“BIM+VR”技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用
——以浮山縣丞相河特大橋為例

楊睿之

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

在世界上中國有蓬勃的交通基礎(chǔ)設(shè)施，高速公路、鐵路、港口里程均處于世界領(lǐng)先位置。不僅如此，隨著市場的發(fā)展，中國的交通產(chǎn)業(yè)與信息化之間的融合越來越明顯，也越來越快。同樣，BIM作為信息化的應(yīng)用手段，正在改變傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)格局。BIM憑借更高的設(shè)計質(zhì)量，更快的施工速度，更低的建造成本，更通透的運營維護，給交通領(lǐng)域增添了新的發(fā)展動力。

BIM使用可視化仿真性能來分析公路項目并查看項目中的關(guān)鍵施工組件和過程，以更好地了解各種施工項目的管理者和建造者的施工技術(shù)。使用BIM技術(shù)進行現(xiàn)場安全布署的模擬，以提高安全性和合理性，項目管理人員也能非常直觀地了解公路施工各過程的時間節(jié)點和工序交叉情況,進一步提高施工效率和施工方案的安全性[1]。

1 BIM和VR的概念

1.1 BIM的概念和產(chǎn)生背景

BIM是指基于先進的三維數(shù)字建筑模型，為設(shè)計師、建筑師、水暖電工程師、開發(fā)者乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析的科學(xué)協(xié)作平臺，幫助他們利用三維數(shù)字模型對項目進行設(shè)計、建造及運營管理”。

對于設(shè)計師和工程師而言，BIM不僅要求將設(shè)計工具實現(xiàn)從二維到三維的轉(zhuǎn)變，更要求在設(shè)計階段貫徹協(xié)同設(shè)計、綠色設(shè)計和可持續(xù)設(shè)計理念，達到節(jié)約能源、降低成本和提高效率的目的。BIM絕對不是一種工具，而是一種理念。

BIM模型可以持續(xù)即時地提供項目設(shè)計進度以及成本信息，這些信息準確完善并且百分百協(xié)調(diào)。BIM模型可以幫助設(shè)計人員、施工單位以及業(yè)主單位及時清楚地了解項目全部信息。項目在設(shè)計、施工和運營管理的過程中能夠加快進度、提高質(zhì)量，也可以更好更快地完成。

BIM模型的應(yīng)用不僅僅局限于設(shè)計階段，而是貫穿于整個公路工程項目的全生命周期的各個階段：前期的勘察規(guī)劃、設(shè)計、施工及運營維護[2]，BIM模型的信息將可在項目的各個參與方之間進行共享。

1.2 VR的概念和產(chǎn)生背景

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），是利用電腦模擬產(chǎn)生一個虛擬的三維世界，為用戶創(chuàng)造出關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同親身經(jīng)歷一般，可以沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物[2]。

早在20世紀80年代，有關(guān)于虛擬現(xiàn)實的構(gòu)想被美國VPL公司的創(chuàng)始人拉尼爾（Jaron Lanier）提出。在1968年的美國，第一個圖形可視化的“虛擬現(xiàn)實”設(shè)備被計算機圖形學(xué)之父Ivan Sutherland開發(fā)出來，但在當時還不叫“VR”，而是被稱為“頭戴顯示”或“頭盔顯示”（Head Mounted Display,HMD）。現(xiàn)階段的虛擬現(xiàn)實眼鏡或者虛擬現(xiàn)實頭盔在技術(shù)層面上仍可劃分為HMD的范疇。

現(xiàn)今，VR技術(shù)已經(jīng)融入了圖像處理技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)等新的信息技術(shù)，VR為體驗虛擬世界提供了強有力的手段，已經(jīng)成為一項人們生活、學(xué)習、工作廣泛應(yīng)用的技術(shù)。2013年谷歌眼鏡（Google Glass）現(xiàn)世，“虛擬現(xiàn)實”這個術(shù)語逐漸走進公眾的視野。盡管谷歌眼鏡的整體顯7K效果低于同一時期的所有電子產(chǎn)品，但其新穎的成像方式和展示方式得到了人們很大的關(guān)注。這背后揭示了人們對于已經(jīng)沿用了多年的傳統(tǒng)平面顯示方式的審美疲勞和對新穎顯示方式的強烈期待。

