基于BIM+VR的装配式建筑教学平台构建研究
王凯 蔡瑞 刘秋元 温锐锋 杨勇
摘 要：推动装配式建筑产业发展，实现建筑工厂化，是绿色建筑的发展趋势。专业人才的短缺与技术推广困难阻碍了产业发展。针对传统施工教学上的问题，文章提出构建一种新型的BIM+VR的装配式建筑教学平台。从工程管理教学过程出发，进行平台技术框架设计，并结合装配式建筑项目传统实现流程的比较分析，对于平台功能模块进行设计完善，进而指出装配式建筑教学平台的构建对于产业发展的意义与前景。
关键词：BIM（建筑信息模型）;VR（虚拟现实）;装配式建筑;教学平台
中图分类号：TP393 ? ? ? ? 文献标志码：A ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2019）12-0081-05
现阶段，我国城市化建设进程持续深入，研究显示，我国已建成建筑约400亿平方米，其中高耗能建筑比例占比95%（江亿，2011），并且此类形式的建筑数量还随着建设的深入而不断增加。占比如此高的耗能建筑形式不仅造成了明显的能源负担，还直接制约了国民经济增长，对生态环境造成了影响，降低了人与自然的和谐生活质量。基于此，建筑项目中愈发强调绿色理念，强调建筑的节能环保，而传统建筑业施工方式已不符合建筑業的现代发展需要。作为绿色建筑的典型代表，装配式建筑是指将建筑的构件、部品、材料在工厂中预制生产，在施工现场进行组建安装，最后通过浆锚或后浇混凝土连接成型的建筑产品。与传统的现浇施工作业相比，装配式建筑的施工形式具有了施工周期缩短、现场劳动量降低、施工质量提高、信息管理更加便捷等显著优点。推动装配式建筑产业发展，成为下一步建筑行业转型升级的重要路径。一、装配式产业发展现状
装配式建筑在欧美等发达国家出现较早，自上世纪70年代美国开始推广建筑配件化施工和机械化生产。而我国早在上世纪50年代即提出推动相关产业发展，但受限于有限的建筑能力以及薄弱的经济基础，产业的发展受到较大阻碍。2016年颁布的《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》明确要求，力争未来10年左右，在全国范围内使装配式建筑占新建建筑面积比例达到30%，其发展前景巨大。
近年来，国内各大城市均积极出台装配式建筑产业推进的政策与指导文件，更要求运用装配式建筑施工来完成居民保障房建设工作。装配式建筑在中国的持续发展离不开政策支持和市场导向，众多地产企业也逐渐自发参与到装配式建筑的产业探索之中。由此可见，国内装配式建筑的发展条件正在逐步完善与加强。
然而，国内装配式建筑产业发展目前存有两大问题：①专业人才的短缺。目前国内建筑业的人才培养与管理体系尚不适应装配式建筑发展需求。各大中专院校相关专业设置欠缺，缺乏培训技术工人的渠道。②技术推广难。行业技术壁垒导致进入门槛较高，直接阻碍各企业的转型进步与互动交流。就现状而言，新建建筑面积中装配式建筑只占5%。规模效应不足，使得造价成本相比传统方式较高，并且技术门槛高，规模扩大困难。现有针对装配式建筑的教学及施工培训中，存在成本高、难度大、可重复性与可操作性较差的问题，教学者存在指导不够直观、演示不清晰的问题，而教学对象在接受学习的过程中也会感到较为抽象，结合操作性不够的因素，在能力接受层面上显得较为困难。
由上可知，装配式建筑施工及其预制构件的安装，对于施工工艺、技术参数、材料组成与工程人员要求均较高，传统的教学模式实现成本高昂，既缺少可用于实践的建筑项目，在学习互动上也不够直观，难以传达知识信息给目标群体。通过新型技术应用，关注企业建设能力提升，相关专业人才的培育在整个建筑产业工业化体系中就尤其重要。针对上述问题，引入BIM+VR技术构建装配式建筑教学平台的意义愈发显著。一方面能快速培养具有实际操作能力的专业人才，另一方面基于BIM技术的优势与特点也能进一步达到节约成本的项目管理目标。二、BIM+VR的混合技术应用1.技术概况
随着计算机与信息技术的持续发展，建筑信息模型软件技术日趋成熟。作为建筑工程领域近年来火热的一项技术和研究热点，BIM（建筑信息模型）是以三维数字技术为基础，将建筑工程中各类相关信息数据进行集成搭建模型，是对工程信息的直观展示与详尽表达。其技术层面上具有模拟性、优化性、可视化、造价可控性、协调性、可出图性、造价精确性等七大特性。VR则是Virtual Reality的缩写，于20世纪80年代初被提出，译为虚拟现实，具体为通过计算机与先进传感技术结合应用所创造的一种新型人机交互形式。虚拟现实技术是目前各学科领域最具影响力的技术之一，在各领域中具有广泛应用前景。2.BIM+VR在建筑工程领域内的结合应用?
