张 凡 郭志光 敖长江 吕柏行 赵韦皓
(中国建筑土木建设有限公司，北京 100073)
在施工单位主导的BIM技术应用过程中， BIM技术辅助现场的施工技术交底，成功实现了对技术交底内容的可视化展示、4D动态化模拟、5D成本精细化管控以及信息快速传递可追溯，极大地提高了交底效率[1]。
在此背景下，张少朋[2]等提出BIM技术辅助铁路桥梁专业技术交底，相比传统“平面+文字”方式交底效率明显提升，减少了施工偏差；
梁华站[3]等以海口美兰国际机场为例，研究了在机场施工中BIM助力施工对象特点、位置、数量、施工做法和质量控制标准等交底工作，实现隔震支座安装全部合格；
王栋[4]等提出BIM技术在电气工程中可有效控制施工进度，提高设备安全、电缆桥架敷设等的方案交底工作效率。
现阶段，BIM技术在施工单位中的应用率达到了近70%，BIM技术辅助施工技术交底也得到了普遍的推广应用。但在一定程度上，基于BIM技术的施工技术交底的实现对软件和硬件要求较高，现场技术人员需要用到建模软件(Revit、Tekla、Bentley、达索等)、施工模拟(Fuzor、Navisworks等)、后期软件(3Dmax、Lumion、BIMFILM等)、平台软件(广联达、鲁班、自主研发平台等)等多款软件进行协同，同时需要采购性能高端的图形工作站。
随着BIM软件逐渐国产化，国内专家学者研发了大量适合于自身BIM应用的插件、独立软件和平台，大量学者开始了BIM轻量化的研究工作。马金忠[5]等在云计算技术发展的背景下，提出一种基于云渲染的B/S架构BIM轻量化及应用框架，实现在手机等移动端中快速渲染和查看BIM模型；
赵菲[6]通过Revit的二次开发，基于JSON中间格式文件，最后通过WebGL技术进行重构和渲染，实现了BIM模型轻量化；
张卫强[7]等提出一种基于微信小程序的BIM轻量化模型浏览系统。
在以施工单位为主导的实施模式下，业主、监理单位和分包单位等相关方往往不会采购图形工作站和软件，也不会配置专业的BIM人才，极易出现施工单位建立的BIM模型传递效果差、BIM辅助技术交底困难等问题。因此，在施工项目交底的过程中需将BIM模型进行轻量化，减少对软硬件的依赖性，使工程相关方在普通的手机、平板或办公电脑中即可快速流畅地浏览BIM模型。本文将详细介绍十三种基于轻量化BIM技术的施工技术交底方法，并从信息完整性、数据轻量化、软件功能性、操作复杂性和实施经济性多个维度对BIM技术辅助技术交底优化程度进行评价和优劣势对比，从而引导施工项目在技术交底中选择契合项目工程特点的轻量化BIM技术。
利用轻量化BIM技术进行施工技术交底的关键是对施工方案中的施工工法、施工工艺流程、细部节点做法、安全控制要点及质量控制要点等管理要求进行可视化的表达，同时亦可进行4D动态化模拟、5D成本精细化管控，其最终成果主要为模型、图片、视频、文档和网页等格式文件。而轻量化BIM技术的主要技术要点是减少BIM模型源文件的体量(包含点、线、面等数量)，使轻量化BIM成果可快速可靠传输到接收端，并完成渲染及可视化展示。目前，在施工单位应用的基于轻量化BIM技术的施工技术交底方式主要包含三维模型浏览、仿真动画模拟、二维BIM施工图、工艺节点细节图、虚拟样板间、VR虚拟现实、AR、MR、“一码双显”物联网技术、EXE模型封装、带模型文档、网页链接及平台浏览等，各个方式在信息完整性、数据轻量化、软件功能性、操作复杂性和实施经济性等多个维度均有优劣，需要在工程实际应用中选择最合适的方式。下面介绍常用的十三种基于轻量化BIM技术的施工技术交底方法。
(1)第一视角三维模型浏览
在项目精细化BIM模型创建完成后，将BIM模型传递给需要接底的工程师或班组，由其操作个人PC终端进行第一视角的三维模型浏览，如图1所示为某跨江特大桥三维模型。通过点击模型任意构件，即可查看项目施工模型中的施工工期、施工作业队伍、材料材质和工程量等全方位信息。在项目的生产例会、安全例会、技术交底会、方案评审会、监理例会中，也可利用会议大屏进行模型三维浏览与展示，向监理方、作业班组、技术人员和评审专家等人进行交底与项目信息传递。
(2)仿真动画模拟
