BIM+VR技术在施工阶段的应用探索研究

卢 山， 王依寒， 张 彬

(湖南省第二工程有限公司，湖南 长沙 410000)

0 引 言

BIM这个概念从20世纪90年代引入我国后，经历了概念导入、标准及软件建立、大型项目试用、大范围工程实践、政策推广等阶段[1]。随着云计算、3D打印、GIS、虚拟现实等技术的不断发展，行业内开始不断探索新兴技术与BIM的结合，以加大BIM技术的应用深度与推广范围。虚拟现实(virtual reality，VR)技术在本质上与BIM建筑模型存在一定耦合性，因此两种技术的互补融合引起了行业内的广泛关注，经过几年的发展，已然成为BIM技术的重要发展方向之一。

1 BIM+VR技术在施工阶段的主要应用点及应用价值

应用BIM技术，可以实现从二维图纸到三维信息模型的转换，而VR技术能够让用户与系统进行交互并带来虚拟现实的沉浸式体验。两种技术的结合，弥补了BIM视觉真实度不足的短板，实现了BIM技术“界面-空间”的转换，同时提供关键部位交互功能，使得用户更易接受开发者意图，提升了BIM技术的应用范围和应用效果。目前，BIM+VR技术在施工阶段，主要有以下几点应用：①施工工艺样板[2]；②安全教育培训[3]；③制作虚拟展馆，宣传企业文化、展示项目风采；④利用VR进行更加真实的效果展示；⑤运用VR提高管综碰撞检查的效率[4]。下文中将对几种主要的应用方向与传统模式进行比对：

1.1 施工工艺样板

传统施工工艺样板(图1)主要特点：占用施工场地、运输困难、耗费大量材料。受限于制作样板的工人的技术水平，样板可能并不标准，从而失去指导意义。由于工程项目的一次性和暂时性，使用过的施工样板在项目结束后可能无处安置，造成浪费。传统施工样板在实际使用中往往流于形式，没有专业人员在样板前进行指导培训，解析重难点部位的技术标准，工人往往无法接受到样板所展示的全部内容，对细部工艺要点的把握仍不清晰。

图1 传统施工质量样板

应用BIM技术建立的施工工艺样板(图2)具有一次建立、永久使用的优势，且随着国家标准和行业规范的不断调整，施工样板可以做到即时响应，随时变更，立即投入使用。

图2 地下室BIM模型后浇带样板

与单纯应用BIM技术建模相比，应用BIM+VR技术制作的施工工艺样板(图3)，不再局限于界面展示，施工样板在空间中得以展示，用户可以更直观地体验到各项技术标准，并通过VR与虚拟现实模型进行互动，深刻领会各项工艺标准。

图3 BIM+VR制作的砌体样板互动界面

1.2 安全教育培训

传统的安全教育(图4)主要采用对工人进行三级安全教育、班前喊话等形式进行，对安全制度和操作规程进行宣读式教育，安全教育流于形式，书面化的知识、技能和操作经验对建筑工人来说大多晦涩难懂，接受程度不高。

图4 安全交底会议

应用BIM技术进行安全交底动画(图5)制作，交底人通过视频介绍相关安全操作规范，可以在更短时间内，给被教育人留下深刻印象。

图5 视频安全教育

运用BIM+VR技术制作安全教育系统(图6)，体验者与系统进行交互式安全操作选择，沉浸式体验各类事故现场，可给用户带来强烈的冲击力，切实增强安全意识与应对突发紧急状况的能力。

图6 BIM+VR安全体验互动界面

1.3 虚拟展馆

制作实体展厅，与施工样板一样，需要占用施工场地且易造成人力物力的浪费。利用BIM技术能够实现虚拟展馆的建造与内容植入，但建模完成的虚拟展馆不利于体验者体验，在界面上的展示也无法更好地体验展馆内的全部内容。而利用BIM+VR建立的展馆(图7)，内容丰富且表现真实，体验者可自由探索，体验开发者所展示的各项互动内容。