在新技术持续创新推进下，传统建筑业发生了颠覆性的变化。作为促进建筑行业发展创新的重要成果，BIM+VR技术的混合应用在建筑行业的进步及转型层面上带来巨大影响。由于工人技术原因，采用传统技术所建成的工地样板质量水平通常参差不齐，并且场地需求大，材料消耗较多，浪费明显，难以回收重复利用。而通过引入BIM+VR技术所构建的建筑模型，观测者不仅可以进入虚拟环境中，针对典型的作业流程、细节节点、施工工艺进行观察与学习，还能够在场地布置中以合理规划来提高设计质量，达到环保高效的预定目标。此外，在虚拟环境中对建筑所需的施工材料进行模拟，通过材质变更、光照差异模拟、内部生活设施布置等模块，其感受将更加直观。相比传统技术，新技术的应用更符合绿色建筑的要求，即可以循环利用，直接有效地避免材料、人力资源浪费，以及工人技术水平的差异所带来的施工样板标准化难题。
同时，BIM+VR技术的混合应用，将解决建筑行业当前的最大痛点，即“所见非所得”与“工程控制难”，其中的控制难点便在于整体规划、整合资源、抽象关联以及平台建设。通过BIM平台的系统化设计，将在加强项目管理能力的同时，进一步对建筑设计过程进行信息化与三维化。而VR的引入，在BIM三维模型基础上，将增强具象性与可视性，通过构建虚拟展示能够为用户提供户型设计与视觉直观展示。BIM+VR模式有望提供行业痛点的解决方案，并推动新业务形式的出现，大大提升BIM技术的应用效果与深度。
将上述技术引入装配式建筑产业，构建教学平台，将对相关建筑产业链的打造、人才培育、项目管理以及生产运营等方面均具有一定提升及改善。研究通过基于BIM+VR的装配式建筑教学平台的构建与设计，对相关产业体系进行补充与完善。三、BIM+VR装配式建筑平台的基本构架1.基本原理
BIM+VR的装配式建筑教学平台，其基本原理可以简单描述为将客户端电脑连接到平台，通过网络将客户端指令传到平台，经过平台服务器处理，将数据图化压缩后传回电脑客户端的过程。同时通过VR技术使用户在虚拟现实中了解装配式建筑的施工、设计原理等知识。同时用户可以通过VR技术在虚拟世界学习与装配式建筑相关的一些操作，比如塔吊操作、预制板的拼接等，平台基本原理如图1所示。
装配式建筑的显著特征便是工业化和标准化，对建筑产品的科学解构拆分将是工业化与标准化的先决条件。建筑的科学解构拆分，直接关系到建筑物的受力特点、结构安全性、使用便利性、成本合理性等各个层面，不同的拆分形式，其结果有着本质区别。预制构件的拆分通常会考虑五个因素：一是受力合理;二是制作、运输和吊装的要求;三是预制构件中配筋结构的要求;四是连接和安装施工的要求;五是构件标准化的要求，从而达到“少规格、多组合”的目的。
该平台将各类装配式建筑及其所含各类预制构件工程进行科学拆分，然后通过平台服务进行同属性分类并上传到云平台上，在平台上建立大量的“族”库，用户在连接到平台后，该平台可根据用户的要求通过数据网络将“族”输出到用户端上，如平台将建筑体或者预制构件输出到用户使用的VR设备上，用户可根据VR设备进行预制板的搭接、模型拆分等操作，其基本流程如图2所示。
基于BIM+VR的装配式建筑平台框由储存层、数据管理与应用服务层、用户端连接层构成，其基本功能实现如图3所示。
（1）储存层
在工程建筑项目的全生命周期进程之中，针对建筑信息的集成管理是所面临的首要问题。储存层即平台储存中最基础的部分，建筑的信息数据在此汇集、储存、调用，其为整个系统数据库的基础。构成储存的储存设备是NAS、iSCSI等IP储存设备。而引入云储存设备，将通过广域网、互联网或光纤网络通道进行联接，并且在各储存设备之中都会设计安装统一的储存设备管理系统，这样便可以实现储存设备之间的逻辑虚拟化管理与集中管理，以及硬件设备的状态监控与维护升级等功能。
（2）数据管理与应用服务层
数据管理层是基础建筑全生命周期的云储存最核心部分。数据信息系统是用于管理建筑生命周期分布数据的计算机信息系统，通过数据集成、系统集成来获取、储存、管理、计算、分析和显示实现与协调基于项目全生命周期之间的各个工作。用户注册平台账号后，通过网络进入该平台即可享受平台提供的服务，如数据共享、软件使用、工作流程管理、虚拟教学、数据储存等。
（3）用户端连接层
