BIM+VR技术在装配式建筑构造虚拟仿真实验教学中的应用研究

杜梦娜 梁翠凤 赵彬辰

（广西理工职业技术学校 广西南宁 530031）

《建筑信息模型应用统一标准》GB/T 51212—2016中对BIM技术进行定义，“建筑信息模型在建设工程及设施全生命周期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营过程和结果的总称，又简称模型”。BIM技术是模拟工程建设全生命周期的信息模型，BIM技术的应用可以实现参与工程建设施工的建设单位、施工单位、材料采购供应等相关单位间工作协调一致以及工程信息资料共享。在当代建筑施工过程中，BIM技术应用领域非常广泛，其应用越充分，发挥的作用越明显。在整个建筑施工过程中，必须全面搜集相关信息，使施工企业很好地开展相关工程管理工作。与西方发达国家相比，我国BIM技术起步较晚，其应用水平处在初级阶段，未针对性地制定相关技术标准，施工企业应积极学习先进经验，结合自身实际情况，有效改善施工质量[1]。

基于上述现状，已有部分学者对BIM技术、VR技术在建筑类专业教学中的应用进行了探索，并提出了BIM虚拟仿真实训平台的整体架构，并将其应用于工程管理专业。基于此，构建了一种新型的BIM+VR装配式建筑教学平台，进而指出装配式建筑教学平台的构建对于产业发展的意义与前景。结合传统土木工程施工类课程，构建了基于BIM+VR的仿真教学系统，促进了教学方法的改革。结合实际工程案例，对基于BIM和VR技术的土木工程施工课程进行了研究与探索，创新了教学模式。这些研究为基于BIM技术和VR技术在建筑类专业中的教育开辟了新天地。

目前不少高校的工程管理专业课程体系中虽然含有装配式建筑构造知识，但相关知识的学习仅限于传统理论教学，学生在掌握知识上较为被动，因此，引入BIM+VR技术装配式建筑构造教学平台具有显著的意义[2]。

一、BIM与VR技术在装配式建筑构造虚拟仿真实验教学中的整体构思

随着信息技术的发展，虚拟仿真实验教学以其可视化、效率高、安全性、成本低、资源共享等特点在各高校中得到广泛应用，不仅在一定程度上解决高校实验实训的困难，还可丰富实验内容，提升实验教学效果。工程管理专业是工程技术与管理相互交叉综合性学科，主要培养从事工程方面的复合型人才。通过对本校工程管理专业课程体系及对应的实践教学进行研究，发现装配式建筑的知识是穿插在传统现浇式建筑相关课程中，由专业教师通过理论知识、图画、视频等形式向学生进行讲解，加之学生校外实践机会少，学生对装配式建筑知识的学习没能及时转化为实践能力。

本研究在遵循虚拟仿真实验教学原则的基础上，以工程管理专业为依托，将BIM与VR技术相结合引入装配式建筑模型设计、场地布局、现场施工模拟的虚拟仿真实验教学中。给学生呈现出可视化的图形和交互式的场景虚拟，让学生切身感受到装配式建筑构造的施工过程，增强实验体验，加深对装配式建筑构造相关知识的理解与掌握。

基于BIM+VR技术的装配式建筑构造虚拟仿真实验教学平台的开发，主要分为两个阶段：第一阶段是以本校工程管理专业为参考，梳理工程管理专业教学大纲与课程体系，搜集装配式建筑项目相关案例；第二阶段是实验教学平台建立的主要阶段，首先依托工程管理专业的工程制图、房屋建筑学等课程，对装配式建筑的构造模型进行设计，选取比较成熟的建模软件Revit进行三维建模，三维模型建好后一键导入Fuzor软件进行VR渲染体验，两个软件可实现同步修改变化，方便学生对装配式建筑的每个构件有直观的认识与体验，在虚拟逼真的环境中可做进一步的深化设计。在三维模型建立基础上，根据工程项目管理、施工组织等课程的理论知识，进行场地布置，选取广联达BIM施工现场布置软件进行虚拟模拟布置，通过软件自带的图元或导入CAD图纸、GCL文件等可快速建立直观、形象的场地模型。最后将三维模型与场布模型导入广联达BIM5D软件，结合土木施工技术等课程，添加进度信息后与模型相关联，可完成装配式建筑施工模拟，配合VR设备可进行虚拟漫游VR体验[3]。