最近幾年，VR技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸以產(chǎn)品的形式占據(jù)市場，商業(yè)化的趨勢日益明顯。與世界發(fā)達國家相比，在對于VR技術(shù)研究時間及成果上我國是比較滯后的。在國外VR技術(shù)高速發(fā)展的刺激下，國家科研工程中的核心工程也加入了VR技術(shù)，簽過的科研機構(gòu)也都積極地推進VR技術(shù)的研究工作，其研究成果極其顯著。比如，作為我國最早參與VR技術(shù)研究的高校——北京航空航天大學(xué)是比較具有權(quán)威性和專業(yè)性的，他們主要進行VR技術(shù)中的三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫及分布式虛擬環(huán)境等方面的研究工作以及對VR技術(shù)中物體處理模式的探索。

2 BIM+VR在丞相河特大橋項目中的應(yīng)用

2.1 項目概況

浮山縣丞相河特大橋是國道241北王鄉(xiāng)至縣城段改線工程項目中的重要控制性節(jié)點，橋梁全長1 316.08 m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用雙塔斜向雙索面混凝土矮塔斜拉橋，主跨160 m，下部結(jié)構(gòu)采用薄壁Y型空心墩、柱式臺或柱板臺，樁基均采用灌注樁基礎(chǔ)。

2.2 項目主要的設(shè)計方法

2.2.1 采用標準化設(shè)計

全線僅有的丞相河特大橋引橋采用40 m預(yù)制T梁，結(jié)構(gòu)標準化、統(tǒng)一化。設(shè)計、施工和運維的工作成本都能得到有效控制，工期較短，工程質(zhì)量符合要求，主要的結(jié)構(gòu)類型為上跨結(jié)構(gòu)，能夠為未來的交通運輸提供便利，為將來有可能進行工程二期建設(shè)留下條件和空間，能夠?qū)蛄鹤陨淼慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢和實用性完美呈現(xiàn)。

2.2.2 注重橋梁景觀設(shè)計

丞相河特大橋主橋采用雙塔斜向雙索面Y型矮塔斜拉橋，Y型塔索面外傾斜增強了塔身和拉索在空間的層次感，大幅提升了矮塔斜拉橋的上部塔柱，使其更加醒目，同時也考慮到駕駛員在車上的視野，讓人們的視野廣闊舒暢。

2.2.3 加強橋梁排水設(shè)計

橋梁跨越水庫，為了避免對水體的污染，排水采用集中排水加收集池的設(shè)計。

2.2.4 重視橋墩耐久性設(shè)計

a）對淹沒范圍內(nèi)的橋墩設(shè)置水下玻纖套筒，利用玻纖套筒的抗侵蝕特性來有效保護混凝土基材。

b）在承臺周圍設(shè)置石籠護坦，防止水庫泄洪的時候樁基被沖蝕，提高樁基結(jié)構(gòu)安全性。橋墩位置處采取M7.5漿砌片石岸坡防護、水土保持措施，確保岸坡穩(wěn)定。

2.3 項目和信息技術(shù)的對接

在本項目的BIM工作中，建模部分擬采用Dassault 3DEXPERIENCE系列軟件，其中Dassault公司的CATIA是全球高端的設(shè)計制造軟件，它的三維建模能力、呈現(xiàn)的水平和信息集合能力都在行業(yè)內(nèi)數(shù)一數(shù)二。