对于使用者来说，平台连接层是指用户访问平台的连接口，其访问设备可以是电脑、手机、平板等。用户利用终端设备连接到平台系统，可以实现各个项目参与方随时随地远程协同工作，通过VR设备可以实现虚拟学习与远程虚拟会议的召开。四、教学平台功能模块构建及功能实现
装配式建筑教学平台功能模块的设计可分为施工培训教学、深化教学两个模块。1.施工培训教学模块
施工培训教学模块主要针对施工人员，是能够快速帮助施工人员了解装配式建筑的一种教学模式。由于我国装配式建筑起步较晚，很多施工人员不熟悉具体施工模式，在接到装配式建筑的项目时不知如何入手，由于工期紧而没有大量时间去深度学习。施工培训教学模块由施工模拟、快速建模和自主拼装功能组成，其中有许多事先构建好的装配式建筑与预制板等模块，施工人员可以通过施工模拟功能，运用VR眼镜在虚拟世界全方位观看装配式建筑的整体施工流程。通过自主拼装功能，施工人员可以用VR设备在虚拟功能模块中，根据施工模擬中所学习到的施工流程进行预制板的搭接、塔吊的选择和施工人员的安排，从而了解装配式建筑预制板的搭接模式，如图4所示。
同时，施工员还可以将施工图纸导入到平台上，针对所承接项目，通过快速建模功能建立模型，在虚拟模式中模拟预制板的搭接与施工场地的布置。系统会自动给出相应判断与鉴别，从而锁定虚拟施工过程中存在的错误，并在其成为现实问题之前发现并反馈给施工人员，而其可以依据信息实际及时地排除，重复演示，这将极大地节省投资、减少资源浪费、节约建设成本。2.深化教学模块
深化教学模块指对装配式建筑教学深度进一步拓展的模块，该教学模块主要针对于在校学生、行业研究人员，他们大多具备充足的学习时间。该教学模块针对不同专业背景的人员，又可分为工程管理模块与建筑设计模块。
（1）工程管理教学模块
传统教学模式之中，往往只进行理论上的讲解，然而理论上的教学对于学习者而言过于抽象，其所能学习的知识与能力较为局限，效果不显著。而要想真正深入地了解整个施工过程，传统上又必须实际参与，才能达到能力接受的直观效果。由于学习场地、成本以及时间等因素，具备相关机会且学习时间的非常少。设计本教学模块，主要针对学习者无法进入施工现场而建立，通过该教学模块，学习者能够使用VR参与整个施工过程，从而达到了解和掌握工程管理的目的。该教学模块结合工程管理教学，主要由场地布置与施工进度管理两个功能构成。
①场地布置功能
现阶段的施工场地布置功能实现的软件有很多，比如斯维尔、广联达等BIM软件都有这个功能，但是其目前功能受到技术限制，均较为简单，比如斯维尔的施工场布软件只能在二维平面进行布置，这就造成了很大的局限性。比如其中构件的尺寸与现实构件的差异，以及其场地布置的合理性及规范性都难以精确地展示。
而BIM+VR混合技术平台的设计，是一个全新的虚拟三维教学平台，该平台中有许多真实的装配式建筑的施工场地案例（如图5所示）。在场地布置功能中，学习者可以使用VR设备在虚拟模块中学习，并模拟施工场地的布置，而其中的施工构件将按照现实中构件的尺寸整体缩小比例来布置。通过对比，其虚拟实现与现实吻合度将更高。同时，学习者还可以根据自己的知识学习程度来进行施工场地的布置与安排，如选用什么规格的塔吊、罐装车行驶路线的安排等，系统则会根据学习者布置的场地，评估给出相应的分数和策略建议。通过实践与理论相结合的方式，学习者将能够更快更高效地掌握专业知识。
②合理性检测功能
针对装配式建筑，其关键节点的设计和施工是显著的重点和难点。建筑中关键节点的施工质量将直接决定其安全性与保温性，如墙体与主体结构的结构连接方式，地坪层、板缝、屋面和口窗洞口各位置间的保温构造。施工中，如何选用板缝密封、外墙构造密封或口窗洞口的密封做法。装配式建筑在施工过程中，往往出现两块板之间所形成的板缝为正八字形，很容易发生脱落伤人等现象。而在传统的教学方式中，教学者很难将这些施工细节描述清楚，学习群体对其视觉现象也难以想象。
合理性检测功能的实现，是针对施工环节中对所存在的问题进行检测，并给出建议的一个功能，通过虚拟模块，学习者可以站在装配式建筑模型中的每一个点，对装配式建筑预制板搭接节点进行检测，如发现问题，学习团队可以进行研究与讨论，继而给出解决方案，系统会根据学习者给出的相应方案，进行建筑模型修改。然后，学习者可观看根据自己方案修改好的模型，然后再进行讨论与反馈。此外，在面对不了解或者难以想象的相关问题时，系统会根据学习者提出的问题进行符合条件的解答，通过虚拟演示，将进一步提高学习者的学习兴趣，并在装配式建筑管理过程中，有效提高学习者优化设计的能力。