二、BIM技术特点

1.可视性

BIM技术的应用优势是其具有较高的可视化程度，在装配式建筑设计施工中，合理应用BIM技术可以实现二维设计向三维设计模式的转变，为工程施工单位提供更加形象化、立体化的实际方案。过去的装配式建筑设计工作中，所有设计方案均以平面的纸质图进行展示，平面纸质图太过平面化，容易出现施工单位读图不深刻情况造成施工混乱，甚至出现返工现象。将BIM技术引用到装配式建筑设计中，可以很好地将各环节进行有机串联，在保证各设计单元稳定性的基础上实现工程设计的整体化和可视化。

2.模拟性

应用BIM技术时，常将其与现代化数字模拟仿真系统结合使用，能够使工程设计与模拟工作变得更为真实，直观地呈现设计结构。

3.优化性

在应用BIM技术的过程中，其工艺要求较为严格，但能够真正实现施工项目进程的优化。在设计初期，应对工程设计、施工、管理等主要环节进行优化，确保道路工程顺利竣工。面对工程量大、技术含量高的工程，传统的设计方式无法设计出理想的施工方案，但BIM技术能够将工程整体完美地呈现在设计图中。

4.协调性

BIM技术可以展示工程项目的三维立体模型，集成项目的各种信息，有助于工程项目建设过程中建设单位、施工单位、监理单位、材料供应等各参与单位以及工程设计、施工、质控、安全等部门轻松掌握各自需求的各项信息，相互之间进行协调沟通，分析存在的问题，解决相互之间发生的矛盾冲突，修改存在的缺陷。

以BIM技术为主导的部门协调合作如图1所示。

图1 以BIM技术为主导的部门协调合作

5.逻辑性

通过BIM技术展示工程建设全生命周期的三维立体模型，模拟工程施工整个过程，涉及工程从设计准备阶段、施工竣工阶段、交付使用运营阶段工程建设全生命周期所有的工程数据信息以及各阶段相互之间的先后顺序，信息完整，逻辑性强[4]。

三、BIM与VR技术在装配式建筑构造虚拟仿真实验教学平台的应用

本实验教学平台按照学生认知到实践再到创新设计的原则出发，将理论知识与实践教学相结合，通过BIM与VR技术，让学生清晰地了解装配式建筑构造形式和施工工序。以某装配式建筑为例，实验教学平台主要从以下几方面设置。

1.装配式建筑模型的建立

装配式建筑与传统现浇式建筑相比，装配式建筑的大部分构件需要预制加工，且构件是在构件加工厂生产完成，然后运到施工现场，吊装就位拼接完成，因此在建模前，应熟悉相关施工图示、构件平面图及构件连接要点等。结合预制构件模块化和标准化的特点，利用Revit软件建立重复利用的预制装配式墙、柱、楼梯、窗等构件，形成构件标准模型族库，为方案设计和调整、变更提供依据。为保证Revit建立的模型能够导入广联达BIM5D软件，建模时遵循《Revit导入广联达GCL建模交互规范》的构建命名规则进行命名[5]。

构件族创建好后，利用Revit软件进行构件拼装，形成具有参数化信息的三维模型。为了让学生更加真实地体验所建立的模型，将Revit软件所建立的三维模型，一键同步到VR技术下的Fuzor软件中，两个软件可实现同步变化与修改，一个软件对构建进行了修改都会同步到另一个软件中。在Fuzor软件中通过操作可进入模型内部进行VR虚拟漫游，结合软件中的冲突分析，及时发现模型存在的问题，导出报表做进一步的深化设计。

