虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)助力施工管理智能化

文｜本刊編輯部

BIM技術(shù)的理念是建立涵蓋建筑工程全生命周期的模型信息庫，并實(shí)現(xiàn)各個(gè)階段、不同專業(yè)之間基于模型的信息集成和共享。BIM技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成即是應(yīng)用BIM信息庫，輔助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑工程項(xiàng)目全生命期中更好地應(yīng)用。BIM技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成應(yīng)用的主要內(nèi)容包括：虛擬場景構(gòu)建、施工進(jìn)度模擬、復(fù)雜局部施工方案模擬、施工成本模擬、多維模型信息聯(lián)合模擬以及交互式場景漫游。

以保利大廈項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目基坑總面積約4850平方米，基坑延長米約為450米。基坑開挖深度：本工程±0.000=+5.450（吳淞高程），自然地坪相對(duì)標(biāo)高普遍區(qū)域標(biāo)高為-1.300，考慮基底墊層厚度200毫米，本工程基坑挖深為6.9米。基坑西側(cè)為濱江綠化帶，且綠化帶地坪標(biāo)高高于坑邊地坪2.65米。由于與綠化帶距離較近，約為3.2米。本工程基坑開挖深度為6.9米，屬于二級(jí)安全等級(jí)基坑工程，基坑西側(cè)防汛墻距基坑邊約10米，在1倍開挖深度范圍以外，環(huán)境保護(hù)等級(jí)定為二級(jí)。基坑北側(cè)及南側(cè)環(huán)境保護(hù)等級(jí)按三級(jí)考慮。

傳統(tǒng)的基坑變形監(jiān)測工作方式采用數(shù)據(jù)表格、二維變形曲線、文字描述的方式編制成監(jiān)測報(bào)告，項(xiàng)目參與方對(duì)監(jiān)測結(jié)果集中進(jìn)行討論，分析變形是否過大或是否趨于穩(wěn)定，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)反饋并分析，確定是否需采取必要的補(bǔ)救、搶救措施，使基坑不發(fā)生意外破壞和變形。每天靠人工操作，翻閱大量Excel表頁中的成千個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)每個(gè)測點(diǎn)的本次變形值和累計(jì)變形值，判斷風(fēng)險(xiǎn)臨界狀態(tài)。如要知道變形速率，也只能將少量敏感點(diǎn)一一描繪出其單點(diǎn)時(shí)間變形軌跡，用以分析趨勢(shì)，然后加以是否報(bào)警的標(biāo)注。這樣做，一是耗時(shí)費(fèi)力，不利于基坑變形的快速判斷；二是靠人工大數(shù)據(jù)閱讀，容易疏忽漏讀；三是無法通覽基坑大區(qū)段塊狀側(cè)向變形與受監(jiān)控管線線狀垂直沉降之間的三維空間關(guān)系；四是無法直觀地看到整個(gè)基坑的變形時(shí)間趨勢(shì)，迅速找到危險(xiǎn)源。

多維模型信息聯(lián)合模擬技術(shù)

在該項(xiàng)目中，采用基于BIM技術(shù)的“3D+時(shí)間+變形值色階”的多維模型信息聯(lián)合模擬技術(shù)，將變形監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，自動(dòng)計(jì)算后呈現(xiàn)出整個(gè)基坑的彩色變形立體狀態(tài)，因此就可以立即看到臨界區(qū)域和超限危險(xiǎn)點(diǎn)。這種可視化基坑變形監(jiān)測方法，簡單、準(zhǔn)確、快速，為監(jiān)理、監(jiān)測人員提供了嶄新的基坑監(jiān)測管理方法。

基于BIM技術(shù)的“3D+地勘資料數(shù)據(jù)”的多維模型信息聯(lián)合模擬技術(shù)，以地勘報(bào)告為初始數(shù)據(jù)，將二維地勘資料轉(zhuǎn)換成三維地勘模型，在Revit軟件中與基坑結(jié)構(gòu)模型合并，可以實(shí)時(shí)、任意視角查看地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件（地下連續(xù)墻、底板、樁等）與不同深度土層之間的關(guān)系，快速查看土層屬性信息，指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工，輔助監(jiān)理、監(jiān)測人員判斷樁基持力層和有效樁長，對(duì)比開挖實(shí)際情況與地勘報(bào)告的符合度，輔助驗(yàn)槽工作。

