基于BIM技术的虚拟质量样板应用研究

2022-07-18冯天娇

建筑施工 2022年4期

冯天娇曾谋

中国建筑第八工程局有限公司南方分公司广东深圳 518107

质量样板也称工艺样板或工法样板，是一种常见的施工工艺展示方法，主要用于帮助现场人员了解掌握相关施工部位的工艺工序、施工材料及质量效果等，从而指导施工作业。

目前，质量样板主要以实体为主，长期的应用实践暴露出实体样板存在着不经济、不便捷、与绿色施工理念相冲突等问题。

随着技术水平的提升和环保理念的增强，质量样板的呈现方式由最初的现场制作的实体样板演变为带底座的移动式样板，乃至今日我们所能见到的不同媒介中承载的虚拟质量样板，如基于BIM模型所制成的AR质量样板、VR互动式质量样板、质量样板动画模拟等，这也表明新技术应用能为工程项目管理带来更多可能[1-6]。

1 应用原理

基于BIM技术的虚拟质量样板应用是将所需要表达的工艺样板建立数字信息模型，再结合多种多媒体交互技术，虚拟反映出相关施工部位的构造做法、施工步骤等（图1），体现BIM技术可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性的五大特点。

图1 虚拟质量样板应用原理示意

2 应用过程

2.1 模型创建

选择业内主流的BIM建模软件Autodesk Revit进行土建类、装饰装修类、幕墙类、机电类等专业的质量样板模型搭建工作，钢结构专业使用Tekla软件。根据行业规范、设计要求、工艺步骤等创建质量样板三维模型，赋予相应材质和构件信息，再根据使用要求，在模型中酌情添加工艺标识标牌等构件。建模前，参考GB/T 51301—2018《建筑信息模型设计交付标准》中对模型几何精度及信息深度的分级规定，根据应用需求选择适当建模精度，避免模型冗余和工作效率降低等问题。

2.2 展示方式

2.2.1 工艺模拟

在动画软件中载入样板模型，根据工艺流程及施工步骤，利用关键帧和动画衔接等功能进行动画制作，通过字幕及配音，对所用技术、工艺标准、施工规范、注意事项等进行释义（图2）。针对不同施工关键点，使用对应的质量样板BIM模型制作相应的工艺模拟视频，用于交底培训及施工指导，增强交底效果，加深被交底人对关键部位及关键工艺的记忆，从而强化施工交底的作用，对质量管理起到实质性帮助。

图2 陶砖幕墙工艺模拟视频

2.2.2 掌上AR

选择AR平台作为数据库，制作和管理AR场景。在场景中将质量样板BIM模型与识别图或特征物关联起来，场景发布后，可通过手机端扫描识别图或特征物，使质量样板模型在手机画面中与现实场景叠加起来，突破时间、空间的限制。其趣味性和互动性为使用者带来良好的体验。将打印出来的识别图发放给现场人员，供他们随时扫描查阅，以便更高效地施工。

2.2.3 VR体验

项目采用HTC vive头戴式VR设备，使体验者“置身”于企业自主研发的质量样板互动式培训场景中，其高度逼真的视觉效果与虚拟场景操控功能，使得体验者可以通过操作手柄，自主演示工艺中的每一个步骤，直观了解到质量样板中的工艺做法和质量标准（图3）。

图3 虚拟质量样板VR场景

2.2.4 虚拟质量样板全景球

利用模拟软件中的全景功能渲染输出质量样板模型全景图像，并发布到全景平台中合成全景球，如图4所示。进入编辑状态后，进行场景标注、热点描述、沙盘添加等模块编辑，最终以网址链接或二维码的形式进行查阅。便捷的浏览方式使得虚拟质量样板全景球能在众多现场人员中广泛传播，大大提升了虚拟质量样板的学习率。

图4 虚拟质量样板全景漫游

2.2.5 BIM协同管理平台和移动端

在本地网络环境下，将质量样板模型传至BIM协同管理平台中的质量样板模型库里，通过平台的模型展示功能，可直接访问质量样板BIM模型（图5）。平台管理员可分配访问权限给指定人员，使得培训过程中管理人员可随机调用样板模型并展示到智慧大屏上，操作演示的同时进行工艺讲解。生动形象的培训方式有利于加深听众对于工艺技术的理解与记忆。

图5 BIM协同管理平台质量样板模型库

2.2.6 图册、展板制作

将质量样板BIM模型根据工艺步骤进行拆解组合并渲染输出工艺分解模型图，组图形成连环画般的样板工艺分解图册，将图册发放给现场人员，以供施工参考。还可将样板模型三维轴测图等组合制成展板，置于观摩区、休息亭、施工文化长廊等地方，为外部人员及内部人员提供更丰富的质量学习内容，且有助于企业营造良好的质量文化氛围。

2.2.7 BIM样板实操教育一体机

项目引进BIM样板实操教育一体机，共涵盖12种施工样板（图6）。使用者可根据需要，点击按键选择相应的BIM样板，进入样板展示页面，再通过样板介绍、样板分析、样板搭建等功能，对该工艺进行全面认识和深入理解。该模式可实现新入场工人进行自主学习，熟悉施工工艺，熟练掌握施工要领。