图7 虚拟展馆内部分展示内容

2 BIM+VR作品实现过程

目前，在建筑工程领域，BIM+VR主要有两种成果作品：全景作品和虚幻引擎作品。网络上对两种作品的界限的划分并不一致，学术界也无统一标准，有人认为全景作品在严格意义上并不属于VR,也有人认为两者的区别在于播放媒介是否为头戴设备，但全景作品也能使用头戴设备进行体验。笔者认为，两者的关键区别在于是否使用虚幻引擎，这直接关系到体验者在作品内能否自由走动并探索，在笔者看来，两者应该都属于VR，因为他们都是虚拟现实场景，都在制造沉浸式体验，他们的关系应该是平行子集的关系，如图8所示。

图8 全景作品和虚幻引擎作品关系

两类作品产生方式在大体上类似，都是先建立模型，然后导入到不同程序中，最终形成作品，如图9、图10所示。

图9 BIM+VR全景作品实现过程

图10 BIM+VR虚幻引擎作品实现过程

可以看出，两种作品都是先建立BIM模型，然后在模型的基础上生成全景图或者将模型导入到虚拟现实引擎，虚幻现实引擎作品往往需要进行大量的前期模型简化处理以适应引擎需要，同时也需要专业的虚拟现实开发团队来完成虚拟现实场景搭建，对于工程行业所需要的信息(比如BIM模型中的信息)往往很难集成。一旦需要对模型内容调整，那么将不可避免地需要再次进行大量的开发调整工作，难以适应需要在各个阶段递进、迭代进行模型展示的情况，无法到达到一模多用的目的。

3 BIM+VR的局限性及前景展望

3.1 BIM+VR技术的局限性

2016年，VR技术开始在我国兴起，2017年，建筑行业开始探索BIM和VR结合的技术道路，虽然目前市场上VR软件种类繁多，但能够与BIM完美对接的VR软件还有待开发，在将模型导入至VR引擎的过程中，涉及模型的简化和格式兼容性的调整，容易导致各类建筑信息的数据缺失，在导入BIM模型后，需要添加配景，材质参数等信息，这些工作都导致实现BIM+VR的工作更加烦琐，增加了开发人员的工作量。

同时，模型数据信息在VR界面中不易展示，创建每一个构件的数据互动接口工作量庞大，这导致了模型中的建筑信息在VR中无法完全展示，使得BIM技术的应用效果大打折扣。

另一方面，VR的实际体验感并不十分友好，使用者需要佩戴较重的头戴设备，长时间体验VR容易让用户感觉头重脚轻，也会带来眩晕感。VR设备及配套设施的造价昂贵，有一部分施工单位的VR教育流于形式，这些也都限制了BIM+VR的发展。

3.2 BIM+VR的前景展望

BIM+VR未来的发展方向，在笔者看来，仍然要以BIM技术为根本，目前BIM技术与VR技术的结合模式，越来越忽视BIM的本质，BIM沦为简单的建模工具，忽视了模型本身的信息数据，这是VR技术的局限性所带来的负面效果。

今后，随着VR技术的不断发展，并结合AR(增强现实)和AI(人工智能)，打造与现实结合更紧密、更真实、能够展示更多数据信息、动性更便捷、更具可操作性的沉浸式体验必然是BIM+VR技术未来的发展方向之一。

4 结束语

建筑行业中，不管使用何种方式进行交底、展示，主要目的就是将信息进行传递。如何让信息的传递更加高效，让受众更易接收，需要建筑行业的不断探索，也是建筑企业提高自身核心竞争力的方式。基于情景模拟的沉浸式培训模式，能够打破教学的时空限制、提高学习的主动性与积极性、在关键节点上通过与系统的互动，确保受众对操作规范和安全技能完全掌握，在实操时能再现正确操作[5]。对BIM+VR技术在目前施工阶段的主要应用点与传统模式进行对比，可以看出，利用BIM和VR技术，改变了传统方式，可以打造具有建筑行业特色的沉浸式教学培训模式，在节省投入的同时，大大提高信息传递的效率。