摘要：文章提出了基于BIM與AR技術(shù)指導(dǎo)拱橋施工的流程方案，并以來賓西紅水河特大橋?yàn)橐劳泄こ踢M(jìn)行了應(yīng)用研究。實(shí)踐表明，結(jié)合BIM與AR技術(shù)的施工方法能有效提高施工質(zhì)量、降低錯(cuò)誤、縮短工期，為橋梁數(shù)字化施工提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：拱橋施工；BIM；AR；施工指導(dǎo)

中文分類號(hào)：U445.4A511692

0引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，橋梁工程在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜。為確保工程質(zhì)量、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高項(xiàng)目管理水平，亟須探索新的施工技術(shù)。建筑信息模型（BIM）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）的應(yīng)用為橋梁施工提供了新的可能性。邱貴聰?shù)龋?］闡述了BIM、VR、AR的融合為建筑行業(yè)帶來新機(jī)遇，使項(xiàng)目各方更直觀地理解設(shè)計(jì)意圖，并促進(jìn)現(xiàn)場施工指導(dǎo)和操作工藝的優(yōu)化。王廷魁等［2］分析了BIM與AR在施工指導(dǎo)中的優(yōu)勢，提出了一套施工指導(dǎo)方案，評(píng)估結(jié)果顯示，該方案比傳統(tǒng)圖紙指導(dǎo)更精確高效，減輕了任務(wù)負(fù)荷，提升了建筑行業(yè)生產(chǎn)效率。李鈺等［3-4］研究構(gòu)建了基于BIM的數(shù)據(jù)平臺(tái)，集成VR、AR等技術(shù)，用于地鐵施工安全管理，以提高地下交通網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

因此，有必要對(duì)BIM與AR指導(dǎo)施工流程的實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行研究。本文以來賓西紅水河特大橋?yàn)楸尘?，分析了BIM與AR技術(shù)在拱橋施工中的應(yīng)用，為橋梁數(shù)字化施工提供技術(shù)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(gè)包含了建筑項(xiàng)目所有相關(guān)信息的模型，包括幾何、物理、功能和性能信息。在建筑項(xiàng)目的各個(gè)階段，不同的參與方可以基于同一個(gè)模型協(xié)同工作，進(jìn)行各種類型和專業(yè)化的計(jì)算、分析和模擬。

1.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）是一種將虛擬與真實(shí)世界疊加呈現(xiàn)的技術(shù)。其利用多媒體、三維建模、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將計(jì)算機(jī)制作的圖文信息、三維模型等內(nèi)容呈現(xiàn)到真實(shí)世界中。這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬和真實(shí)信息的互補(bǔ)，從而使用戶可以在真實(shí)世界中感知和與虛擬信息進(jìn)行交互，對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行“增強(qiáng)”（圖1）。

2基于BIM與AR的施工指導(dǎo)

為提高項(xiàng)目現(xiàn)場人員看圖及溝通效率，將項(xiàng)目的復(fù)雜異型構(gòu)件的BIM模型與對(duì)應(yīng)的圖紙，通過Unity軟件進(jìn)行標(biāo)識(shí)關(guān)聯(lián)，通過手機(jī)、平板等移動(dòng)端掃描施工圖紙，即可查看圖紙對(duì)應(yīng)的三維BIM模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)交底，降低了溝通成本，提高施工效率。

2.1BIM與AR結(jié)合在施工指導(dǎo)中的應(yīng)用優(yōu)勢

在項(xiàng)目施工現(xiàn)場的一線人員，以往都是拿著紙質(zhì)版的施工圖紙，在施工現(xiàn)場管理指導(dǎo)施工，由于二維圖紙表達(dá)形式單一、內(nèi)容有限，復(fù)雜圖紙對(duì)各人理解程度可能會(huì)存在偏差，導(dǎo)致在加工安裝構(gòu)件或施工某個(gè)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)前，一線人員需額外花費(fèi)時(shí)間對(duì)圖紙進(jìn)行解讀，且還有信息錯(cuò)漏的風(fēng)險(xiǎn)。雖然可以通過手機(jī)查看BIM模型，但由于BIM模型通常以一個(gè)整體模型存放，手機(jī)也不便操作尋找具體節(jié)點(diǎn)構(gòu)件。而BIM+AR的應(yīng)用解決了這一痛點(diǎn)，當(dāng)遇到關(guān)鍵性控制節(jié)點(diǎn)或復(fù)雜節(jié)點(diǎn)時(shí)，手機(jī)掃描對(duì)應(yīng)的圖紙后，隨即出現(xiàn)相應(yīng)的BIM三維模型。BIM+AR的應(yīng)用提高了現(xiàn)場溝通效率，避免了信息錯(cuò)漏導(dǎo)致的質(zhì)量事故，也降低了施工安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