图6 BIM样板实操教育一体机

3 应用效果

虚拟质量样板无论是在传统工艺还原上还是在新工艺的呈现上，都充分展现出优异性。我们根据相关工序施工要求和工艺标准，制作出三维样板模型并赋予材质，将工序中的物理参数、施工工艺、材料样式、工序逻辑等内容可视化，再通过多种媒介和视觉表现方法，使虚拟质量样板得到充分运用和更好的推广，并获得了较高的认可度。

在质量培训和施工交底中，工人们通过虚拟质量样板云端模型、动画模拟等熟悉掌握施工内容、施工要点、工艺步骤、验收标准等，有效强化视觉记忆，大幅提升培训交底效果。而在交互培训中，通过VR、触摸交互系统等，工人们可以进行施工过程模拟操作，其趣味性、互动性持续引起工人自主学习的热情，这对于提高工人们的质量意识和质量素养起到积极的促进作用。

通过虚拟质量样板的宣传推广和落地应用，充分展现出企业对于质量控制的高度重视，不仅能为企业树立质量形象，还能赢得良好口碑。

4 与实体质量样板优劣比对

4.1 优势

目前，工程中应用的实体质量样板通常为带底座的移动式样板，由于安全文明工地评级和工地观摩活动的盛行，现阶段实体质量样板仍然是安全文明工地的标准配置和重要组成部分。但其劣势也是显而易见的，即使是缩小比例制作的实体样板，也存在占用场地面积大、美观性持久度低、定制成本高、周转费用贵、实用性差等诸多缺点。对比之下，虚拟质量样板则充分展现了数字技术在先进性、实用性、经济合理性三方面的优势。

1）在先进性方面，虚拟质量样板响应国家发展数字化、网络化、智能化等新一代信息技术的政策，应用BIM技术、多媒体交互技术、云计算等高科技手段，筑造质量管理高地，推动样板先行理念融入工程建设的方方面面，为扩大信息技术在施工领域中的影响和发展添砖加瓦。对比实体质量样板，虚拟质量样板在工程中的应用更加顺应时代潮流，尤其符合建筑业科学发展的规律。

2）在实用性方面，BIM技术应用赋予虚拟质量样板可优化、可修改更新的特性，使用过程中可以方便地根据新工艺、新方法、新设想等对样板模型进行优化更改，并且快捷地在其他展示端口同步更新。同时，利用多媒体技术在文字、图像、动画、声音等多种媒体信息方面的综合处理能力，使得虚拟质量样板的内容展示更为全面透彻，工艺步骤描述更为清晰，这对于学习者的使用和认知更为有利。文中描述虚拟质量样板的载体及传播媒介可以是移动端、Web端、VR设备、触控大屏等多种形式，新颖的展示方法不仅增加质量培训学习的趣味性，更让质量样板“移动”起来，工程管理者可以在不同场合有针对性地开展质量培训，学习者也可以随时随地进行自主学习及回顾，为质量样板的培训学习提供极大的便利，大幅度提升质量样板的使用频率和普及程度。上述内容表明，虚拟质量样板在灵活性、有益性、时效性等方面，都明显优于实体质量样板。

3）在经济合理性方面，虚拟质量样板在人工及传播媒介上产生的成本为间接成本，而购买和定制实体质量样板产生的是直接成本，前者较后者在企业的资金流中占比更小，在生产活动中的利用率更高，经济效益也更好。作为数字化产物，虚拟质量样板能更好地实现可持续性发展，而存在淘汰周期的实体质量样板就不容乐观了。

此外，虚拟质量样板应用还充分践行“四节一环保”的绿色施工理念，它的制作过程相较于实体质量样板，不存在用水和用材等消耗大量资源的现象。利用现有的计算机、手机、平板、LED屏等即可实现虚拟质量样板的价值，这些媒介所占用的空间相较于实体质量样板占用的场地面积而言是微不足道的。

在比较受关注的环保层面上，虚拟质量样板以数据的形式存在于计算机世界中，它的功能再现依靠互联网即可实现，对现实世界不会直接造成污染和破坏等影响，而实体质量样板以物质的形式真实存在于现实中，其报废拆除所产生的废料是对环境影响较大的污染源。因此，虚拟质量样板在施工中的应用对环境保护有着十分重要的意义和价值。

4.2 劣势

相较于虚拟质量样板仿真模拟后所呈现的虚拟形态，实体质量样板显然有着不可比拟的现实效果，无论从质量成形观感还是多角度体验效果上，实体质量样板始终是难以替代的现实资源。比如喷浆、甩浆、混凝土凿毛、材料黏合、保温棉覆盖之类的工序和材料工艺等，就目前的技术水平而言，数字科技无法有效逼真地将质量效果展现出来，从而造成虚拟质量样板在拟合材料成形质感和产品成形观感方面的缺陷。