利用該多維信息模型可以直觀、清晰看到土層的分布情況，是否存在暗溝、夾層等不利的地質(zhì)情況以及不利地質(zhì)情況的分布位置，有利于輔助監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工等工作的開展。通過剖面視圖可以準(zhǔn)確判斷樁端持力層，同時(shí)查看對(duì)應(yīng)的靜力觸探曲線預(yù)估沉樁阻力，輔助確定沉樁施工方案。

該多維信息模型不同于以往的地質(zhì)模型，將地勘模型集成到Revit軟件中，并賦予土層屬性，使監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工人員能在Revit軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核工作，這種集成式模型更適合民用建筑的監(jiān)理、施工、設(shè)計(jì)工作的開展，提高工作效率。同時(shí)可以對(duì)地勘模型進(jìn)一步開發(fā)，當(dāng)修改樁長或樁徑等屬性時(shí)能實(shí)時(shí)輸出變化后的樁承載力、樁材料用量及單樁成本，對(duì)設(shè)計(jì)階段的樁型選取、確定樁基方案有非常重要的實(shí)用價(jià)值。

在對(duì)基坑進(jìn)行變形監(jiān)測的同時(shí)，基坑巡視是基坑安全必不可少手段。通過巡視，可以及時(shí)、直觀地觀察到地表裂縫、塌陷等表象，對(duì)基坑的局部穩(wěn)定性的判斷起著不可替代的作用。一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)作好記錄，嚴(yán)密觀察其變化情況，同時(shí)及時(shí)向項(xiàng)目部匯報(bào)。項(xiàng)目部接到報(bào)告后應(yīng)立即作出反應(yīng)，分析其原因，并根據(jù)對(duì)基坑安全的影響程度制定有效控制措施，以防止形勢(shì)惡化，危及基坑的安全。

同時(shí)，保利大廈項(xiàng)目采用第二代Google Glass硬件技術(shù)，自主開發(fā)了適合土木和建筑工程應(yīng)用的APP軟件。并采用了佩戴式的谷歌眼鏡替代了傳統(tǒng)的手持式便攜媒體設(shè)備，使項(xiàng)目參與人員解放雙手，能同時(shí)查看BIM模型和現(xiàn)場實(shí)際情況。在指導(dǎo)、參與現(xiàn)場應(yīng)急搶險(xiǎn)工作時(shí)，Google Glass結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了針對(duì)不同情況、不同位置、不同條件下處置現(xiàn)場情況的觸發(fā)機(jī)制，可以使監(jiān)測員按上海市建筑工程安全質(zhì)量管理?xiàng)l例的規(guī)定快速觀看險(xiǎn)情，快速調(diào)取應(yīng)急預(yù)案，快速按預(yù)案中的復(fù)測操作動(dòng)畫進(jìn)行復(fù)測。經(jīng)過復(fù)測證實(shí)險(xiǎn)情后，直接按眼鏡中顯示的報(bào)警電話號(hào)碼語音撥打報(bào)警電話進(jìn)行報(bào)警，然后再按眼鏡中預(yù)存的搶險(xiǎn)操作規(guī)程的分解動(dòng)畫作為指導(dǎo)，第一時(shí)間協(xié)同各參與方進(jìn)入搶險(xiǎn)工作狀態(tài)。

BIM+虛擬技術(shù)

目前雖然對(duì)軟土深基坑的研究有了一定的進(jìn)展，但對(duì)其變形及力學(xué)性質(zhì)的研究還不夠完善，計(jì)算模型的假定與工程實(shí)際情況存在較大偏差，導(dǎo)致基坑支護(hù)工程的變形估算不太準(zhǔn)確，從而影響了工程的安全和成本。因此，在施工過程中對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的監(jiān)測就顯得十分重要。然而，傳統(tǒng)的基坑安全監(jiān)測數(shù)據(jù)文件均以報(bào)表配合二維曲線、圖形的方式表達(dá)變形趨勢(shì)，當(dāng)工程師查看變形情況時(shí)不能方便地整體查閱變形情況，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)難以準(zhǔn)確判斷。

因此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將BIM結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入基坑工程監(jiān)理、監(jiān)測、管理等工作，以解決以往在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測過程中不能直觀表現(xiàn)其變形情況和變形趨勢(shì)的缺點(diǎn)。

