BIM+AR技術在拱橋施工中的應用研究

摘要：文章提出了基于BIM與AR技術指導拱橋施工的流程方案，并以來賓西紅水河特大橋為依托工程進行了應用研究。實踐表明，結合BIM與AR技術的施工方法能有效提高施工質量、降低錯誤、縮短工期，為橋梁數字化施工提供了技術支撐。

關鍵詞：拱橋施工；BIM；AR；施工指導

中文分類號：U445.4A511692

0引言

隨著我國基礎設施建設的蓬勃發展，橋梁工程在技術上不斷創新，結構形式日趨復雜。為確保工程質量、降低施工風險，提高項目管理水平，亟須探索新的施工技術。建筑信息模型（BIM）和增強現實技術（AR）的應用為橋梁施工提供了新的可能性。邱貴聰等［1］闡述了BIM、VR、AR的融合為建筑行業帶來新機遇，使項目各方更直觀地理解設計意圖，并促進現場施工指導和操作工藝的優化。王廷魁等［2］分析了BIM與AR在施工指導中的優勢，提出了一套施工指導方案，評估結果顯示，該方案比傳統圖紙指導更精確高效，減輕了任務負荷，提升了建筑行業生產效率。李鈺等［3-4］研究構建了基于BIM的數據平臺，集成VR、AR等技術，用于地鐵施工安全管理，以提高地下交通網絡的安全性和可靠性。

因此，有必要對BIM與AR指導施工流程的實現流程進行研究。本文以來賓西紅水河特大橋為背景，分析了BIM與AR技術在拱橋施工中的應用，為橋梁數字化施工提供技術支撐。

1BIM與AR的概述

1.1建筑信息模型

建筑信息模型（BIM）是一個包含了建筑項目所有相關信息的模型，包括幾何、物理、功能和性能信息。在建筑項目的各個階段，不同的參與方可以基于同一個模型協同工作，進行各種類型和專業化的計算、分析和模擬。

1.2增強現實技術

增強現實技術（AR）是一種將虛擬與真實世界疊加呈現的技術。其利用多媒體、三維建模、智能交互、傳感等多種技術手段，將計算機制作的圖文信息、三維模型等內容呈現到真實世界中。這種技術可以實現虛擬和真實信息的互補，從而使用戶可以在真實世界中感知和與虛擬信息進行交互，對真實世界進行“增強”（圖1）。

2基于BIM與AR的施工指導

為提高項目現場人員看圖及溝通效率，將項目的復雜異型構件的BIM模型與對應的圖紙，通過Unity軟件進行標識關聯，通過手機、平板等移動端掃描施工圖紙，即可查看圖紙對應的三維BIM模型，實現精準交底，降低了溝通成本，提高施工效率。

2.1BIM與AR結合在施工指導中的應用優勢

在項目施工現場的一線人員，以往都是拿著紙質版的施工圖紙，在施工現場管理指導施工，由于二維圖紙表達形式單一、內容有限，復雜圖紙對各人理解程度可能會存在偏差，導致在加工安裝構件或施工某個復雜節點前，一線人員需額外花費時間對圖紙進行解讀，且還有信息錯漏的風險。雖然可以通過手機查看BIM模型，但由于BIM模型通常以一個整體模型存放，手機也不便操作尋找具體節點構件。而BIM+AR的應用解決了這一痛點，當遇到關鍵性控制節點或復雜節點時，手機掃描對應的圖紙后，隨即出現相應的BIM三維模型。BIM+AR的應用提高了現場溝通效率，避免了信息錯漏導致的質量事故，也降低了施工安全事故風險。

2.2BIM與AR在拱橋施工中的應用方案

通過利用BIM+AR技術，在大橋的拱腳預埋段、拱肋標準段、格子梁、法蘭盤等復雜部位進行應用，指導現場工人進行拱肋的拱腳節段預埋安裝和焊接、拱肋端部法蘭盤及格子梁標準段的地面焊接，能夠有效加快施工進度，節省時間成本。

2.3基于BIM與AR的施工指導實現流程

基于BIM與AR的施工指導實現流程主要分為AR場景制作軟件準備、基于Unity的軟件開發工具及BIM模型準備、AR制作流程實現和指導應用4個步驟，如下頁圖2所示。

2.3.1AR場景制作軟件準備

本研究采用的是Unity制作的AR場景。Unity是一款強大的游戲引擎，能夠制作各種類型的2D、3D內容。其應用領域非常廣泛，涵蓋游戲開發、美術設計、建筑模型制作、汽車設計和影視制作等領域。

2.3.2基于Unity的軟件開發工具

Vuforia是一種先進的實時場景識別和跟蹤技術，廣泛應用于增強現實（AR）和虛擬現實（VR）領域。Vuforia是由Parametric Technology Corporation公司開發和推出的軟件開發工具包（SDK），為Unity平臺提供了AR增強現實的解決方案。通過使用Vuforia可以識別和捕捉二維圖像或三維物體，開發者可以通過選擇適當的模型并將其放置在識別位置上，以實現各種不同的AR和VR體驗。

2.3.3BIM模型準備

根據施工流程以及施工方案，需要對全橋BIM模型進行拆分成施工指導所需的節點模型，本研究使用的建模軟件為Revit，使用Unity制作的AR軟件不能直接識別Revit模型，所以需要將拆分好的模型轉換成FBX格式再進行下一步的AR場景制作。

