基于BIM与VR技术的地铁施工安全教育和场布漫游服务系统设计.docx

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1、随着信息技术的不断发展，建筑行业的信息化发展进程也不断被向前推动。BIM技术越来越多地被应用于解决施工现场中的各种问题，其中利用BIM技术解决施工中的安全问题是BIM技术常见的应用场景。地铁施工是一个复杂的危险性高的施工过程，影响其施工安全的因素有很多，其中对人员的安全教育不规范、人员的安全意识不到位是导致地铁施工事故的重要原因之一。因此，提高地铁施工人员的安全意识和知识水平是减少地铁施工危险发生的重要手段。为了提高各行业的安全管理效果，越来越多的学者开始提倡通过新技术的应用来提高安全教育的效果。王军等将VR技术应用到实验室安全事故应急处理过程中，通过对现场事故的可视化重建，提高了实验室安全监

2、控和管理力量。张泾杰等为了提高施工工人的安全感知能力，以BIM模型为基础，提出了一套提升工人感知危险能力的训练系统，得到了较好的效果。从上述研究表明，利用信息技术解决安全教育问题是可行的。但目前针对地铁施工的安全教育问题的研究还很少。为提高地铁施工安全教育的效果，本文提出综合利用VR技术和BIM技术的安全教育平台实现施工场地的虚拟现实漫游功能。1、系统架构设计基于BIM和VR地铁施工安全教育与场布漫游服务系统，由数据层、平台层与交互层组成。该系统的架构如图1所示。图1基于BIM和VR的地铁施工安全教育与场布漫游服务系统设计架构1.1 数据层数据层由BIM数据库和安全知识数据库组成，其中BIM数

3、据库包括临时设施模型、地铁隧道模型、施工机械模型、施工场布模型等BIM模型；安全知识数据库包含常见的危险场景、安全规范、正确的操作方法和应急处理方案等内容。BIM数据库中的BIM模型用于制作虚拟现实的场景展现，安全知识数据库用于与虚拟现实场景结合向平台使用人员显示正确的指示。1.2 平台层根据安全知识数据库中常见的危险场景，组织BIM数据库中的BIM模型，将其转化为虚拟现实场景。场景中包含错误行为导致的危险后果,用以直观地加深体验人员对危险后果的印象；也包含相应情景的正确操作规范和行为，直观地向体验人员显示正确的操作指示和引导，从两方面给与体验人员全面的操作指导。1.3 交互层交互层包含PC端

4、和可穿戴式的VR交互设备。其主要作用是给予体验人员进行沉浸式学习和体验的平台。体验者可通过交互层的设备实现对危险情况和现场的可视化体验，包括地铁施工安全教育和施工现场漫游展示功能，在体验过程中给体验人员正确的指导。2、系统的构建2.1 建立施工安全和场布规划数据库通过现场采集照片和场布图纸等资料，将场地布置规划信息加载到规划数据库中。搜集地铁施工过程中常见的危险施工过程，总结经常发生事故的操作环节及过程。一方面对这些常见事故过程进行详细描述，为场景搭建提供依据；另一方面，根据每一种常见的危险操作，从相关操作规程中找到正确的操作规程。将对应的操作环节及过程与正确操作流程相关联，为正确的操作提示提

5、供依据。2.2 施工真实场景搭建根据场布规划数据库中的信息建立BIM场地布置信息模型。一方面对临时设施和机械设备建立对应的族库模型。将场地布置规划呈现在BIM模型中；另一方面根据施工安全知识库内常见的地铁危险施工过程，利用BIM模型搭建相应的场景。这些场景使用的族库可共享场地布置BIM信息模型中的族库，以提高场景搭建的速度。2.3 虚拟现实体验设计应用BIM-VR转化软件，将建筑信息模型转化成VR模型。一方面使用该转化软件对利用BIM模型搭建的危险场景进行VR文件的转换，针对不同人员的角色和工作岗位进行施工安全体验设计；另一方面使用该转化软件对利用BIM模型搭建的现场场布模型进行VR文件转换。

6、体验人员可使用可穿戴的VR交互设备沉浸式体验危险情况的操作及对施工现场的熟悉和探查。2.4 安全理论指导说明根据虚拟现实模拟的危险场景智能虽能从反面教育体验人员错误操作的后果，但不能给予体验人员正确的操作引导，故需辅助以正确的安全理论指导。指导的体现方式包括文字指示、图片指示和具体VR操作指示。3、系统的实现与应用3.1 工程概况广州地铁18号线贯穿广州市天河区、珠海区、番禺区和南沙区，全长62.7km设站点9座，其中换乘站8座，平均站间距7.6kmo沿线穿越水塘、苗圃地、高架桥、道路、居民住宅等。由于该线路为长线工程，故在多个位置设置施工场地。不同位置的施工场地根据施工内容设置不同布局的场地