2.施工场地的布置

施工现场布置图设计是单位工程开工前准备工作的重要内容之一。在装配式建筑施工现场平面布置时，考虑到装配式建筑多由预制构件现场浇筑或机械固定组装而成，因此在对施工场地规划时，应着重考虑预制构件堆放区、机械布置、临建设施等的位置。广联达BIM施工现场布置软件，内置丰富的施工场地构件库，可快速建模并对场地布置进行合理性分析。软件中的虚拟施工功能，可让学生形象、直观地了解到场地布置的流程，对装配式建筑的施工流程有个前期的了解。此外成果文件可直接输出形成BIMVR，通过AR台、3D大屏再现VR场景，实现情景化教学。

3.装配式建筑施工模拟

施工模拟是在三维模型的基础上添加时间轴，随时间的变化模拟建筑物从开工到竣工的施工过程。建筑模型和场布模型建好后，导入BIM5D软件，附着上施工进度计划，施工进度计划可由Microsoft Project软件制作或斑马梦龙网络计划软件制作，便可让学生不出教室，就可直观体验到装配式建筑施工过程，同时也可培养学生的施工组织设计和管理能力。在BIM5D软件中进行的施工模拟可导出视频，配合VR硬件设备，可实现虚拟教学，提升教学效果。对于预制构件的吊装、拼接等程序，可由教师提前做好案例，导出视频，在仿真的现场条件下，让学生真实感受施工现场环境，理解作业过程，观察学习施工工艺。

四、实验平台在工程管理专业中的应用点

1.丰富专业课程体系

实验平台在原课程体系的基础上，添加了装配式建筑施工过程相关内容，同时将工程制图、房屋建筑学、土木施工技术、工程项目管理等课程统筹规划，丰富了课程体系内容。实验平台的各环节还可将部分专业理论知识进行凝练和优化，加强课程之间的内在联系，以综合实训为主体，便于学生系统高效掌握理论知识，提高实践能力。

2.提高学生识图建模能力

在装配式建筑模型设计时，利用Revit软件进行参数化三维建模，在三维模式下，学生可以清晰了解到每个构件的形状及组成，加深对图形构造的理解。借助Fuzor软件的VR漫游技术将模型直观展示出来，让学生全情投入模型中进行设计和观察，在逼真的实践情景中夯实理论知识，提高建模能力与创新能力。

3.实现装配式建筑施工流程的可视化教学

高校装配式建筑相关知识的学习中，想要深入了解装配式建筑施工流程，在理论知识扎实的基础上，必须实际参与到项目中才能达到目标。而借助实验平台，在完成BIMVR建模与场地布置的基础上，链接上进度计划信息，便可实现施工流程的模拟，配合使用VR设备可在虚幻的情景下全方位了解到装配式建筑的施工流程。在有限的课时内以低成本、安全、高效的形式解决实践难、不确定性因素多等难题。实验平台创建的虚拟环境，改善了传统教学情景，以可视化的教学方式使学生的思维、创新度充分舒展，获得更好的学习实践体验。

结语

工程管理专业是一门综合性的专业，其培养目标是为社会培养出既懂管理又会技术的专业性人才。装配式建筑是建筑行业新的方向。通过BIM与VR技术将装配式建筑构造过程以虚拟实验的形式应用到工程管理专业的教学中，不仅可将理论知识串联起来提高教学效果，也是建筑行业对新时代专业人才提出的新要求。通过实际调研发现，将BIM与VR技术应用到工程管理专业的装配式建筑构造虚拟仿真实验教学中是可行的，BIM技术和VR技术的综合应用，可让学生直观形象、沉浸式地了解到装配式建筑构造的全过程，加深对理论知识的理解，提高实践能力。