可視化模型渲染，使用先進的開發(fā)引擎進行三維動畫漫游部分。開發(fā)引擎擁有諸多優(yōu)點，性價比很高，功能強大，動畫制作成本大大降低，而且它對開發(fā)硬件的要求較低，常采用C#語言進行開發(fā)，使用廣泛易上手，而且制作流程簡潔高效，操作性簡便。同時具有可以自定義文件類型、所見即所得、跨平臺發(fā)布等諸多優(yōu)點。

2.4 模型與VR的結(jié)合

利用VR技術(shù)，可以以三維立體的方式直觀地展現(xiàn)橋梁的上下部結(jié)構(gòu)、各個構(gòu)件三維模型和二維圖紙的結(jié)合情況，了解橋梁如鋼筋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜情況，了解橋梁各部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、周邊空間位置，并在設(shè)計階段就可以“看”大橋建成之后的樣子。

利用BIM技術(shù)，可根據(jù)路線信息、橋梁的孔徑信息及中心樁號等信息，快速完成橋梁BIM模型，結(jié)合地形模型，生成橋梁模型與地形相結(jié)合的完整模型，利用Unity3D，將模型導(dǎo)入到場景中，在軟件中完成項目模型以及地形的貼圖和渲染，并利用二次開發(fā)，將信息量很大的模型進行輕量化處理，減少其不必要的信息，只保留VR需要的項目模型信息。

在Unity3D中完成和SteamVR的接口對接，使開發(fā)環(huán)境與展示環(huán)境相結(jié)合，最終將VR項目利用SteamVR與HTCvive進行成果展示。

同時，VR與BIM三維模型的結(jié)合，也增強了可視性和具象性。在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境當中，為用戶提供交互性設(shè)計和可視化成果。

3 BIM+VR在公路工程項目中的意義

3.1 檢測錯誤和沖突

在建設(shè)項目的早期，一些設(shè)計上的矛盾和不一致無法在二維工程圖上看到，并且可能太過復(fù)雜而無法僅通過三維模型輕松檢測到。此外，項目初期就探測出錯誤和沖突，可避免在設(shè)計的后期或者施工現(xiàn)場才發(fā)現(xiàn)。這些未知的錯誤可能會導(dǎo)致最終預(yù)算的超出、變更過多造成項目延期。使用BIM技術(shù)和VR技術(shù)是預(yù)測施工項目中問題的最佳方法。

3.2 優(yōu)化成本和精度

公路工程行業(yè)的競爭是十分激烈的，不僅僅是關(guān)于工作是否完成，更重要的是如何才能節(jié)省時間和控制成本，這就是為什么數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以幫助該行業(yè)改善其成本和合理安排運營計劃。VR技術(shù)是一個可以幫助降低建造成本的工具，可以進入BIM模型并在每個建造步驟中確定成本的優(yōu)化和進度推進的可能性。

3.3 改善溝通

改善與利益相關(guān)者之間的溝通是建設(shè)項目（尤其是大型項目或復(fù)雜項目）面臨的最嚴峻的挑戰(zhàn)之一，避免項目信息的孤島。借助BIM技術(shù)和VR技術(shù)，可以共享每個團隊所需要的所有數(shù)據(jù)，提供一個即使異地也能夠在仿真建筑物上協(xié)同工作的環(huán)境，可以使不同的團隊更好地協(xié)同運營。

3.4 提高交底質(zhì)量

在虛擬的環(huán)境中BIM技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)可以更快地實現(xiàn)、更可靠地決策以及利益相關(guān)者之間可以更好地溝通。每個人在項目上更好地進行協(xié)作，更好地考慮預(yù)算成本，這樣有助于提升整個項目的質(zhì)量。同時團隊之間更好地溝通也可以減少錯誤，更不會造成誤解。