7、。以某一施工分部的场地为例，介绍基于BIM与VR的平台的设计流程。3.2 建立施工安全和场布规划数据库3.2.1 确定常见危险源该部分地铁车站采用明挖法施工，地铁基坑深达30m,故基坑的坍塌与高空坠落是重要的危险源。本地铁隧道采用盾构法施工，隧道内的机械伤害是重要的危险源，隧道突泥突水也是重要的危险。除地铁施工特有的伤害，还有所有施工过程中常见的触电、火灾、机械伤害等伤害也是危险源。3.2.2 确定针对危险源的正确操作指导针对以上确定的危险源，通过查找相关操作规范等文件找到正确的操作和行为做法，以及发生危险时的应急处理办法。根据不同的体验角色，针对性地找出具体的操作和做法。3.3 BIM建立数

8、据库(1)采用AutodeskRevit建立BIM模型，需先建立施工现场场地布置的BIM模型，建立模型的依据主要是施工场地布置图和现场照片。以场地布置图纸为基础，结合现场照片搭建与现场布局高度一致的场地布置BIM模型，如图2所示。(b)(a)图2施工现场场布建模过程(a)场地布置；(b)现场实际情况；(c)场布BIM模型(2)根据危险场景确定需使用的BIM模型。表1为不同危险场景所需的部分模型。其中很多模型以族的形式建立，可直接使用，避免重复建模工作，提高场景建立的效率。表1不同危险场景所需要的部分模型危险场景涉及的BIM模型部分模型展示3.4 虚拟现实场景展示3.4.1 BIM向VR场景转换

9、的方法在进行虚拟现实场景搭建前，需先对在AutodeskReVit软件中建立的模型进行处理。将Revit中的rvt格式文件进行格式转化导入Autodesk3DsMAX软件中，对模型进行优化，以减小模型的体量，提高场景模型的质量。完成上述步骤后，将上述模型导入虚拟现实编辑器中。使B1M模型转化成能以VR形式展示的模型。3.4.2 场地布置漫游场地布置模型在转化成VR模型前，可直接在PC端进行漫游展示（图3）。帮助施工人员快速了解施工场地布置；通过将BIM数据库中的现场场布模型进行向VR转化处理后，形成虚拟现实场景下的场地布置漫游模型，场景布置转化成VR场景后，可通过VR设备沉浸式地查看场地布置。

10、3.4.3 图3PC端现场场布漫游展示3.4.4 危险情景根据不同的危险场景组织不同的BIM模型族库，搭建针对不同危险种类的BIM模型危险场景，再将这些危险场景按上述方法进行转换。转换完成后，在场景的基础上添加动画和文字提示内容，使危险场景更加逼真，安全教育效果更加显著。以地铁深基坑坍塌为例，先明确基坑危险场景涉及的BIM模型包括门式起重机、地铁深基坑2种主要模型，然后按由BIM向VR场景转换的方法将BIM模型转化成虚拟现实场景。在该场景的基础上增加基坑壁坍塌的过程动画。将BIM数据库中的BIM模型转化为虚拟现实场景处后，还需根据安全知识数据库中的正确指导和应急处理办法设置文字提示，以实现进行

11、正面安全教育的目的。3.4.5 场景体验通过PC端直接在屏幕上进行展示的体验效果差；而通过可穿戴的VR交互设备沉浸式地体验危险场景，体验者可根据需要自由调整视角。还可根据场景内的提示完成各种操作。在操作过程中配有正确操作的提示，若操作错误场景中会呈现操作错误发生危险的场景，直观展现错误操作的后果，从反面提高体验人员正确操作意识，同时还会显示应急处理的方法，给体验人员正确的应急处理教育。4、结束语提出的基于BIM和VR的安全教育和场布漫游平台设计方案，综合利用B1M和VR技术，针对地铁施工过程中常见的危险种类搭建虚拟现实体验场景，可沉浸式地展示现场布置的漫游场景。该系统方案可实现BIM现场布置模型向VR场景的转化,既能丰富BIM模型的应用场景，又能提高VR场景搭建的速度，大幅提高现场施工人员熟悉施工场地布置的速度；针对不同危险场景搭建虚拟现实场景，不仅能提高受教育人员的兴趣，且能实现良好的可交互性。在展示形式方面，不仅有正确的操作指示，还有错误操作的后果，可加深印象，引起受教育者的重视。该系统平台方案将场布漫游功能和安全教育功能相结合，丰富了平台的应用场景，达到了多功能统一的目的。