BIM與AR技術(shù)結(jié)合在施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用

覃月金 唐際宇 唐閣威 寧華宏

中國(guó)建筑第八工程局有限公司廣西分公司 廣西 南寧 530028

1 工程概況

廣西南寧華潤(rùn)中心東寫字樓項(xiàng)目（圖1）建筑高度為445 m，地下3層、地上90層。工程結(jié)構(gòu)收縮變化大，施工難度大且工期緊。鑒于工程的特殊性，在項(xiàng)目引進(jìn)BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)探求更高效、安全的施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與管理手段，極具研究?jī)r(jià)值[1-4]。

施工前通過BIM技術(shù)優(yōu)化施工方案并進(jìn)行三維可視化交底，施工中將虛擬信息和真實(shí)環(huán)境進(jìn)行疊加實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工指導(dǎo)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變化將問題即時(shí)記錄并反饋到三維模型中，以便后期維護(hù)和管理，切實(shí)彌補(bǔ)BIM技術(shù)無法將模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的短板，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的優(yōu)化。

2 BIM與AR技術(shù)結(jié)合在質(zhì)量控制中的應(yīng)用

圖1 項(xiàng)目整體效果圖

施工過程中影響工程質(zhì)量問題的因素主要分為產(chǎn)品質(zhì)量因素、技術(shù)質(zhì)量因素、參與主體的目標(biāo)差異和外部環(huán)境影響，無論是哪種因素造成的質(zhì)量缺陷，都將帶來大量的返工，不但影響建筑整體性能還增加工程成本的負(fù)擔(dān)。建筑行業(yè)作為技術(shù)水平低、粗放、高能耗的一個(gè)典型行業(yè)，亟待新興科技對(duì)傳統(tǒng)施工理念和流程進(jìn)行升級(jí)與改造。

技術(shù)質(zhì)量的合格，應(yīng)該是保證所有建筑構(gòu)件質(zhì)量符合要求的前提，技術(shù)方案的合理性、施工順序的正確性、施工用料的準(zhǔn)確性都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起到關(guān)鍵性影響。傳統(tǒng)的施工完全依賴于現(xiàn)場(chǎng)工人的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平以及對(duì)圖紙的理解，質(zhì)量缺陷的形成不可控[5-7]。

據(jù)此，從本項(xiàng)目實(shí)際情況與需求出發(fā)，選取極具代表性且具備研究可行性的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行探索，在傳統(tǒng)技術(shù)施工方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合BIM與AR技術(shù)，制訂了基于BIM與AR技術(shù)的施工質(zhì)量控制執(zhí)行方案，包括施工前的方案模擬、施工現(xiàn)場(chǎng)的三維指導(dǎo)、施工后的質(zhì)量檢查以及施工全過程的動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)事前控制和事中控制結(jié)合、事后及時(shí)反饋調(diào)整的主動(dòng)控制管理思維。

2.1 施工前的方案模擬

通過Revit（土建）、Tekla（鋼結(jié)構(gòu)）軟件對(duì)質(zhì)量控制點(diǎn)創(chuàng)建三維模型，使用Navisworks、BIM 5D、Lumion、3Ds Max、MAYA等軟件根據(jù)施工方案進(jìn)行三維漫游、碰撞檢查、施工模擬、大型設(shè)備吊裝模擬等，然后用Unity＋VuforiaSDK創(chuàng)建允許人機(jī)交互的AR場(chǎng)景，根據(jù)軟件形成的檢查報(bào)告或者直接識(shí)別，找出方案中不合理的地方，進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，直至方案合理可行。

首先，施工過程中，三維模型能夠提供直觀的建筑成品的形態(tài)，幫助工人很好地理解圖紙，體現(xiàn)了BIM模型可視化的特征；其次，我們充分利用BIM的模擬性和優(yōu)化性，模擬施工工序，制作模擬動(dòng)畫，最后通過AR技術(shù)將虛擬模型或模擬動(dòng)畫疊加到真實(shí)場(chǎng)景中（圖2），在我們面前呈現(xiàn)的是一個(gè)生動(dòng)而真實(shí)的建筑成品，方便施工方在施工前就將方案修改到最佳效果。

圖2 AR展示效果

2.2 施工現(xiàn)場(chǎng)的三維指導(dǎo)

盡管施工前參建各方已經(jīng)敲定最佳施工方案，減少了質(zhì)量缺陷風(fēng)險(xiǎn)，但在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的環(huán)境中，例如交底培訓(xùn)宣貫不足、測(cè)量放線定位不準(zhǔn)、緊前工序累計(jì)誤差過大，都可能造成現(xiàn)行施工方案的不適應(yīng)。通過AR技術(shù)進(jìn)行三維指導(dǎo)，一方面，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)指導(dǎo)的過程中，能夠人機(jī)交互進(jìn)行標(biāo)記，有利于控制現(xiàn)場(chǎng)的變化情況，并將反饋信息記錄下來持續(xù)跟蹤反饋，管理人員能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變化及時(shí)調(diào)整方案。另一方面，有了AR技術(shù)，我們只需要一本圖紙或規(guī)范，帶上我們的手機(jī)或平板，便可輕裝上陣，因?yàn)锳R模型不像單純的BIM模型需要電腦查看，AR模型在軟件中經(jīng)過處理能生成移動(dòng)端適用的程序，而且顯示效果更加真實(shí)立體（圖3、圖4）。