3.5 避免不必要的返工

VR技術(shù)增強了項目不同參與方之間的溝通，減少了大量的返工，避免了因缺少細節(jié)和計劃的不正確而造成的拖延。項目的各個參與方可快速地訪問最新的計劃、最新的問題和最新的變更，可跟蹤到項目的日常進度，可使所有的項目參與方更了解該項目的進程，更早更及時地發(fā)現(xiàn)問題，同時解決問題，也可提前發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致返工的不穩(wěn)定因素，及時規(guī)避。

4 基于BIM+VR的公路工程的發(fā)展趨勢

4.1 在BIM+VR的設(shè)計應(yīng)用過程中工程師扮演的角色

BIM技術(shù)是一種全新的設(shè)計思維和精益求精的設(shè)計和管理態(tài)度，BIM不是一個簡單數(shù)字模式，它更是一個數(shù)字化的信息平臺。工程師對于BIM+VR技術(shù)的應(yīng)用，更是一個項目是否運用好BIM+VR技術(shù)的關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的工作方式中，工程師依靠二維平面圖做溝通，容易產(chǎn)生錯誤、信息落差以及對平面圖解讀有差異，因此，圖面在溝通的過程中相對費勁。工程師利用BIM工具，會應(yīng)用三度空間的觀念，以三維可視化信息模型操作，進行設(shè)計與施工的檢討與溝通，以達到解決相關(guān)問題、避免圖面錯誤的解讀。工程師可通過BIM技術(shù)，把時間、空間、成本等信息整合在同一個四維模型當中，有效掌握安排工期工序，有效配置施工區(qū)域達到空間最大合理化。在進度控制上能夠結(jié)合BIM全生命周期、參數(shù)化模型的特點做進度排程的工序、工時規(guī)劃。

4.2 新的技術(shù)打破了公路行業(yè)的局限性

a）通過BIM+VR技術(shù)進行項目的結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及鋼筋等部分在設(shè)計施工階段的碰撞檢測、分析和模擬，提前消除沖突，減少重復(fù)工作。

b）改善不同專業(yè)間的溝通質(zhì)量，快速建模快速查看，達到實時調(diào)整設(shè)計內(nèi)容。

c）設(shè)計與施工的順利協(xié)作保障施工正確及質(zhì)量。

d）正確的施工圖由模型產(chǎn)出，傳遞正確設(shè)計信息給營建商。

e）直觀展示四維建筑信息模型，項目各參與方通過在虛擬現(xiàn)實中提前體驗工程項目，使設(shè)計能更好地服務(wù)于工程需求。

4.3 BIM+VR技術(shù)還需要解決的難點和重點

a）軟件的整合性不夠，模型格式各有差異，在轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的過程中，過程極其繁瑣，耗時耗力還會使得模型丟失大量的數(shù)據(jù)和信息，從而造成BIM數(shù)據(jù)信息不全。

b）目前VR技術(shù)還在一定程度上缺乏豐富的內(nèi)容資源，在某些時候難以表現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實的真正價值，VR模型的建立與內(nèi)容、功能上的調(diào)整更需投入大量成本，新技術(shù)存在落地難的困境。

c）VR技術(shù)所能承載的模型還有一定的局限性，模型所包含的信息也不能太多，在保證VR運行流暢的前提下是必須要對模型進行輕量化處理，同時也需要對模型所包含的信息進行刪減，使得VR技術(shù)在大型工程項目中有些雞肋。

5 結(jié)論

BIM+VR是在一個多維空間中放入建筑三維信息模型，并使用戶身臨其境地感受此三維模型，得出用戶想要的信息。這等于是說在施工前我們已經(jīng)看過了成型后的“實體”，這是能夠在不花費實際成本的條件下讓我們看到建筑的最終效果，如果不滿意，可以直接進行模型拆改、重組，達到想要的效果為止。此技術(shù)可以有效地避免施工現(xiàn)場實際因各專業(yè)沖突或方案效果不滿意而造成的打樣拆改環(huán)節(jié)，大大節(jié)約成本，縮短了施工周期。BIM+VR技術(shù)有望解決公路工程項目現(xiàn)存的痛點。