【BIM新闻】对比分析BIM与AR应用于施工现场培训

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0 引言

目前在施工现场教学与培训中主要采用平面整体表示方法制图规范,然而此种传统二维表达方式容易存在许多缺陷。由于平法的推广,施工中的相关工作需要从平面图入手,查找标准图集、看懂各类构件的构造,使得施工、监理和工程预算等工作都在一定的程度上复杂化[1]。同时,在钢结构施工现场,钢结构节点图集中较复杂节点难以在短时间内被安装工人理解。这些原因导致施工现场教学与培训效果不佳。


随着我国经济的发展,建筑业对产业内部的技术要求也在不断提高。而日渐普及的建筑信息模型( building information modeling,BIM) 和增强现实技术( augmented reality,AR) 能提供更好的三维表达方式。在此背景下,本文将建筑信息模型和增强现实技术结合,并探究和验证其在建设工程中对改善施工现场的教学能够起到的作用,以辅助提高施工行业的技术水平。


建筑信息模型( BIM) 为一个设施( 建设项目)的物理和功能特性的数字表达,它是一个共享的知识资源,是一个分享有关这个设施的信息,从而为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程[2]。BIM在国内建筑业开始形成一股热潮,除了前期软件厂商的大声呼吁外,政府相关单位、各行业协会与专家、设计单位、施工企业、科研院校等也开始重视并推广BIM[3]。另外,《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》也提出要加快推广BIM,改进传统的生产及管理模式,提升企业的生产效率和管理水平[4]。


BIM技术外,近年来增强现实技术( AR) 也越来越受到重视。增强现实技术是将计算机产生的文本、图像以及虚拟3D模型、视频或场景等信息实时准确地叠加到用户所感知到的真实世界中的一种技术,用这种方式将虚拟环境和真实环境连接起来,从而提高使用者对现实世界信息的感知能力[5]。在本研究中,AR较VR更具有优势。因为AR没有将使用者与真实世界分开,而是利用附加的文字或图片等信息对周围的真实场景进行动态增强。事实上,施工现场的工人需要进行的是操作性的工作,若能将教学内容与真实环境相对比和结合无疑更利于工人对教学内容的吸收和理解。


在国外结合BIM和AR的研究已经取得了一定的成效。Xiangyu Wang,Peter E. D. Love 等提出了一个将BIM和AR在施工中结合的概念框架[6]。另外,Sebastjan Me®a和®iga Turk等分析了AR潜在的和目前的基于软件设计方法的部分怎样能够有效地用于建设工程中基于BIM的AR系统[7]。


仅在过去的几年里,随着移动设备使用的普及和建筑信息模型( BIM) 的快速发展,AR和BIM的结合已不仅活跃在相关领域的研究中,其已逐渐被应用到施工现场,AR允许使用者在需要的地方查看设计、施工或者运维信息。例如在柏克德团队的Reading Station Area项目( RSAR) 中,工程人员通过在项目现场部署AR,实现了BIM数据的实时访问,他们将AR用于展示地下设施的结构,以避免电缆等管线破坏等[8]。在国内AR与BIM结合的技术虽然还在起步阶段,但也开始在建筑行业出现,主要体现在基于BIM和AR的可视化装修等的研究及应用[9]。


本论文主要研究并验证AR与BIM在建设工程中的应用价值,这里提到的应用主要体现在施工现场的教学中。其目的是改善传统的教学方式,用BIM和AR结合更生动直观地展示教学内容,提高教学效率。


1 研究方法

在实现本研究的研究目的,即探讨结合BIM与AR在施工现场教学上的可操作性的过程中,需要完成现状调查、发现问题、解决问题几个阶段,每个阶段的具体工作内容作者将在下文通过技术路线图作具体说明。


1. 1 技术路线图

本研究通过阅读文献、专家访谈等形式,了解并整理平法标注、钢结构节点图集的标注在施工中存在的问题,以及AR和BIM在国内外的发展现状。接下来,分析结合AR和BIM在改进平法标注和钢结构节点标注中存在的优势及改进方式。然后选择合适节点并建立BIM模型和AR标志库。最终主要通过试验和专家访谈的方式来验证结合BIM与AR在施工现场教学上的可操作性,详情如图1所示。


图1 技术路线


1. 2 研究内容

由技术路线图1可见,研究主要分为以下几个阶段:


①现状调查阶段作者通过阅读文献、专家访谈等方式收集资料并了解BIM,AR的应用现状及施工现场的教学现状等信息;


 ②发现问题阶段作者通过对现状调查阶段收集到的各类资料进行整理、分析等了解并总结平法标注、钢结构节点标注存在的缺陷,施工现场教学上存在的缺陷等;


③解决问题阶段问题解决阶段主要可以分为提出具体方案、选择具有代表性的合适节点、建立相应的BIM模型、建立AR标志库共4个部分;


