基于VR技術的工程施工應用策略

聶 琿 韓 冬 濟源職業技術學院

1 虛擬現實綜述

虛擬現實也被稱為VR技術，是一種融合了計算機技術、傳感器技術、人工智能技術等多種技術為一體的新型綜合信息技術。VR技術改變了以往媒介的傳播信息方式，給用戶帶來了感官上的真實性體驗。VR技術可以通過模擬視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感覺，協助人們理解新事物，掌握客觀事物規律，是科學技術轉化為第一生產力的實證。

1.1 虛擬現實系統構成

虛擬現實系統由硬件系統和軟件系統組成。軟件系統是虛擬現實技術的內容集成平臺，利用計算圖形技術展現三維模擬畫面。硬件系統是與外界進行信息交互和承載內容體驗的終端系統，包括各種傳感器輸入設備、手持式移動控制柄、頭盔眼鏡等設備。虛擬現實系統是一個綜合復合體，離開了硬件設備和軟件系統是不能形成虛擬世界與現實世界之間的交互體驗。

1.2 虛擬現實系統特性

虛擬現實系統主要有真實性、交互性、沉浸性等特征。隨著計算機仿真技術和建模渲染技術的發展，虛擬畫面逐漸走向真實性。虛擬現實系統不同于以往直面電腦模型，以上帝視角去看待問題，虛擬現實是利用其真實性將人融入到虛擬內容畫面中，讓感受者成為其中一份子，沉浸性的感受虛擬世界。同時，為了增強其真實性和沉浸性，虛擬現實系統通過各種輸入輸出設備將溫度、壓力、光度、濕度等環境物理量轉換為模擬量體現在虛擬系統中[1]。由于虛擬現實技術存在的特性，賦予了建筑工程施工管理新的活力，為建筑工程的施工注入了新的科技成分，保障建筑工程的施工安全，為建筑企業的發展注入了新鮮的活力，使其得到了新的發展。

1.3 虛擬現實技術的新發展

2016年是虛擬現實技術商業運用元年，之后幾年由于綜合體驗未達到良好的體驗效果，虛擬現實應用一直處于不溫不火的狀態。5G的高速網絡解決了觀看VR視頻的流暢度問題。同時，5G網絡的傳輸機制極大地改善了VR體驗過程中的延時感、眩暈感，改善了VR的沉浸性體驗。隨著5G開始大規模商用以及人工智能、云端技術的融合發展，VR體驗性得到增強，在接下來的幾年里5G高速移動網絡將會帶動虛擬現實實現新的發展。

2 VR技術在工程施工方面的應用

VR技術在工程施工方面的應用不是單一局部的，VR技術可貫穿整個工程施工應用過程，包括工程施工前招標環境模擬、工程施工過程中的現場管理、工程施工方案的虛擬體驗等

2.1 VR技術在工程施工前的應用

2.1.1 應用于工程施工前的工程培訓

運用VR技術可以降低企業對工程人員的培訓費用，同時VR技術真實直觀的畫面效果更容易讓參與培訓的人員快速理解相關工程原理。一些重要設備是不允許出現操作失誤的，虛擬現實可以開發出相關設備的虛擬演練系統，規范操作員的操作方式。在工程施工方面，有些復雜工序需要經驗豐富的人員進行操作，為了培養職員對其熟練度，開發虛擬現實系統對其人才隊伍建設和保持崗位運轉穩定性具有及其重要的意義[2]。在現實生活中，企業不可能大范圍模擬火災、爆炸、地震等危險情況，而VR技術在培訓過程中更容易模擬危險工況和自然災害的發生，這有助于培養員工的安全意識和臨機應變處理能力。

2.1.2 應用于工程施工前的招標環境模擬

VR技術可用于工程招標環境的模擬，虛擬演練網上招投標。通過虛擬現實技術，演練網上工程招投標，可以避免人為因素干擾，利用數字化的準確性規范招標方式。同時由于突發意外不能參與現場招投標，也可以利用虛擬現實平臺進行遠程互動參與招投標。例如，2020年的新冠疫情影響，人群聚集參與活動存在感染病毒風險。遠程視頻會議解決了不能現場參與招投標的難題，如果在視頻會議中融入虛擬現實技術，招投標工作將更加便捷迅速。VR技術的優勢在于信息數據的直觀可視化，建筑設計信息可以讓施工方直觀感受理解，這樣能夠讓施工方高效快速理解其設計理念[3]。

2.2 VR技術在工程施工中的應用

2.2.1 搭建用戶與設計者交流平臺

設計者根據用戶的需求進行工程設計，傳統的文件式或者其他多媒體表達雖然雙方在核心設計理念上達成一致，但是隨著設計趨于完善，用戶會逐漸增加需求或者改動局部內容。為了讓用戶最大化理解設計內容，充分思考自我需求，通過搭建虛擬現實平臺性，可以省去中間大量不必要的時間，讓設計者明確消費者的真實需求。同時，虛擬現實平臺的搭建也方便了設計者的自我修正。對于一些從未涉及過的難度較大的設計，設計者往往根據之前的相關工作經驗，經驗的不確定性一定程度上決定著方案可行性走向。虛擬現實平臺的搭建，可以模擬相關建造技術，進行虛擬仿真和結構力學分析，從而實現對施工建設的難度及可行性分析，做出結構上的改進及優化，對建筑設計過程中潛在的問題可以及時的發現和預防，防止在實際的施工過程中，因為工程的規劃不科學導致建筑工程存在問題的事故發生。

