学习主动性，考核通过率明显上升。

(3)通过应用效益分析，验证了VR技术融入安全理论教育的可行性，基于VR技术的建筑施工安全教育系统不但保障了安全教育过程中人员的安全的同时降低了安全体验馆的建设成本。

鉴于VR技术在建筑施工安全教育上多方面的优势，还可以为其他施工行业基于VR技术的安全培训系统提供一定的借鉴作用。