④验证阶段主要通过对比试验和专家访谈2个渠道收集验证所需的相关信息,并在验证环节对其进行具体总结和分析。


2 研究过程

为了解施工现场的培训存在的问题及平法、钢结构节点图集在使用中存在的问题,作者进行了专家访谈,并了解到以下信息,如表1所示。


2. 1 通过专家访谈选出合适节点

通过以上信息可以了解到施工现场存在的质量问题部分是由于培训质量引起的,而传统的平面表达方式对教学质量起到了较大影响,因此在这一前提下,本研究具有较大的研究价值。


同时,为了解平法以及钢结构节点图集在具体使用中存在的缺陷,以便用较为复杂的节点作为实验案例。为实现以上试验需求,作者通过专家访谈初步了解到平法、钢结构节点详图在使用中存在的不少难点。


就以平法为例,平法很难展示出施工中较难节点的钢筋具体空间排布位置。这种困难主要体现在角柱柱顶的构造钢筋的空间排布,图2为平法P59-抗震KZ边柱和角柱柱顶纵向钢筋构造。


图2 边柱和角柱柱顶纵向钢筋构造[10]


再以钢结构来说,图3的钢结构球形节点平面、剖面图中其节点连接的复杂程度可见一斑。在施工过程中,不仅需要了解构件的具体尺寸,还要了解它们之间的空间结构。


2. 2 建立案例BIM模型

在2. 1节中通过专家访谈的结果,作者选出了工程中较难理解并容易出现问题的节点。同时对Autodesk® Revit® 系列软件的基本操作进行了简单学习,并建立了在2. 1节中选出节点的BIM模型,详见图4中+角柱柱顶钢筋模型。


图3 钢结构球形节点


图4 角柱柱顶钢筋模型


图5 为钢结构球形节点的三维模型,从图中可以看出其复杂而交错的空间关系。


图5 钢结构球形节点模型


2. 3 建立AR标记并通过AR展示BIM模型

为了通过AR将实际背景和BIM模型有效地结合起来,首先需要生成一个符合要求的AR标记。这个标记用于定位BIM模型出现的位置、方向,以及模型的大小。因此,必须保证标记的清晰以便于读取,同时为区别方向,标记必须不为对称图案。作者将2. 2节中建立的节点BIM模型导入Autodesk® 3ds Max®软件对模型的外观进行适当调整并渲染模型,例如加入灯光效果,改变构件的颜色等,以便之后导入AR Toolkit®能达到较好的展示效果。


接下来,作者将处理好的模型通过AR Toolkit®AR标志关联,并通过计算机展示出来,钢筋锚固AR展示效果及钢结构节点AR展示效果如图6所示。


图6 AR展示效果


2. 4 案例验证

本研究主要通过2种方式进行案例验证,一为对照试验,二为专家访谈。其中,专家访谈又分为2部分,企业专家访谈和学术专家访谈。另外,在访谈企业专家的过程中还加入了一定的问卷调查。具体的验证过程及结果详见下文。


本试验的目的是为了验证结合AR和BIM技术在理解平法标注和钢结构节点图集上是否能够起到帮助作用,进而验证结合BIM与AR在施工现场教学上的可操作性。其中,本文主要通过测试被测试者在将AR展示节点的BIM模型用于对复杂节点的理解时是否能够较传统方式提高效率,来验证AR和BIM技术在理解平法标注和钢结构节点图集上是否能够起到帮助作用。


为验证结合AR和BIM在展示钢筋混凝土及钢结构节点与传统教学方式相比是否在施工人员对节点的理解上能够起到帮助作用,按照上文中对照试验的描述,可以将“结合BIM和AR的教学方式”和“传统教学方式”设为试验因素。同时又需要保证其他因素相同,由于教学效果或学生的理解效率体现在理解所需要的时间长短和理解的程度两方面,然而在保证试验对象达到相同的理解程度的情况下,测试对照组和试验组所需的理解时间并不容易,因此,本文中采用对相同时间内( 以较快完成的小组中最迟完成的成员所耗的时间为试验时间) ,试验组和对照组对同一节点理解程度的差异进行分析,从而对试验目的进行验证。在本试验中,为准确衡量“理解程度”这一试验指标,作者采用考试的形式,以得分的多少来评判试验对象对相关节点的理解程度。另外,为排除试验结果的偶然性,在试验过程中试验对象需要对2个不同节点进行学习和理解。


具体试验内容如下:


①试验对象

具有相同专业知识的工程管理大学四年级学生6名,随机分为2组;


②试验时间

以较快完成的组最迟完成的成员所花费的时间作为试验时间;


③试验内容

对照组:通过传统教学方式,即读图并参照平法图集理解试验节点的钢筋排布,在规定的试验时间内答题;


试验组:观察用AR展示的节点BIM模型,并参照相关图纸及平法图集理解试验节点的钢筋排布,在规定的试验时间内答题。


比较标准:选择题答对1个得1分,绘制的示意图中画对1项( 位置、长度标注) 得1分。

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本文作者2016-5-15 10:13
BIM
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