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1、基于BIM的虚拟施工工序展示和培训应用开发摘 要 当前我国建筑业新体系和施工技术快速发展，施工及管理的信息化水平也逐步推进。但在应用和推广新型技术及其体系的过程中，发现能熟练掌握新技术的工人少、培训周期长，影响施工效率，削弱了新技术的优势。通过分析虚拟建筑建造技术发展，以北京某住宅项目为案例，研究BIM模型到虚拟施工场景的转化技术，开发了施工工序移动查询培训平台，不仅实现了在线对工人进行施工培训指导，而且工人可使用移动终端在施工现场进行工序的实时查询和确认。系统的应用可提升施工工人的培训效果，提升施工效率和施工质量。关键词：BIM模型，虚拟施工工序，工人培训本研究得到“十二五”国家科技支撑计划
2、项目 (编号：2014BAH25F04)的资助。一、开发背景BIM和虚拟施工技术在施工领域取得了丰富的应用和实践成果。目前很多建筑施工单位都能够利用BIM和虚拟施工技术进行分析、优化施工进度、确定施工方案、消除施工隐患、施工管理、算量和预算等方面均已有积累了诸多经验。虚拟施工技术不仅考虑时间维度，还考虑其他维度，如材料、机械、人力、空间、安全等，它包含多项重要内容，BIM为此提供了信息和应用的基础。在一些特殊和复杂工程中这些技术的应用是工程安全、按时、高效、高质量完成的重要保障。在美国，Autodesk将BIM技术实践到公司总部所地的旧金山市，在旧金山奥克兰海湾大桥的东半部分的翻新工程中，Au
3、todesk利用BIM技术实现了在不影响通车的情况下，分阶段、严格按照时序对桥体进行更换，而这复杂的工序和施工安全如果没有虚拟施工是很难实现的。在香港，由于政府要求建筑工程施工对周围环境的影响最小，同时施工场地狭小，公屋的定型设计等原因，使用了大量的相同规格的预制构件。在施工现场就成了安排进料、安装构配件这样一个严格的现场装配工作。所以香港房屋署的公屋建设都应用了BIM模型，同时根据BIM模型产生的施工计划进行有序施工安排，通常在施工之前会用视频或动画进行虚拟施工。虚拟施工实现了施工项目的预组织，有效提高了施工效率。但我们在实际工作中发现，目前在国内还存在熟练技术工人短缺的问题，一些项目出现了
4、工人操作不熟练、工人施工培训不足、培训后工人在施工现场也无法顺利实施而造成的施工质量问题。由此，我们思考如何利用BIM技术，把施工培训做到直观和形象，并实现培训资料的现场即时查询，让工人找的着、看得懂。二、基于BIM的虚拟施工培训平台开发案例介绍近年来，为不断地改善我国人民的住房条件和居住环境，开放商、设计单位、设备厂家共同努力开发和引入了众多的新技术、新产品和新技术，如工业化住宅、全装修住宅、SI技术体系等。更具体地，包括同层排水技术、轻钢龙骨隔墙、架空地板技术、高层集合住宅使用预制混凝土技术等。毫无疑问，先进技术的应用必然会提高建造质量和居住品质。与此同时，引进技术不可避免地要面临转化和应
5、用落地的问题。在以往技术研发和示范工程建设过程中，我们深刻地感受到，让国外的产品和技术符合国内设计规范是个门槛，培训基层技术人员和熟练工人才是让该技术落地生根的重要保障。（1）新型建筑技术体系的工序较为复杂以北京某住宅项目为例介绍，项目采用了SI体系，选用了内保温隔墙和架空地板的技术，实现全装修。为了使住宅的室内设备管线、附墙开关、操作面板等附属部分与主体结构彻底分离，避免安装管线时剔凿墙体，其墙体、地面形成管线隔层和保温隔层，为建筑运营维护带来了极大的便利，但是在施工时添加了一些工序，与传统墙体施工差异较大。（2）绘制的标准图集不便于培训工人内保温隔墙和架空地板的技术虽然具有很多优势，但是相
6、对于国内的施工工人掌握的技能来讲，技术复杂，工序繁多。内保温隔墙的装配包括墙体隔层构件安装等近二十个步骤，还有对应的操作原则和注意事项。架空地板的装配要点有十多条，不同工况对应的不同尺寸的地板架空层构件选用都有5种。这两项技术在研究中绘制了标准图集，但是目前我国熟悉这套技术的工人短缺，标准图集不便于培训工人，现有工人对于标准图集查看有难度，更不利于现场读图和施工操作，需要一个直观、可移动的便携式培训方案对工人进行引导和培训。（3）利用BIM模型的进行工序移动查询培训平台开发BIM技术实现了建筑模型信息化，案例中尝试将全装修住宅的BIM模型将之转化为虚拟建造环境，开发工序查询工具，使工程施工人员
7、在虚拟建造环境中进行建筑施工装配体验，可实现工序操作培训和现场工序查询，进而为施工提供指导，形成标准化的施工流程，提升施工质量。研究的案例模型为北京市某住宅小区，全装修交付，采用内保温隔墙和架空地板等技术，如图1所示。通过Revit系列软件建立的模型包括建筑构件如表1所示：图1 Revit软件建立的建筑信息模型表1 北京某住宅小区BIM模型包含的主要构件分类构件名称备注主体结构墙体包括承重墙、分户墙楼板/门洞口/窗洞口/内装轻钢龙骨包括各类龙骨等内保温发泡聚氨酯石膏板包括多种规格木地板/附属部分墙体隔层、地板架空层构件用于实现管线隔层和保温隔层将Revit软件建立的实际工程户型全装修模型，导出
