BIM+VR技術在裝配式建筑構造虛擬仿真實驗教學中的應用研究

李萌萌 李帆 姜鳳珍

摘?要：在國家大力倡導發展裝配式建筑的背景下，結合裝配式建筑構造復雜性、長期性、一次性、特點以及為適應裝配式建筑管理人才方面的需要，提出將成熟的BIM+VR技術應用到裝配式建筑構造虛擬仿真實驗教學中。從工程管理專業課程體系出發，構建基于BIM與VR技術的裝配式建筑構造過程虛擬沉浸式體驗平臺，通過案例形象生動的向學生呈現裝配式建筑從設計、場地布局、現場施工等過程，豐富課程體系內容，促進裝配式建筑構造進一步向信息化方向發展。

關鍵詞：BIM;VR;裝配式建筑;虛擬仿真;實驗教學

中圖分類號：G642.0??文獻標識碼：A

BIM（Building?Information?Model）技術從建筑全生命周期出發，已成為建筑業備受關注的熱點，推動了建筑業技術手段的變革。VR技術以其交互性、沉浸性、構想性等特點逐漸被應用到建筑行業方方面面。BIM技術的信息集成性為VR技術的實施提供了前景，二者技術的融合，能夠深度優化虛擬建筑仿真效果，促進建筑行業信息化方向的發展。與此同時，我國建筑工業化、住宅產業化和綠色技術也在不斷推進，不管是在工程材料上還是技術上都取得了很大的進步，這種形式下，裝配式建筑應勢而生。國內不少城市響應國家政策，出臺促進裝配式建筑發展的政策文件，并提供一定服務。由此可見，裝配式建筑的應用，是未來建筑行業發展的一大趨勢。

2016年國務院出臺《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，要大力培養具有裝配式建筑專業知識的人才，鼓勵高等院校在課程體系中合理設置相關課程，與對口企業開展校企合作，促進專業人才的培養。目前，很多高校都沒有開設裝配式建筑課程，雖然不少高校正逐漸將BIM技術納入課程體系，但將BIM技術與VR技術應用到裝配式建筑構造實驗教學中的高校很少，造成裝配式建筑專業人才的缺乏。

基于上述現狀，已有部分學者對BIM技術、VR技術在建筑類專業教學中的應用進行了探索。余宏亮等提出了BIM虛擬仿真實訓平臺的整體架構，并將其應用于工程管理專業[1]。王凱等構建了一種新型的BIM+VR裝配式建筑教學平臺，進而指出裝配式建筑教學平臺的構建對于產業發展的意義與前景[2]。陸海燕等結合傳統土木工程施工類課程，構建了基于BIM+VR的仿真教學系統，促進了教學方法的改革[3]。楊陽等結合實際工程案例，對基于BIM和VR技術的土木工程施工課程進行了研究與探索，創新了教學模式[4]。這些研究為基于BIM技術和VR技術在建筑類專業中的教育開辟了新天地。

目前不少高校的工程管理專業課程體系中雖然含有裝配式建筑構造知識，但相關知識的學習僅限于傳統理論教學，學生在掌握知識上較為被動，因此，引入BIM+VR技術裝配式建筑構造教學平臺具有顯著的意義。

1?BIM與VR技術在裝配式建筑構造虛擬仿真實驗教學中的整體構思

隨著信息技術的發展，虛擬仿真實驗教學以其可視化、效率高、安全性、成本低、資源共享等特點在各高校中得到廣泛應用，不僅在一定程度上解決高校實驗實訓的困難，還可豐富實驗內容，提升實驗教學效果。工程管理專業是工程技術與管理相互交叉綜合性學科，主要培養從事工程方面的復合型人才[5]。通過對本校工程管理專業課程體系及對應的實踐教學進行研究，發現裝配式建筑的知識是穿插在傳統現澆式建筑相關課程中，由專業教師通過理論知識、圖畫、視頻等形式向學生進行講解，加之學生校外實踐機會少，學生對裝配式建筑知識的學習沒能及時轉化為實踐能力。

本研究在遵循虛擬仿真實驗教學原則的基礎上，以工程管理專業為依托，將BIM與VR技術相結合引入裝配式建筑模型設計、場地布局、現場施工模擬的虛擬仿真實驗教學中。給學生呈現出可視化的圖形和交互式的場景虛擬，讓學生切身感受到裝配式建筑構造的施工過程，增強實驗體驗，加深對裝配式建筑構造相關知識的理解與掌握。