2.2BIM與AR在拱橋施工中的應(yīng)用方案

通過利用BIM+AR技術(shù)，在大橋的拱腳預(yù)埋段、拱肋標(biāo)準(zhǔn)段、格子梁、法蘭盤等復(fù)雜部位進(jìn)行應(yīng)用，指導(dǎo)現(xiàn)場工人進(jìn)行拱肋的拱腳節(jié)段預(yù)埋安裝和焊接、拱肋端部法蘭盤及格子梁標(biāo)準(zhǔn)段的地面焊接，能夠有效加快施工進(jìn)度，節(jié)省時(shí)間成本。

2.3基于BIM與AR的施工指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)流程

基于BIM與AR的施工指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)流程主要分為AR場景制作軟件準(zhǔn)備、基于Unity的軟件開發(fā)工具及BIM模型準(zhǔn)備、AR制作流程實(shí)現(xiàn)和指導(dǎo)應(yīng)用4個(gè)步驟，如下頁圖2所示。

2.3.1AR場景制作軟件準(zhǔn)備

本研究采用的是Unity制作的AR場景。Unity是一款強(qiáng)大的游戲引擎，能夠制作各種類型的2D、3D內(nèi)容。其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋游戲開發(fā)、美術(shù)設(shè)計(jì)、建筑模型制作、汽車設(shè)計(jì)和影視制作等領(lǐng)域。

2.3.2基于Unity的軟件開發(fā)工具

Vuforia是一種先進(jìn)的實(shí)時(shí)場景識(shí)別和跟蹤技術(shù)，廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）領(lǐng)域。Vuforia是由Parametric Technology Corporation公司開發(fā)和推出的軟件開發(fā)工具包（SDK），為Unity平臺(tái)提供了AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的解決方案。通過使用Vuforia可以識(shí)別和捕捉二維圖像或三維物體，開發(fā)者可以通過選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⑵浞胖迷谧R(shí)別位置上，以實(shí)現(xiàn)各種不同的AR和VR體驗(yàn)。

2.3.3BIM模型準(zhǔn)備

根據(jù)施工流程以及施工方案，需要對(duì)全橋BIM模型進(jìn)行拆分成施工指導(dǎo)所需的節(jié)點(diǎn)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(shí)別Revit模型，所以需要將拆分好的模型轉(zhuǎn)換成FBX格式再進(jìn)行下一步的AR場景制作。

2.3.4AR制作流程

導(dǎo)入模型和圖像識(shí)別：將模型與圖紙導(dǎo)入到Unity項(xiàng)目中。這些圖像目標(biāo)是Vuforia用來識(shí)別和跟蹤現(xiàn)實(shí)世界物體的關(guān)鍵。

設(shè)置相機(jī)和AR場景：在Unity場景中，將Vuforia AR相機(jī)添加到場景中，然后將目標(biāo)圖像添加到場景中，并設(shè)置其位置和縮放，以與現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際物體對(duì)應(yīng)。

技術(shù)原理：將BIM模型與其對(duì)于圖紙進(jìn)行關(guān)聯(lián)標(biāo)識(shí)，通過設(shè)備攝像頭掃描圖紙即可出現(xiàn)BIM模型，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。

（1）在Vuforia開發(fā)平臺(tái)創(chuàng)建項(xiàng)目，將圖紙上傳。

（2）在Vuforia平臺(tái)下載轉(zhuǎn)換好的圖紙包。

（3）導(dǎo)入模型和識(shí)別：在Unity軟件內(nèi)創(chuàng)建項(xiàng)目，并且導(dǎo)入圖紙包及BIM模型，圖紙是Vuforia用來識(shí)別和跟蹤現(xiàn)實(shí)世界物體的關(guān)鍵。

（4）設(shè)置相機(jī)和AR場景：在Unity場景中，將Vuforia AR相機(jī)添加到場景中。然后將圖紙?zhí)砑拥綀鼍爸校⒃O(shè)置其位置和縮放，與BIM模型進(jìn)行綁定關(guān)聯(lián)，設(shè)置鏡頭和角度，創(chuàng)建場景。

（5）導(dǎo)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(xiàng)目中的控制性工程，其橋梁結(jié)構(gòu)類型為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+中承式鋼管混凝土拱橋。

大橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷凉皹?，橋梁跨徑?40 m，主梁采用格構(gòu)式鋼混組合結(jié)構(gòu)，引橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)T梁橋。