8、成FBX格式的模型，再将FBX格式模型导入到虚拟施工场景开发平台中，对标准图集中的标准工序进行编辑和开发，为了实现直观，培训平台设置了用户漫游的功能，使得培训对象能以自己的视角观察施工场地；为了让工人能到看施工前后的工况和墙体隔层的布置，可以将隔墙显示或隐藏；为了提高工人现场培训和查询的便携性特意开发了Web版本和移动终端版本。本研案例开发的虚拟施工工序移动查询培训应用的信息流如图2所示。图2 虚拟施工工序移动查询培训应用的信息流目前国内外现有大多数的4D施工模拟和虚拟建造都是基于Autodesk Navisworks配合时间工序等制作的动画，这样对施工人员培训还不够灵活，不能对施工流程进行定
9、制开发，而且Autodesk Navisworks的运行要求终端的性能高，不利于推广。通过研究，本案例实现了快速建立虚拟建造环境，就墙体隔层构件布置施工技术要点和地板隔层构件施工技术要点展开，开发了虚拟施工的工序查询培训应用。可实现每一个细节、角度的自由控制漫游，可以使培训人员和施工人员从自己想要的角度去观察施工步骤，更容易理解技术要点。在培训阶段可以是使用Web版本在线进行培训，工人还可以课后学习，对于特别重要的施工工序，工人可使用移动终端在现场进行工序和注意事项的查询。虚拟施工工序查询培训应用平台能实现的功能如表2所示。表2 虚拟施工工序查询培训平台的功能类别内容漫游用键盘的方向键控制第一
10、人称移动，在户型内漫游，Q键控制抬头、E键控制低头。鼠标点击目的地可实现第一人称移动到目的地。在小地图上点击目的地，第一人称移动到目的地。始终在右上角显示房间地图，并标记人物所处位置操作控制隐藏/显示石膏板，查看墙体隔层构件的布置。隐藏/显示木地板，查看地板隔层构件的布置。隐藏/显示天花板，查看吊顶内管线的布置。信息查看鼠标可单击任意一个墙体隔层或地板隔层构件，显示其产品图片、具体规格和安装要点。如图3所示，技术工人可以在全装修住宅的施工环境中漫游，选择视角，点选墙体隔层构件和地板隔层构件软件会体现相应的施工技术要点说明。如图4所示，点选右下角的按钮可以显示和隐藏内保温隔墙显示内部墙体隔层构件
11、的详细布置。如图5所示，用户可以通过键盘方向键进行视角的调节，便于漫游的进行。 图3 展示地板隔层构件 图4 隐藏墙体隔层构件图5 第一人称视角通常，工人很难在一次培训后就完全记住住宅全装修的工序和安装要点。因为仅住宅的装修就有几十中不同的工艺工序，如果从主体结构施工就开始计算，再加上材料配比不同的情况，工序工艺更是成百上千种，对不够熟练的工人，现场的即时查询指导是很重要的。本软件的移动终端版实现了这个功能。如图6所示，使得施工人员能够在施工现场打开软件进行施工工序、要点查询和确认。降低了工人施工的难度，提高了施工的准备性和质量，完善了施工管理、施工作业的信息化水平。图6 移动终端上的软件应用
12、三、讨论和建议1.BIM技术在移动终端上开展虚拟施工和培训的应用将成为趋势。将虚拟施工和培训应用发布到网页和手机端，并建立的资料库，服务器则根据工程进度向网页或手机不断推送相应施工节点。这有可能成为新的培训方式。2.BIM技术将借助移动互联网的发展实现管理数据的实时交换。更进一步BIM可将施工过程和项目监管进行整合，每个终端中可以录入施工现场的情况和关键节点，完成远程的施工监理服务，实现远程管理数据的实时交换。通过以上研究，现实了通过虚拟建造环境预先进行施工工序培训和解决施工难题，形成了“培训-施工-查询”的标准化质量保障流程。参 考 文 献1刘琰, 李世蓉. 虚拟建造在工程项目施工阶段中的应
13、用及其4D/5D LOD研究J. 施工技术. 2014(02)2 李建平. BIM技术(建筑信息模型)在施工阶段的应用J. 中国新技术产品. 2014(02)3 钱苏. BIM技术在施工中的应用J. 城市建筑. 2013(8)4 清华大学BIM课题组.中国建筑信息模型标准框架研究M.北京：中国建筑工业出版社，2011-02：127-1385 Li, Heng, Lu, Weisheng and Huang, Rethinking project management and exploring virtual design and construction as a potential solutionJ. Construction Management and Economics, 27:4,363 3716.国家住宅与居住环境工程技术研究中心. 高集成住宅隔墙组合与管线更替关键技术开发研究报告R, 2011：7-1025