基于BIM+VR技術的裝配式建筑構造虛擬仿真實驗教學平臺的開發，主要分為兩個階段：第一階段是以本校工程管理專業為參考，梳理工程管理專業教學大綱與課程體系，搜集裝配式建筑項目相關案例;第二階段是實驗教學平臺建立的主要階段，首先依托工程管理專業的工程制圖、房屋建筑學等課程，對裝配式建筑的構造模型進行設計，選取比較成熟的建模軟件Revit進行三維建模，三維模型建好后一鍵導入Fuzor軟件進行VR渲染體驗，兩個軟件可實現同步修改變化，方便學生對裝配式建筑的每個構件有直觀的認識與體驗，在虛擬逼真的環境中可做進一步的深化設計。在三維模型建立基礎上，根據工程項目管理、施工組織等課程的理論知識，進行場地布置，選取廣聯達BIM施工現場布置軟件進行虛擬模擬布置，通過軟件自帶的圖元或導入CAD圖紙、GCL文件等可快速建立直觀、形象的場地模型[6]。最后將三維模型與場布模型導入廣聯達BIM5D軟件，結合土木施工技術等課程，添加進度信息后與模型相關聯，可完成裝配式建筑施工模擬，配合VR設備可進行虛擬漫游VR體驗。

2?BIM與VR技術在裝配式建筑構造虛擬仿真實驗教學平臺的應用

本實驗教學平臺按照學生認知到實踐再到創新設計的原則出發，將理論知識與實踐教學相結合，通過BIM與VR技術，讓學生清晰地了解裝配式建筑構造形式和施工工序。以某裝配式建筑為例，實驗教學平臺主要從以下幾方面設置。

2.1?裝配式建筑模型的建立

裝配式建筑與傳統現澆式建筑相比，裝配式建筑的大部分構件需要預制加工，且構件是在構件加工廠生產完成，然后運到施工現場，吊裝就位拼接完成，因此在建模前，應熟悉相關施工圖示、構件平面圖及構件連接要點等。結合預制構件模塊化和標準化的特點，利用Revit軟件建立重復利用的預制裝配式墻、柱、樓梯、窗等構件，形成構件標準模型族庫（見圖1），為方案設計和調整、變更提供依據。為保證Revit建立的模型能夠導入廣聯達BIM5D軟件，建模時遵循《Revit導入廣聯達GCL建模交互規范》的構建命名規則進行命名[7]。

構件族創建好后，利用Revit軟件進行構件拼裝，形成具有參數化信息的三維模型。為了讓學生更加真實地體驗所建立的模型，將Revit軟件所建立的三維模型，一鍵同步到VR技術下的Fuzor軟件中（見圖2），兩個軟件可實現同步變化與修改，一個軟件對構建進行了修改都會同步到另一個軟件中。在Fuzor軟件中通過操作可進入模型內部進行VR虛擬漫游，結合軟件中的沖突分析，及時發現模型存在的問題，導出報表做進一步的深化設計。

2.2?施工場地的布置

施工現場布置圖設計是單位工程開工前準備工作的重要內容之一。在裝配式建筑施工現場平面布置時，考慮到裝配式建筑多由預制構件現場澆筑或機械固定組裝而成，因此在對施工場地規劃時，應著重考慮預制構件堆放區、機械布置、臨建設施等的位置。廣聯達BIM施工現場布置軟件，內置豐富的施工場地構件庫，可快速建模并對場地布置進行合理性分析，圖3為建立的施工現場布置圖。軟件中的虛擬施工功能，可讓學生形象、直觀地了解到場地布置的流程，對裝配式建筑的施工流程有個前期的了解。此外成果文件可直接輸出形成BIMVR，通過AR臺、3D大屏再現VR場景，實現情景化教學。

2.3?裝配式建筑施工模擬

施工模擬是在三維模型的基礎上添加時間軸，隨時間的變化模擬建筑物從開工到竣工的施工過程。建筑模型和場布模型建好后，導入BIM5D軟件，附著上施工進度計劃，施工進度計劃可由Microsoft?Project軟件制作或斑馬夢龍網絡計劃軟件制作，便可讓學生不出教室，就可直觀體驗到裝配式建筑施工過程（如圖4所示），同時也可培養學生的施工組織設計和管理能力。在BIM5D軟件中進行的施工模擬可導出視頻，配合VR硬件設備，可實現虛擬教學，提升教學效果。對于預制構件的吊裝、拼接等程序，可由教師提前做好案例，導出視頻，在仿真的現場條件下，讓學生真實感受施工現場環境，理解作業過程，觀察學習施工工藝。