由于本研究的項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)占比較大，而鋼結(jié)構(gòu)的精度和質(zhì)量是項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵，所以AR應(yīng)用大多數(shù)在大橋鋼結(jié)構(gòu)的加工及安裝上進(jìn)行，以下根據(jù)項(xiàng)目所應(yīng)用的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行案例分析。

拱腳預(yù)埋段：拱腳預(yù)埋段分為兩個(gè)部分，一是預(yù)埋段，二是拱肋節(jié)段。在鋼結(jié)構(gòu)加工廠對(duì)預(yù)埋段和拱肋節(jié)段分別進(jìn)行加工焊接，再運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行安裝；在焊接加工前，對(duì)預(yù)埋段的加勁肋板和封底鋼板組成的法蘭盤，進(jìn)行一次AR應(yīng)用，確保加勁肋版的數(shù)量及焊接位置正確，在焊接加工完成后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場；進(jìn)行安裝前，對(duì)預(yù)埋段與拱肋節(jié)段進(jìn)行一次AR應(yīng)用，確保安裝位置的精確。見后頁圖3（a）。

拱肋節(jié)段：拱肋根據(jù)大橋的跨徑分為數(shù)個(gè)節(jié)段，通過拼裝數(shù)個(gè)節(jié)段最后形成完整的拱肋，而每個(gè)拱肋節(jié)段的尺寸和弦桿數(shù)量不一致，所以需要核對(duì)好每一節(jié)段的尺寸及弦桿數(shù)量再進(jìn)行焊接拼裝。在每個(gè)拱肋節(jié)段進(jìn)行焊接拼裝前，對(duì)其進(jìn)行AR應(yīng)用，確保其成品尺寸和弦桿數(shù)量正確，在吊裝前進(jìn)行一次AR應(yīng)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(jié)段中的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)，是拱肋節(jié)段之間拼接時(shí)起到固定作用的。法蘭盤是由數(shù)個(gè)肋板及鋼板底座焊接組成的，在焊接前應(yīng)用AR確保焊接位置和數(shù)量，組成法蘭盤后，再把法蘭盤焊接在拱肋節(jié)段的每根主弦桿端部，在兩個(gè)拱肋節(jié)段拼裝時(shí)，把兩個(gè)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(jié)構(gòu)，是由數(shù)片鋼板焊接成數(shù)個(gè)型號(hào)的鋼梁，再由數(shù)根型號(hào)的鋼梁拼接成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)格子梁節(jié)段，橋面是由數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)格子梁節(jié)段拼接而成的。在焊接各型號(hào)的鋼梁之前，用AR應(yīng)用確保其數(shù)量和尺寸，焊接完成后再應(yīng)用AR進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)格子梁節(jié)段的拼裝。見圖3（d）。

4應(yīng)用結(jié)果分析

4.1應(yīng)用結(jié)果

以來賓西紅水河特大橋?yàn)榘咐治鯞IM與AR技術(shù)在拱橋施工中的應(yīng)用效果。通過實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)場施工質(zhì)量得到提高，錯(cuò)誤和事故風(fēng)險(xiǎn)降低，工期縮短。與傳統(tǒng)施工方法相比，BIM與AR技術(shù)的結(jié)合為橋梁施工提供了更為精確和高效的指導(dǎo)，有助于提高施工質(zhì)量，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，縮短工期。

4.2分析討論

近年來，在建筑行業(yè)里BIM+AR的應(yīng)用取得了不錯(cuò)的成效，本文對(duì)房建與路橋兩大類進(jìn)行分析比對(duì)，房建類施工的特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化固定式的，在BIM+AR的應(yīng)用點(diǎn)也相對(duì)比較固定和成熟，而路橋類施工的特點(diǎn)是多樣性流線型的，在BIM+AR的應(yīng)用點(diǎn)上，更多會(huì)根據(jù)其項(xiàng)目特性以及關(guān)鍵控制性工程中選擇性的應(yīng)用，所以BIM+AR在路橋類項(xiàng)目施工中應(yīng)用，具有實(shí)用性，同時(shí)也具有一定的創(chuàng)新性。

5結(jié)語

本文研究了基于BIM與AR技術(shù)在拱橋施工中的應(yīng)用及其優(yōu)勢。通過構(gòu)建項(xiàng)目的BIM模型，并與施工圖紙進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬的融合，為現(xiàn)場施工提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。實(shí)踐表明，該方法有效提高了施工質(zhì)量，降低了錯(cuò)誤和事故風(fēng)險(xiǎn)，縮短了工期。本文旨在為橋梁的數(shù)字化施工提供新的技術(shù)支持，拓展BIM與AR技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用前景。

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作者簡介：朱繼財(cái)（1984—），工程師，主要從事橋梁工程施工研究工作。