2.2.2 驗證施工方案，施工管理可行性

利用虛擬現實技術虛擬建設一個施工環境，在建設的施工環境中應圍繞著建筑設計場景搭建，建立相關設備三維CAD模型和有限元模型，虛擬裝配各種零部件。搭建好了施工場景，可以利用VR技術的真實性，模擬不同的施工方案[4]。通過橫向對比不同的施工方案，進行優劣選擇和方案的改進工作。在對施工方案進行評估時，可以開發相應的虛擬系統成本評估，讓核算成本結果快速生成，對施工方案進行最優解選擇。同時，在模擬不同的施工方案中，融入施工管理測評，對施工方案多個緯度進行比較確定具體方案。在確定施工方案后，施工管理可以通過虛擬現實技術進行檢驗，方便管理者及時發現問題并改進相關措施。

3 VR技術在工程施工應用策略上的注意事項

VR技術目的不在于顛覆工程施工的流程與方式，它只是為了更好的優化工程施工整個流程。將虛擬現實融入工程施工中，首先應該注意建筑信息模型構建。建筑信息不是點與點，面與面之間的位置關系，而是整個模型詳細的細節融合。通過整個建筑模型數據，施工方可以獲得平面圖施工過程中所需要的投影圖、建筑部件的材料屬性、結構設計的布局圖等[5]。建筑設計信息的詳細構建，保證了整個施工過程可以合理根據數據信息自動化、智能化進行操作調度。VR體驗工程施工所需要的硬件設備并不復雜，包括具有輸入輸出特性的鍵盤、鼠標、數字手套、操作柄等設備，但是為了沉浸性體驗，需要具有高性能的顯示器頭盔設備。

為了提高參與人員的體驗感，最主要的是軟件系統能夠營造具體完善的客觀世界以及豐富真實的三維立體圖像，為建筑工程的施工效果以及工程管理效率起到了重要的保障，因此在建筑工程領域里，加強對VR技術的運用是促進現代化工程管理的重要之舉。

4 VR技術與BIM技術的融合發展

BIM技術是隨著計算機技術的發展而逐漸形成的，建筑模型技術的發展改變了以往建筑施工的設計技術。三維可視化技術降低了過去對二維平面圖的依賴，使用BIM技術極大地方便了工程設計和管理的數據交流。BIM技術最早由美國公司Autodesk公司提出，從建筑的設計到建筑施工管理及項目完結的整個過程，所有關鍵信息都融于三維立體數字模型中。BIM技術具有整個項目全生命周期管理的特性，與以往傳統施工相比，效率更高，施工管理流程更明確，各個部門之間的協調性更好。VR技術與BIM技術不是獨立的個體，因為有BIM技術的數字設計基礎支撐，VR技術所需要的虛擬仿真環境才具有可搭建性，可實現性。在可預見的未來，VR技術將以BIM技術為依托，逐漸向更深層次融合發展。目前BIM技術與VR技術的結合主要有兩種形式，分別為間接效果結合與直接數據結合。

4.1 BIM技術與VR技術間接效果結合

通過基于BIM技術的建筑設計軟件進行三維數據格式提取轉換，導入到相關VR平臺開發軟件進行模型渲染、動畫交互、編程控制等方面處理。BIM模型轉換格式一般以中間格式OBJ、FBX、IFC為主，從整體轉換效果來看，FBX應該是適配性、兼容性、數據保留性最好的數據轉換格式。VR開發平臺主要以游戲引擎Unity3D和U4E為主。Unity3D開發VR軟件系統較為便捷但是在整體渲染技術上不如U4E，開發者應該在交互性和真實性體驗上合理選擇開發軟件。

4.2 BIM技術與VR技術直接數據結合

基于BIM技術的設計軟件可以直接與VR設備進行適配交互，在VR設備里直接可以體驗到建筑模型的空間效果。使用操作手柄可代替鼠標鍵盤的使用，沉浸性的操作模型進行視覺觀察。直接數據結合形式較為簡單，使用VR設備觀察具有便捷性 但是在開發關于VR綜合應用軟件上就顯得不足。所以BIM技術與VR技術選擇結合的方式應該具體問題具體分析，本身并無優劣之分。

5 結束語

虛擬現實技術在工程施工方面具有自身獨特優勢，對于一些重要項目工程采用虛擬現實技術可以規避系統性風險和重大設計缺陷造成的安全事故。但是盲目追求新技術不結合實際情況，會適得其反增加額外成本。在開發虛擬現實系統時，企業應該注重系統的可持續性、通用性、兼容性，順應時代潮流發展的同時也得因時制宜、實事求是的發展。另一方面VR技術的發展是促進工程施工發展的必要選擇，通過VR技術可以及時規避工程施工所潛在的風險，為企業的安全施工提供技術保障。