2.3.4AR制作流程

導入模型和圖像識別：將模型與圖紙導入到Unity項目中。這些圖像目標是Vuforia用來識別和跟蹤現實世界物體的關鍵。

設置相機和AR場景：在Unity場景中，將Vuforia AR相機添加到場景中，然后將目標圖像添加到場景中，并設置其位置和縮放，以與現實世界中的實際物體對應。

技術原理：將BIM模型與其對于圖紙進行關聯標識，通過設備攝像頭掃描圖紙即可出現BIM模型，實現增強現實的效果。

（1）在Vuforia開發平臺創建項目，將圖紙上傳。

（2）在Vuforia平臺下載轉換好的圖紙包。

（3）導入模型和識別：在Unity軟件內創建項目，并且導入圖紙包及BIM模型，圖紙是Vuforia用來識別和跟蹤現實世界物體的關鍵。

（4）設置相機和AR場景：在Unity場景中，將Vuforia AR相機添加到場景中。然后將圖紙添加到場景中，并設置其位置和縮放，與BIM模型進行綁定關聯，設置鏡頭和角度，創建場景。

（5）導出APK文件，完成AR場景制作。

3案例研究

紅水河特大橋是武宣至忻城高速公路項目中的控制性工程，其橋梁結構類型為預應力混凝土T梁+中承式鋼管混凝土拱橋。

大橋為中承式鋼管混凝土拱橋，橋梁跨徑為340 m，主梁采用格構式鋼混組合結構，引橋上部結構采用預應力混凝土先簡支后連續T梁橋。

由于本研究的項目鋼結構占比較大，而鋼結構的精度和質量是項目建設的關鍵，所以AR應用大多數在大橋鋼結構的加工及安裝上進行，以下根據項目所應用的關鍵節點進行案例分析。

拱腳預埋段：拱腳預埋段分為兩個部分，一是預埋段，二是拱肋節段。在鋼結構加工廠對預埋段和拱肋節段分別進行加工焊接，再運輸到施工現場進行安裝；在焊接加工前，對預埋段的加勁肋板和封底鋼板組成的法蘭盤，進行一次AR應用，確保加勁肋版的數量及焊接位置正確，在焊接加工完成后運輸到施工現場；進行安裝前，對預埋段與拱肋節段進行一次AR應用，確保安裝位置的精確。見后頁圖3（a）。

拱肋節段：拱肋根據大橋的跨徑分為數個節段，通過拼裝數個節段最后形成完整的拱肋，而每個拱肋節段的尺寸和弦桿數量不一致，所以需要核對好每一節段的尺寸及弦桿數量再進行焊接拼裝。在每個拱肋節段進行焊接拼裝前，對其進行AR應用，確保其成品尺寸和弦桿數量正確，在吊裝前進行一次AR應用，確保其安裝位置正確。見圖3（b）。

法蘭盤：法蘭盤是成品拱肋節段中的一個重要結構，是拱肋節段之間拼接時起到固定作用的。法蘭盤是由數個肋板及鋼板底座焊接組成的，在焊接前應用AR確保焊接位置和數量，組成法蘭盤后，再把法蘭盤焊接在拱肋節段的每根主弦桿端部，在兩個拱肋節段拼裝時，把兩個法蘭盤用螺栓擰緊完成拼裝。見圖3（c）。

格子梁：格子梁是大橋橋面主要受力結構，是由數片鋼板焊接成數個型號的鋼梁，再由數根型號的鋼梁拼接成一個標準格子梁節段，橋面是由數個標準格子梁節段拼接而成的。在焊接各型號的鋼梁之前，用AR應用確保其數量和尺寸，焊接完成后再應用AR進行標準格子梁節段的拼裝。見圖3（d）。

4應用結果分析

4.1應用結果

以來賓西紅水河特大橋為案例，分析BIM與AR技術在拱橋施工中的應用效果。通過實際應用，現場施工質量得到提高，錯誤和事故風險降低，工期縮短。與傳統施工方法相比，BIM與AR技術的結合為橋梁施工提供了更為精確和高效的指導，有助于提高施工質量，降低施工風險，縮短工期。

4.2分析討論

近年來，在建筑行業里BIM+AR的應用取得了不錯的成效，本文對房建與路橋兩大類進行分析比對，房建類施工的特點是標準化固定式的，在BIM+AR的應用點也相對比較固定和成熟，而路橋類施工的特點是多樣性流線型的，在BIM+AR的應用點上，更多會根據其項目特性以及關鍵控制性工程中選擇性的應用，所以BIM+AR在路橋類項目施工中應用，具有實用性，同時也具有一定的創新性。

5結語

本文研究了基于BIM與AR技術在拱橋施工中的應用及其優勢。通過構建項目的BIM模型，并與施工圖紙進行關聯，利用AR技術實現現實與虛擬的融合，為現場施工提供精準指導。實踐表明，該方法有效提高了施工質量，降低了錯誤和事故風險，縮短了工期。本文旨在為橋梁的數字化施工提供新的技術支持，拓展BIM與AR技術在建筑行業的應用前景。

參考文獻：

［1］邱貴聰，楊潔，陳一鳴.BIM+VR、AR應用研究［J］.土木建筑工程信息技術，2018，10（3）：22-27.

［2］王廷魁，胡攀輝.基于BIM與AR的施工指導應用與評價［J］.施工技術，2015，44（6）：54-58.

［3］李鈺，呂建國.基于BIM和VR/AR技術的地鐵施工信息化安全管理體系［J］.工程管理學報，2017，31（4）：111-115.

［4］余浩，尹增寶，劉莎莎，等.AR技術在施工關鍵節點中的應用研究［J］.建筑機械化，2021，42（9）：76-79.

作者簡介：朱繼財（1984—），工程師，主要從事橋梁工程施工研究工作。