基于BIM的模拟性特点，由项目BIM工程师或技术人员应用BIM后期动画软件(如3Dmax、Lumion、C4D等)或施工模拟软件(如Navisworks、Fuzor、BIMFILM等)制作方案的仿真模拟动画，其形式主要包含场景漫游视频、施工流程动画、工艺要点讲解动画、设备安拆动画和真三维地形模拟动画等，并在视频中添加技术、质量和安全等控制要点的图纸、文字标注内容，最终以视频播放的形式进行交底，如图2所示为某隧道弧形导坑法施工动画模拟。
图1 第一视角三维模型浏览
图2 仿真动画模拟
(3)二维BIM施工图
通过BIM软件正向设计建筑物或对建筑施工图纸进行翻模，将建筑、结构、给排水、暖通和电气等专业进行整合、优化排布，继而辅助施工现场预留管道洞口，提前进行施工组织设计与方案模拟。最后按照施工出图标准，将消除碰撞、预留空间与洞口、优化排布完成的模型进行出图。将3D模型与平面图纸对应，建立平立剖等平面视图，辅以三维节点详图、工程量数量表等进行细部信息表达，最终打印出二维BIM施工图，进行交底指导现场施工，如图3所示为某隧道管线二维BIM施工图。
(4)工艺节点细节图
利用BIM模型可生产高清渲染图、结构图、节点图、做法层次图和构件爆炸图等工艺节点细节图，以真实的材质、精算的工程量和空间的三维分层等可视化表现方式进行节点细节的深度表达，如图4所示为某项目试验室墙体工艺节点细节图。
图3 二维BIM施工图
图4 工艺节点细节图
(5)虚拟样板间
利用BIM软件建设虚拟样板间，可充分展示实体建造细节，模拟施工生产过程和工序，工人在手机中即可轻量化查看。同时，可有效节省实体样板占用施工场地，降低工程临建成本，如图5所示为某隧道拱架虚拟样板。
图5 虚拟样板间
(6)VR虚拟现实
基于BIM的VR虚拟现实囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，提供计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感[8]。VR具有沉浸模拟性、感知互动性和自主构想性等多种特征，可模拟碰撞打击、触电和火灾等安全体验，亦可身临其境的查询施工完成后工程结构的尺寸、位置、工艺工法和材质等信息，使施工现场安全与技术交底更加真实高效，如图6所示为某项目员工进行VR虚拟现实体验。
图6 VR虚拟现实
(7)AR增强现实
通过将真实世界信息与虚拟的BIM模型信息进行无缝集成，并将叠加的虚拟和现实信息在同一个画面以及空间中同时存在，通过手机、平板等终端，轻量化地实现超越现实的感官体验。在现场交底过程中，利用WebAR或微信小程序扫描二维码交底卡，即可实现BIM模型与现场环境的叠加浏览。也可按1∶1比例放大模型，在现场中实地放置虚拟模型来模拟建成后的直观场景，并将实景场地与虚拟模型的坐标完全对应，实现虚拟增强现实，如图7所示为某项目立柱模板AR增强现实模拟。
图7 AR增强现实
(8)MR混合现实
在施工应用中，通过穿戴式头盔、眼镜等设备，MR可将施工人员融入一个集成BIM模型和现实环境的更真实的场景中，并可实现实时互动、信息远程共享和协同工作，如图8所示为现场人员操作MR混合现实头盔。
图8 MR混合现实
(9)“一码双显”物联网技术
通过开放式二维码平台，将文本、网址、文件、图片、音视频、模型等文件生成可解译的二维码，可展示和记录施工现场的图纸信息和过程管理信息。施工人员在低端移动端设备通过扫描二维码，可轻松的进行解译和查看，实现施工技术交底的轻量化和快捷化，如图9所示。
图9 “一码双显”物联网技术
(10)EXE模型封装
通过Enscape、Fuzor、Walk Through-3D等BIM插件，可将施工方案中的模型场景一键导出为*.exe格式可执行文件，并可以有效保存模型文件的材质信息。接底人在自己的电脑中无需安装BIM软件，即可打开*.exe模型封装文件(如图10所示)，同时可进行模型三维可视化浏览和漫游查看，可视化效果较好。
图10 EXE模型封装
(11)带模型文档
将需要交底的BIM模型导出为FBX格式，在Office365或Office2019软件中通过“插入-3D模型”命令将FBX模型导入Word、Excel或PPT中。或通过MicroStation、Inventor软件建立BIM构件或场景模型，通过打印图纸命令生成带模型的PDF文档。当需要进行交底时，在带模型文档添加工序和工艺文字说明，接底人在无需安装大型BIM软件的情况下，即可查看带模型文档，文档中的模型可互动浏览和信息查看，降低了BIM技术的使用门槛，如图11所示为PPT中插入3D模型的带模型文档。
