“BIM+VR”技术在公路工程中的应用——以浮山县丞相河特大桥为例

杨睿之

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

在世界上中国有蓬勃的交通基础设施，高速公路、铁路、港口里程均处于世界领先位置。不仅如此，随着市场的发展，中国的交通产业与信息化之间的融合越来越明显，也越来越快。同样，BIM作为信息化的应用手段，正在改变传统的基础设施建设格局。BIM凭借更高的设计质量，更快的施工速度，更低的建造成本，更通透的运营维护，给交通领域增添了新的发展动力。

BIM使用可视化仿真性能来分析公路项目并查看项目中的关键施工组件和过程，以更好地了解各种施工项目的管理者和建造者的施工技术。使用BIM技术进行现场安全布署的模拟，以提高安全性和合理性，项目管理人员也能非常直观地了解公路施工各过程的时间节点和工序交叉情况,进一步提高施工效率和施工方案的安全性[1]。

1 BIM和VR的概念

1.1 BIM的概念和产生背景

BIM是指基于先进的三维数字建筑模型，为设计师、建筑师、水暖电工程师、开发者乃至最终用户等各环节人员提供“模拟和分析的科学协作平台，帮助他们利用三维数字模型对项目进行设计、建造及运营管理”。

对于设计师和工程师而言，BIM不仅要求将设计工具实现从二维到三维的转变，更要求在设计阶段贯彻协同设计、绿色设计和可持续设计理念，达到节约能源、降低成本和提高效率的目的。BIM绝对不是一种工具，而是一种理念。

BIM模型可以持续即时地提供项目设计进度以及成本信息，这些信息准确完善并且百分百协调。BIM模型可以帮助设计人员、施工单位以及业主单位及时清楚地了解项目全部信息。项目在设计、施工和运营管理的过程中能够加快进度、提高质量，也可以更好更快地完成。

BIM模型的应用不仅仅局限于设计阶段，而是贯穿于整个公路工程项目的全生命周期的各个阶段：前期的勘察规划、设计、施工及运营维护[2]，BIM模型的信息将可在项目的各个参与方之间进行共享。

1.2 VR的概念和产生背景

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是利用电脑模拟产生一个虚拟的三维世界，为用户创造出关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同亲身经历一般，可以没有限制地观察三度空间内的事物[2]。

早在20世纪80年代，有关于虚拟现实的构想被美国VPL公司的创始人拉尼尔（Jaron Lanier）提出。在1968年的美国，第一个图形可视化的“虚拟现实”设备被计算机图形学之父Ivan Sutherland开发出来，但在当时还不叫“VR”，而是被称为“头戴显示”或“头盔显示”（Head Mounted Display,HMD）。现阶段的虚拟现实眼镜或者虚拟现实头盔在技术层面上仍可划分为HMD的范畴。

现今，VR技术已经融入了图像处理技术、计算机技术、网络技术、传感器技术、多媒体技术等新的信息技术，VR为体验虚拟世界提供了强有力的手段，已经成为一项人们生活、学习、工作广泛应用的技术。2013年谷歌眼镜（Google Glass）现世，“虚拟现实”这个术语逐渐走进公众的视野。尽管谷歌眼镜的整体显7K效果低于同一时期的所有电子产品，但其新颖的成像方式和展示方式得到了人们很大的关注。这背后揭示了人们对于已经沿用了多年的传统平面显示方式的审美疲劳和对新颖显示方式的强烈期待。

最近几年，VR技术发展迅速，逐渐以产品的形式占据市场，商业化的趋势日益明显。与世界发达国家相比，在对于VR技术研究时间及成果上我国是比较滞后的。在国外VR技术高速发展的刺激下，国家科研工程中的核心工程也加入了VR技术，签过的科研机构也都积极地推进VR技术的研究工作，其研究成果极其显著。比如，作为我国最早参与VR技术研究的高校——北京航空航天大学是比较具有权威性和专业性的，他们主要进行VR技术中的三维动态数据库及分布式虚拟环境等方面的研究工作以及对VR技术中物体处理模式的探索。