采用多維模型信息聯(lián)合模擬技術(shù)，方便監(jiān)理人員、工程師、管理人員、業(yè)主、施工人員等判斷基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況并指導(dǎo)開展相關(guān)工作，通過可視化手段輔助基坑建設(shè)過程的安全監(jiān)測，提高了基坑監(jiān)測的工作效率，有效地降低了安全監(jiān)測過程中的人為遺漏；采用地勘信息模型指導(dǎo)監(jiān)理、施工、設(shè)計(jì)人員直觀準(zhǔn)確地判斷地質(zhì)情況，協(xié)助處理突發(fā)情況；采用基于Google Glass的新型呈現(xiàn)技術(shù)全方位展現(xiàn)基坑的變形監(jiān)測、地質(zhì)情況以及指導(dǎo)基坑搶險(xiǎn)和輔助基坑項(xiàng)目監(jiān)理、監(jiān)測、管理等日常工作，提高基坑工程的監(jiān)理、管理、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)的工作效率，提高了對(duì)危險(xiǎn)情況的預(yù)判能力。

BIM技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在保利大廈基坑安全監(jiān)測方面的拓展應(yīng)用探索了基坑安全監(jiān)測的新方法，為BIM技術(shù)在基坑工程建設(shè)全過程的應(yīng)用提供了具有實(shí)用價(jià)值的參考。

隨著全球信息化進(jìn)程的加快，我國的工程建設(shè)行業(yè)正處于重要的技術(shù)變革期，而建筑業(yè)的信息化很大程度上取決于建筑施工企業(yè)的信息化水平。基于 BIM 理念的虛擬施工技術(shù)應(yīng)用研究，通過在計(jì)算機(jī)群組上協(xié)同工作，對(duì)施工中的各種信息及施工中的項(xiàng)目規(guī)劃、建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)等過程進(jìn)行全面的仿真再現(xiàn)，以便施工方能夠提前發(fā)現(xiàn)在實(shí)際施工中可能存在的各種問題并采取有效措施修改優(yōu)化施工方案，從而從整體上降低建筑項(xiàng)目成本，提高施工效率，增強(qiáng)企業(yè)在各級(jí)施工過程中的決策、優(yōu)化與控制力，進(jìn)而提升建筑企業(yè)的核心競爭力。

虛擬施工技術(shù)仍需進(jìn)一步完善

然而，BIM技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成作為一門新興學(xué)科，其理論和實(shí)踐研究都處于初級(jí)階段，且涉及學(xué)科、專業(yè)眾多，還存在很多問題，例如所使用BIM模型的深度直接決定了虛擬施工應(yīng)用的效果。如果前期建立的BIM模型不夠精細(xì)，基于此模型而實(shí)現(xiàn)的施工過程的三維模擬結(jié)果就會(huì)不夠準(zhǔn)確，無法達(dá)到預(yù)期的目的。

此外，由于專業(yè)、人員、模型、環(huán)境的局限，對(duì)于基于 BIM 的建筑工程信息體系與架構(gòu)的探究尚淺。使用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)采集手套等外部設(shè)備進(jìn)入仿真的建筑物，這種方式能充分體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的價(jià)值，但是這方面的技術(shù)在建筑施工領(lǐng)域應(yīng)用較少。

從技術(shù)層面上講，虛擬施工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)的建筑施工方式的全面變革，促使建筑施工企業(yè)組織、管理及生產(chǎn)方式等各個(gè)方面發(fā)生變化。但是由于現(xiàn)階段各種主客觀原因的存在還未能大力發(fā)展普及，仍需要各方面力量的積極推動(dòng)和支持，不斷完善其理論和技術(shù)體系，以促進(jìn)施工技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

如今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是依靠頭盔顯示器和數(shù)據(jù)采集手套等外部設(shè)備，用戶利用這些設(shè)備來體驗(yàn)和參與到模擬事件中去，利用鼠標(biāo)、鍵盤、語音和手勢(shì)來對(duì)物體或是角色進(jìn)行操控。而未來的虛擬現(xiàn)實(shí)將會(huì)是一個(gè)充滿著逼真互動(dòng)體驗(yàn)的包羅萬象的新世界，用戶可以參與到具體情境中去，所有的一切將會(huì)異常真實(shí)。

當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這一切需要更加先進(jìn)、創(chuàng)新的技術(shù)、軟件及娛樂內(nèi)容的支持。如果發(fā)展能夠一直持續(xù)的話，我們至少能夠進(jìn)行視覺上的瞬間移動(dòng)，進(jìn)入到并不遙遠(yuǎn)的未來奇幻世界。不可否認(rèn)，虛擬施工技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用將是一個(gè)必然趨勢(shì)，在未來的建筑設(shè)計(jì)及施工中的應(yīng)用前景廣闊。相信隨著虛擬施工技術(shù)的發(fā)展和完善，必將推動(dòng)我國工程建筑行業(yè)邁入一個(gè)嶄新的時(shí)代。