图11 带模型文档
(12)网页链接
利用Autodesk Drive等轻量化网页Web端，将BIM模型上传至云端服务器，分享生成轻量化的网址链接并发送给接底人。接底人无需打开平台和软件，在手机或电脑中点击接收到的网址链接，即可在浏览器中进行模型的旋转、信息查看、视角转换、立面剖切和零件分解等操作，轻量化地将信息传递接底人，如图12所示为网页链接直接浏览某桥隧模型。
图12 网页链接
(13)平台浏览
基于自主研发或第三方的平台，接底人将方案、交底、模型等数据上传至平台数据库，在Web网页端、PC端和手机APP端进行轻量化的浏览和查看，线上的数据可临时缓存到本地浏览端，从而提高信息查阅的速度。
图13 平台浏览
在利用轻量化BIM技术进行施工技术交底的过程中，方法的选择对于交底人的交底效率和接底人的解译程度有较大的影响。因此，项目管理人员在软硬件配置、人员水平、管理需求和实施成本等多种角度考量下，选择最恰当的交底方法显得尤为重要。本文选择模糊综合评价法对基于轻量化BIM技术的施工技术交底的多种方法进行评价，通过现场调研和文献检索，整理的主要评价指标层次及解释如表1所示。
表1 模糊综合评价法指标层次及解释表
由于识别出的因素具有较高的逻辑性和关联性，通过单个指标往往不能判断交底方法的好坏，因此需要通过定性和定量的方法进行结合，对交底方法的一、二级指标的应用效果进行量化表达。首先，对行业内施工单位、软件厂商、高校、建设单位和分包单位的专家进行调研，对一、二级指标的权重进行多轮打分，直至形成统一的指标权重值，如表1所示。
其次，邀请专家对于各个方法在二级指标的应用效果进行打分，并将专家对影响因素打分的“好”、“较好”等模糊评价值转义为模糊数学中的三角模糊数M=M(l，m，u)[9]，并通过面积法(公式1-1)将评价意见去模糊化，得到清晰的评价数值S(M)(如表2所示)。经过多轮专家打分，最终得到专家对于13种方法统一的评价值Sθi(如表3所示)，F1～F13分别代表第二章13种基于轻量化BIM技术的施工技术交底方法。
表2 专家模糊评价打分表
(1-1)
表3 去模糊的评价数值
表4 应用效果相对值Z
再者，通过公式1-2求得各个方法在信息完整性、数据轻量化、软件功能性、操作复杂性或实施经济性5种特性的应用效果相对值Z。当评价F1方法信息完整性时，θ取A，i取1～4，评价该方法的其他4种特性类似处理。当评价F1方法在信息完整性、数据轻量化、软件功能性等5种特性的整体综合效果时，θ取A～D，i取对应的1～4。其他轻量化交底方法类似处理，计算得到所有方法在某种特性或5种特性整体的应用效果相对值Z，如表4所示。
(1-2)
最终，生成13种轻量化方法的应用效果相对值雷达分析图(如图14所示)，综合考评13种基于轻量化BIM技术的施工技术交底方法在信息完整性、数据轻量化、软件功能性等5种单独特性和整体特性的应用效果。
图14 不同方法应用效果雷达图
根据不同方法应用效果雷达图进行分析，在信息完整性方面，使用三维BIM模型可以最大限度地保留模型材质、坐标和尺寸等信息，VR、AR和MR等方式亦能实现信息的保留；
在数据轻量化方面，工艺节点细节图、二维BIM施工图和网页链接均能有效地降低中间文件大小和成果文件存储空间，同时减少冗余信息数据；
在软件功能性方面，平台浏览、AR增强现实和网页链接能较好地实现成果的互动性，并可实现模型的可量测、剖切和显隐操作；
在操作复杂性方面，带模型文档和EXE模型封装可降低交底过程的复杂性，所用的软件较少，并可实现快速打开和展示成果；
在实施经济性方面，网页链接、带模型文档和“一码双显”可以减少交底实施过程所使用软硬件、人员管理费用成本；
综合以上5种特性，EXE模型封装、网页链接、AR增强现实三种方法综合应用效果最好，可以有效提高BIM技术操作的简便性，以较好的表达效果实现施工技术交底，实施成本较低且信息较为完善。
目前，国内施工项目规模不断扩大，BIM技术亦如火如荼地发展，大体量的BIM模型对软件和硬件提出了更高的挑战。在实际应用中，应根据施工技术交底的实际需要，从不同的维度选择合适的施工技术交底方法，使用轻量化的BIM技术来更好地辅助施工技术交底，从而提升项目管理沟通交流的效率。
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