2 BIM+VR在丞相河特大桥项目中的应用

2.1 项目概况

浮山县丞相河特大桥是国道241北王乡至县城段改线工程项目中的重要控制性节点，桥梁全长1 316.08 m，主桥上部结构采用双塔斜向双索面混凝土矮塔斜拉桥，主跨160 m，下部结构采用薄壁Y型空心墩、柱式台或柱板台，桩基均采用灌注桩基础。

2.2 项目主要的设计方法

2.2.1 采用标准化设计

全线仅有的丞相河特大桥引桥采用40 m预制T梁，结构标准化、统一化。设计、施工和运维的工作成本都能得到有效控制，工期较短，工程质量符合要求，主要的结构类型为上跨结构，能够为未来的交通运输提供便利，为将来有可能进行工程二期建设留下条件和空间，能够将桥梁自身的结构优势和实用性完美呈现。

2.2.2 注重桥梁景观设计

丞相河特大桥主桥采用双塔斜向双索面Y型矮塔斜拉桥，Y型塔索面外倾斜增强了塔身和拉索在空间的层次感，大幅提升了矮塔斜拉桥的上部塔柱，使其更加醒目，同时也考虑到驾驶员在车上的视野，让人们的视野广阔舒畅。

2.2.3 加强桥梁排水设计

桥梁跨越水库，为了避免对水体的污染，排水采用集中排水加收集池的设计。

2.2.4 重视桥墩耐久性设计

a）对淹没范围内的桥墩设置水下玻纤套筒，利用玻纤套筒的抗侵蚀特性来有效保护混凝土基材。

b）在承台周围设置石笼护坦，防止水库泄洪的时候桩基被冲蚀，提高桩基结构安全性。桥墩位置处采取M7.5浆砌片石岸坡防护、水土保持措施，确保岸坡稳定。

2.3 项目和信息技术的对接

在本项目的BIM工作中，建模部分拟采用Dassault 3DEXPERIENCE系列软件，其中Dassault公司的CATIA是全球高端的设计制造软件，它的三维建模能力、呈现的水平和信息集合能力都在行业内数一数二。

可视化模型渲染，使用先进的开发引擎进行三维动画漫游部分。开发引擎拥有诸多优点，性价比很高，功能强大，动画制作成本大大降低，而且它对开发硬件的要求较低，常采用C#语言进行开发，使用广泛易上手，而且制作流程简洁高效，操作性简便。同时具有可以自定义文件类型、所见即所得、跨平台发布等诸多优点。

2.4 模型与VR的结合

利用VR技术，可以以三维立体的方式直观地展现桥梁的上下部结构、各个构件三维模型和二维图纸的结合情况，了解桥梁如钢筋结构的复杂情况，了解桥梁各部分的内部结构、周边空间位置，并在设计阶段就可以“看”大桥建成之后的样子。

利用BIM技术，可根据路线信息、桥梁的孔径信息及中心桩号等信息，快速完成桥梁BIM模型，结合地形模型，生成桥梁模型与地形相结合的完整模型，利用Unity3D，将模型导入到场景中，在软件中完成项目模型以及地形的贴图和渲染，并利用二次开发，将信息量很大的模型进行轻量化处理，减少其不必要的信息，只保留VR需要的项目模型信息。

在Unity3D中完成和SteamVR的接口对接，使开发环境与展示环境相结合，最终将VR项目利用SteamVR与HTCvive进行成果展示。

同时，VR与BIM三维模型的结合，也增强了可视性和具象性。在虚拟现实的环境当中，为用户提供交互性设计和可视化成果。

3 BIM+VR在公路工程项目中的意义

3.1 检测错误和冲突

在建设项目的早期，一些设计上的矛盾和不一致无法在二维工程图上看到，并且可能太过复杂而无法仅通过三维模型轻松检测到。此外，项目初期就探测出错误和冲突，可避免在设计的后期或者施工现场才发现。这些未知的错误可能会导致最终预算的超出、变更过多造成项目延期。使用BIM技术和VR技术是预测施工项目中问题的最佳方法。

3.2 优化成本和精度

公路工程行业的竞争是十分激烈的，不仅仅是关于工作是否完成，更重要的是如何才能节省时间和控制成本，这就是为什么数字化转型可以帮助该行业改善其成本和合理安排运营计划。VR技术是一个可以帮助降低建造成本的工具，可以进入BIM模型并在每个建造步骤中确定成本的优化和进度推进的可能性。