2.3 施工后的質(zhì)量檢查

圖3 機(jī)電專業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安裝的AR指導(dǎo)模型

圖4 封閉式樓梯的AR指導(dǎo)模型

以上施工過程中的質(zhì)量檢查都是針對(duì)單一構(gòu)件或?qū)I(yè)內(nèi)部的檢查，施工后還應(yīng)該有整體空間關(guān)系的檢查，而施工過程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況與模型查對(duì)一般是現(xiàn)場(chǎng)工人或施工員的自檢，在施工完成后還有質(zhì)量部和監(jiān)理甚至第三方的檢查。此時(shí)，將AR模型提供為質(zhì)量檢查的依據(jù)，并將AR標(biāo)記的在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中能觸發(fā)虛擬場(chǎng)景的image target貼到相應(yīng)的構(gòu)件上，一旦我們對(duì)哪個(gè)構(gòu)件有疑問，便現(xiàn)場(chǎng)使用手機(jī)或者其他移動(dòng)設(shè)備識(shí)別構(gòu)件上的image target從而調(diào)出AR模型進(jìn)行檢查（圖5）。除此之外，如需要進(jìn)一步檢查整體空間關(guān)系，仍可以使用手機(jī)或者其他移動(dòng)設(shè)備來識(shí)別標(biāo)記整個(gè)房間的image target來進(jìn)行檢查。

圖5 鋼構(gòu)桁架加強(qiáng)層安裝后的整體空間關(guān)系檢查

檢查過程中一旦發(fā)現(xiàn)問題，現(xiàn)場(chǎng)人員就將問題對(duì)應(yīng)的模型截圖后發(fā)送給工程部和技術(shù)部，待后續(xù)的查改。整個(gè)過程的信息傳遞非常高效、便捷、準(zhǔn)確。

2.4 施工全過程的動(dòng)態(tài)管理

BIM結(jié)合AR技術(shù)在施工質(zhì)量全過程動(dòng)態(tài)管理中的價(jià)值很容易被理解，施工前的方案模擬、施工現(xiàn)場(chǎng)的三維指導(dǎo)、施工后的質(zhì)量檢查，都會(huì)不斷出現(xiàn)新的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，為了達(dá)到事前控制的目的，最大限度地避免質(zhì)量缺陷，應(yīng)將后續(xù)工序出現(xiàn)的問題反饋至前面各工序。BIM與AR技術(shù)結(jié)合在現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制的應(yīng)用中，整個(gè)方案實(shí)施過程的信息都會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)，這些數(shù)據(jù)不斷地被積累，最終形成強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)應(yīng)用或新建項(xiàng)目提供最大化的經(jīng)驗(yàn)積累，從而為企業(yè)的縱向管理做出貢獻(xiàn)。

3 總結(jié)及設(shè)想

3.1 應(yīng)用總結(jié)

BIM與AR技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制，形成一個(gè)從施工前到施工后的全過程動(dòng)態(tài)管理，為現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制提供了一種創(chuàng)新的模式。現(xiàn)階段AR技術(shù)切實(shí)有效地解決了BIM在施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用缺陷，推動(dòng)了BIM在建筑全生命周期中的價(jià)值體現(xiàn)。

在廣西南寧華潤(rùn)中心東寫字樓項(xiàng)目中，BIM結(jié)合AR技術(shù)的應(yīng)用覆蓋了鋼結(jié)構(gòu)沖突檢測(cè)、頂模爬升模擬及沖突檢測(cè)、管線綜合應(yīng)用、系統(tǒng)培訓(xùn)、土建及鋼筋建模培訓(xùn)、管井綜合深化、機(jī)電與二次結(jié)構(gòu)（圈梁、構(gòu)造柱）沖突檢測(cè)等，目前為止，共節(jié)約工期36.5 d，總經(jīng)濟(jì)效益7 501 400元。

3.2 AR應(yīng)用展望

目前AR應(yīng)用還僅在單一操作面板的水平上，如果房間過于復(fù)雜或整個(gè)建筑包含構(gòu)件數(shù)量龐大，對(duì)構(gòu)件一一標(biāo)記image target顯得過于麻煩。設(shè)想在Unity 3D軟件中，對(duì)Hiar插件進(jìn)行簡(jiǎn)單的代碼操作，創(chuàng)建UI系統(tǒng)按鈕，形成主面板和子集面板，可將整個(gè)房間所有構(gòu)件的模型都配置到同一個(gè)AR資源包中，根據(jù)“房間—豎向結(jié)構(gòu)—構(gòu)件1—鋼筋”“房間—水平結(jié)構(gòu)—構(gòu)件2—鋼筋”的關(guān)系逐層地打開需要查看的信息，每個(gè)房間僅對(duì)應(yīng)一個(gè)image target圖片。然而這樣我們將面臨的難題是AR模型承載的內(nèi)存過大，對(duì)硬件設(shè)備的要求非常高，反而不利于AR技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。綜上所述，無論是BIM的輕量化研究障礙，還是軟件產(chǎn)品的專業(yè)化程度不足，AR應(yīng)用研究的道路還很漫長(zhǎng)。

4 結(jié)語

建筑行業(yè)是一個(gè)信息、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，每一個(gè)建筑項(xiàng)目都蘊(yùn)含著豐富的圖紙信息，在傳統(tǒng)的“按圖施工”管理模式中，施工指導(dǎo)高度依賴圖紙，而BIM管理理念的提出，切實(shí)地在提升人的認(rèn)知能力方面將我們從痛苦中解放出來，它在建筑領(lǐng)域中對(duì)大量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確讀取并可視化表達(dá)，深度挖掘并系統(tǒng)地存儲(chǔ)將發(fā)揮不可估量的作用。

盡管BIM或AR技術(shù)仍存在很多人為因素或技術(shù)因素亟待解決和改進(jìn)，但在施工指導(dǎo)中的應(yīng)用前景是毋庸置疑的。