（2）建筑设计模块
传统的教学内容通常都经过教师或教材的一定预先设计，并配备了内容详细的指导书，学习者往往只能在教师所规定设计的教学框架内完成实验，处于被动的状态，这将难以激发其创造性与学习兴趣。本研究所构建平台的教学模式是一种新型的教学模式，该模块由构件搭接、快速建模、评价功能与绿色分析功能组成，与快速教学模式不一样的是，该模式除了有许多建筑配式建筑模型以外，还有各类预制构件（如门、窗、板、楼梯）的族库。
学习者在构件搭接功能中，可以将模型进行拆分，了解其设计原理，同时还可以模拟各类预制构件的拼装，就像积木搭建一样将预先建立好的构件进行有规则有条件的搭接。学习者在这个过程中还可以将同类型的“族”进行对比与优化，如可以将装配式建筑模型中的一些预制构件给拆卸下来，更换上同类型不同材料的构件，然后通过属性对比来学习预制构件的设计原理。
快速建模功能是开放给学习者让其自己设计并建立模型的功能，操作者可以根据自己的想法进行预制构件的设计与建模，并可以设计与系统同类型不同属性的构件，还可以设计与系统构件同属性不同类别的构件，也可以根据自己的观念结合专业知识设计构件建立模型，然后可以将所建立构件组装在系统模型中。而通过评价功能，则会根据所建立构件的设计、功能、结构等属性给予相应的评价与建议，这样学习者便可以通过自己反复尝试与建立构件，而达到能力接受与知识掌握的目的。
绿色分析功能，是指对建筑物采光通风等分析的功能，传统软件如斯维尔、Ecotect等能效分析软件，其分析是通过二维平面进行的，无法直观地表达相应分析效果。而本平台绿色分析技術设计，将传统的绿色分析技术与BIM建模技术、VR虚拟现实技术相结合的一种新型技术，可以在虚拟功能中实现在建筑立面观看太阳光线、风力等气候条件的变化，通过显示参数与比对，从而能更完善地分析该建筑的采光性能与通风条件。五、结论
目前，基于BIM+VR的装配式建筑平台在建筑及其教学领域运用较少，主要受到了技术、教学观念、行业从业理念等因素限制，但在建筑信息化快速发展与技术普及之下，愈发受到社会及行业重视。本研究通过成熟软件的整合、平台应用的开发与模拟，期望基于BIM+VR混合技术的装配式建筑教学平台的运用能实现如下几个目标：教学成本的降低，人才培养的系统化，工程管理成本降低，以及后期运营中的便捷管理和效益改善。上述目标的实现，也体现出BIM+VR技术的应用价值与发展前景。后续将在平台功能模式上进一步改进，推动在企业中的施工培训平台的深入应用，创造更高的价值回报。
教学平台对于装配式建筑产业在我国的发展与推广，具有如下三点重要意义：1.推动装配式建筑产业信息化发展
国务院《关于促进建筑业持续健康发展的意见》及《关于大力发展装配式建筑的指导意见》明确指出，未来将大力推动装配式建筑产业发展，并持续地应用实施BIM信息化技术。建筑行业中各参与方面临新的挑战与要求，亟需升级转型。随着装配式建筑的产业推广与持续深化，行业中将需要建筑信息化与工业化方面的技术人才补充，数量缺口巨大。通过新型技术的混合应用，将为广大企业及院校如何培养合格的装配式建筑产业人才提供新的路径与参考。2.打造新型的教学模式
利用平台的信息化、大数据特性，充分发挥网络功能和个性化服务能力，打造一个学习与实践互动结合的教学模式，该服务平台主要利用学习者的专业理论知识与社会服务需求的有机结合，打造专业与实践相结合的锻炼平台，为学习者应用能力的培养、创新创业能力提升奠定良好的基础。同时，通过项目的构建、实施，为在校大学生提供一定的创业、就业渠道，在一定程度上减轻了大学生的就业压力。3.促进人才培养
建筑工程类应用型人才培养与生活、生产紧密结合，学习过程与虚拟现实技术相结合，让学习者带着兴趣接受專业知识，通过VR技术与BIM模型的结合运用，让学习者可以生动模拟装配建筑的整个生命周期全过程，易于理解，便于知识记忆，为学习者掌握知识、提高学习质量提供有效途径。参考文献：
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