3?實驗平臺在工程管理專業中的應用點

3.1?豐富專業課程體系

實驗平臺在原課程體系的基礎上，添加了裝配式建筑施工過程相關內容，同時將工程制圖、房屋建筑學、土木施工技術、工程項目管理等課程統籌規劃，豐富了課程體系內容。實驗平臺的各環節還可將部分專業理論知識進行凝練和優化，加強課程之間的內在聯系，以綜合實訓為主體，便于學生系統高效掌握理論知識，提高實踐能力。

3.2?提高學生識圖建模能力

在裝配式建筑模型設計時，利用Revit軟件進行參數化三維建模，在三維模式下，學生可以清晰了解到每個構件的形狀及組成，加深對圖形構造的理解。借助Fuzor軟件的VR漫游技術將模型直觀展示出來，讓學生全情投入模型中進行設計和觀察，在逼真的實踐情景中夯實理論知識，提高建模能力與創新能力。

3.3?實現裝配式建筑施工流程的可視化教學

高校裝配式建筑相關知識的學習中，想要深入了解裝配式建筑施工流程，在理論知識扎實的基礎上，必須實際參與到項目中才能達到目標。而借助實驗平臺，在完成BIMVR建模與場地布置的基礎上，鏈接上進度計劃信息，便可實現施工流程的模擬，配合使用VR設備可在虛幻的情景下全方位了解到裝配式建筑的施工流程。在有限的課時內以低成本、安全、高效的形式解決實踐難、不確定性因素多等難題。實驗平臺創建的虛擬環境，改善了傳統教學情景，以可視化的教學方式使學生的思維、創新度充分舒展，獲得更好的學習實踐體驗。

結語

工程管理專業是一門綜合性的專業，其培養目標是為社會培養出既懂管理又會技術的專業性人才。裝配式建筑是建筑行業新的方向。通過BIM與VR技術將裝配式建筑構造過程以虛擬實驗的形式應用到工程管理專業的教學中，不僅可將理論知識串聯起來提高教學效果，也是建筑行業對新時代專業人才提出的新要求。通過實際調研發現，將BIM與VR技術應用到工程管理專業的裝配式建筑構造虛擬仿真實驗教學中是可行的，BIM技術和VR技術的綜合應用，可讓學生直觀形象、沉浸式地了解到裝配式建筑構造的全過程，加深對理論知識的理解，提高實踐能力。

參考文獻：

[1]余宏亮，劉玲，許媛媛.工程管理專業BIM虛擬仿真實訓平臺構建研究[J].土木建筑工程信息技術，2018，10（3）：5156.

[2]王凱，蔡瑞，劉秋元，等.基于BIM+VR的裝配式建筑教學平臺構建研究[J].中國教育信息化，2019（12）：8185.

[3]陸海燕，鮑文博，寧寶寬，等.BIM與VR技術在土木工程施工教學改革中的探索與實踐[J].高等建筑教育，2018，27（5）：127131.

[4]楊陽，姚剛，沈鑫，等.基于VR和BIM技術的場景沉浸式土木工程施工課程建設[J].教育教學論壇，2020（7）：248250.

[5]繆燕燕，陳紅艷.關于設置工程管理專業方向的思考[J].高等建筑教育期刊，2005（2）：2932.

[6]蔣斯粟，單敏，陳超，等.BIM技術在畢業設計中的應用探索[J].價值工程期刊，2018（33）：159161.

[7]錢濤.基于廣聯達BIM?5D平臺的Revit房建結構建模技術初探[J].工程建設與設計，2019（22）：1618.

基金項目：2020年度國家自然科學基金委資助項目“多虛擬社區環境下員工工作激情演化的突變及控制機制”（72001121）;青島理工大學2020年學校實驗技術研究項目“BIM?VR技術在裝配式建筑構造虛擬仿真實驗教學中的應用研究”（[2020]20號）

作者簡介：李萌萌（1988—?），女，山東青島人，碩士，實驗師，主要從事建筑工程管理研究。