3.3 改善沟通

改善与利益相关者之间的沟通是建设项目（尤其是大型项目或复杂项目）面临的最严峻的挑战之一，避免项目信息的孤岛。借助BIM技术和VR技术，可以共享每个团队所需要的所有数据，提供一个即使异地也能够在仿真建筑物上协同工作的环境，可以使不同的团队更好地协同运营。

3.4 提高交底质量

在虚拟的环境中BIM技术应用数据可以更快地实现、更可靠地决策以及利益相关者之间可以更好地沟通。每个人在项目上更好地进行协作，更好地考虑预算成本，这样有助于提升整个项目的质量。同时团队之间更好地沟通也可以减少错误，更不会造成误解。

3.5 避免不必要的返工

VR技术增强了项目不同参与方之间的沟通，减少了大量的返工，避免了因缺少细节和计划的不正确而造成的拖延。项目的各个参与方可快速地访问最新的计划、最新的问题和最新的变更，可跟踪到项目的日常进度，可使所有的项目参与方更了解该项目的进程，更早更及时地发现问题，同时解决问题，也可提前发现可能会导致返工的不稳定因素，及时规避。

4 基于BIM+VR的公路工程的发展趋势

4.1 在BIM+VR的设计应用过程中工程师扮演的角色

BIM技术是一种全新的设计思维和精益求精的设计和管理态度，BIM不是一个简单数字模式，它更是一个数字化的信息平台。工程师对于BIM+VR技术的应用，更是一个项目是否运用好BIM+VR技术的关键因素。

传统的工作方式中，工程师依靠二维平面图做沟通，容易产生错误、信息落差以及对平面图解读有差异，因此，图面在沟通的过程中相对费劲。工程师利用BIM工具，会应用三度空间的观念，以三维可视化信息模型操作，进行设计与施工的检讨与沟通，以达到解决相关问题、避免图面错误的解读。工程师可通过BIM技术，把时间、空间、成本等信息整合在同一个四维模型当中，有效掌握安排工期工序，有效配置施工区域达到空间最大合理化。在进度控制上能够结合BIM全生命周期、参数化模型的特点做进度排程的工序、工时规划。

4.2 新的技术打破了公路行业的局限性

a）通过BIM+VR技术进行项目的结构、设备以及钢筋等部分在设计施工阶段的碰撞检测、分析和模拟，提前消除冲突，减少重复工作。

b）改善不同专业间的沟通质量，快速建模快速查看，达到实时调整设计内容。

c）设计与施工的顺利协作保障施工正确及质量。

d）正确的施工图由模型产出，传递正确设计信息给营建商。

e）直观展示四维建筑信息模型，项目各参与方通过在虚拟现实中提前体验工程项目，使设计能更好地服务于工程需求。

4.3 BIM+VR技术还需要解决的难点和重点

a）软件的整合性不够，模型格式各有差异，在转入转出的过程中，过程极其繁琐，耗时耗力还会使得模型丢失大量的数据和信息，从而造成BIM数据信息不全。

b）目前VR技术还在一定程度上缺乏丰富的内容资源，在某些时候难以表现出虚拟现实的真正价值，VR模型的建立与内容、功能上的调整更需投入大量成本，新技术存在落地难的困境。

c）VR技术所能承载的模型还有一定的局限性，模型所包含的信息也不能太多，在保证VR运行流畅的前提下是必须要对模型进行轻量化处理，同时也需要对模型所包含的信息进行删减，使得VR技术在大型工程项目中有些鸡肋。

5 结论

BIM+VR是在一个多维空间中放入建筑三维信息模型，并使用户身临其境地感受此三维模型，得出用户想要的信息。这等于是说在施工前我们已经看过了成型后的“实体”，这是能够在不花费实际成本的条件下让我们看到建筑的最终效果，如果不满意，可以直接进行模型拆改、重组，达到想要的效果为止。此技术可以有效地避免施工现场实际因各专业冲突或方案效果不满意而造成的打样拆改环节，大大节约成本，缩短了施工周期。BIM+VR技术有望解决公路工程项目现存的痛点。