文章来源：桥梁杂志

    随着无人机、自主式机器人、数字成像和激光雷达等技术的发展，数据的收集变得越来越容易，对信息进行汇总、分析、可视化、传递及交互，对于土木工程专业的工程师而言至关重要。这就好比计算机辅助设计取代了计算尺、人工计算、直角尺和铅笔，计算机分析和建筑信息模型（BIM）又进一步补充了这种设计方法。

    数字可视化技术有望改变基础设施工程领域，而这种改变包括在设计、施工和运营的每个阶段整合虚拟现实和增强现实，以及常规设计流程的自动化操作。这些变化将解放工程师，让他们更专注于解决问题，专注于更具创造性、更有弹性、更符合可持续发展原则的设计。

    创建沉浸式的BIM设计室

    虚拟现实和增强现实的概念，最初是由视频游戏系统普及而来的，它们为观众创造了能够在沉浸式数字环境中探索的体验。通常情况下，人们会通过特制的护目镜或在定制房间的大屏幕上，观看这些精心设计的、逼真的，但尚未构建的三维元素图像。而增强现实将这些虚拟图像与现实世界的图像结合起来，显示出未来与现有元素重叠的图像。

    加拿大滑铁卢大学可持续基础设施建设和管理研究中心主席CarlHaas教授认为，在土木工程项目中使用虚拟和增强可视化“完全是一种思考模式的转变”。在项目开始前，利用虚拟现实和增强现实对项目进行可视化，使设计方与公众、业主及施工方、资产管理团队的沟通变得更加容易。Haas教授还表示：“以往在有二维图纸的情况下，工程师需要通过技巧和经验才能从平面图和立面图二者的组合中，抽象理解出想要建造的结构，这真的是一件很难的事。”不过，现在借助这些新兴的可视化技术，可以帮助非工程师人士准确地理解设计方案，这变得不再是一件难事。

    美国卡内基梅隆大学工程学院、土木与环境工程系副主任BurcuAkinci博士对此表示赞同，他指出，良好的可视化可以使设计团队对大型复杂的项目，进行有效的概念化并更好地管理项目。“只有知道自己所处的位置，了解正在发生的事情，才能做出最有效的决策。对于工程师来说，对将要建造的结构进行良好的可视化是至关重要的一步，因为他们不仅需要了解设计意图和施工过程，还需要掌握现有的情况。”Akinci博士说。

    尽管学者们正在对可视化领域进行突破性研究，数字革命对工程公司的影响已显而易见。从沉浸式的BIM环境，到在复杂设计中使用虚拟现实和增强现实技术，工程师们已经开始接受这些创新了。

    “沉浸式可视化技术可应用于任何工程领域，特别是在基础设施的设计中，因为模型体量大且复杂。”位于美国罗德岛北普罗维登斯市的Odeh工程有限公司主要股东、美国土木工程师学会结构工程研究所前所长DavidJ.Odeh如是说。Odeh先生认为，虚拟现实和增强现实是一种机会，将结构工程师已经用于设计的三维BIM模型应用到设计和施工过程的其他部分。“使用虚拟现实和增强现实的趋势，将要求土木和结构工程公司在设计的最初阶段，就将3D建模引入工作流程中，”Odeh先生在对《土木工程》提出的问题进行书面答复中解释道，“擅长虚拟和增强现实三维建模的公司，可能有机会为客户提供新的服务，并更好地发挥他们在设计和施工过程中的作用。”

    Odeh工程有限公司在其总部建造了沉浸式的BIM室。由于屏幕的尺寸为32英尺宽、10英尺高，因此该房间创建了一个类似于虚拟现实的环境。在这里，团队可以查看项目的数字模型。而这个房间宽32英尺、长30英尺，有一个正对屏幕的长会议桌，基本上创造了一个多人虚拟现实环境，查看设计时不需要佩戴头盔。Odeh先生解释说：“在BIM室时，团队可以将多个学科的工作进行可视化，并利用每个参与者的经验来集思广益，形成整体设计概念，协调整体设计，并在施工之前解决系统间的冲突。通过以这样一种易于理解的方式展示设计，可以减少想象力的空间，团队也可以更好地交流想法。”此外，他还指出：“客户可以看到项目的整个实施过程，在施工之前有更清晰地了解，因此也有机会对设计进行调整和改进。”

    借助BIM模型实现机器人施工作业

    美国注册工程师DavidWilson先生在Bechtel集团旧金山总部担任首席创新官，同时兼任该公司休斯顿办事处的首席副总裁，他表示，虚拟现实和增强现实对项目的工作流程和沟通方面，确实起到了非常大的影响。同时，他解释道：“Bechtel集团一直在应用虚拟现实和增强现实这两项技术，从绘图板到桌面屏幕，再到移动平板设备、头戴设备技术等。通过优化信息交付和决策制定，虚拟现实和增强现实将影响我们在项目整个生命周期中的交付方式。”

    Wilson先生还指出，这些技术的主要优势在于，它们使团队能够提前发现潜在的冲突和问题，以便及早做出更明智的设计决策，从而避免代价高昂的工期延误和后期返工。他认为，在施工过程中，这些技术的优势将扩展到提供实时模型和进度审查，为现场跟踪项目进展提供全面的记录。

    跨国公司BalfourBeatty伦敦办事处的数字化转型部负责人TomLoader展望了这样一个未来：这种可视化过程将能够帮助解决建筑行业面临的关键问题。“众所周知，基础设施行业面临着许多挑战，比如资源短缺、城市化、人口增长、生态衰退和气候变化，随着数字化技术越来越成为我们日常工作的一部分，改变了我们的标准工作方式，越来越清晰地意识到，我们可以做些什么才能在行业中立于不败之地。我们必须寻求这样一个技术，在未来可以提高解决问题的效率，解决世界各国面临的技能短缺问题，消除建筑的危险，实现零损害，并在我们的掌控范围内实现无人化施工。”Loader先生回答道。

    没有人工参与的建设项目可能听起来很牵强，甚至有点令人不安。但是，根据BalfourBeatty公司一份名为《创新2050》的报告，该公司的领导人预测，到2050年，基础设施建设工地上将实现无人化作业，因为机器人将以团队形式使用动态新材料建造复杂的结构。这份报告指出，项目经理和设计专业人员将同时使用3D和4D可视化，数据远程操作多个项目。无人机将在工地上空持续飞行，收集工程进展数据，并通过自动更新给机器人建造者和起重机的指令来解决问题。报告解释说，未来施工现场的少数人将穿戴上机器人增强外骨骼（RoboticallyEnhancedExoskeletons），并使用神经控制技术来移动机械和机器人。

    除实现《创新2050》报告中所设想的未来技术发展外,BalfourBeatty公司还呼吁基础设施的客户、企业和监管机构接受这些变化,并支持行业内的创新、敏捷性和数字化转型；保护基础设施免受网络风险；在保护个人隐私的前提下,确保越来越多的数字化信息得以整合并得到管理；建立“不受未来影响”的基础设施,使其在生命周期内能与多代数字技术集成；确保新基础设施建设所需的能源供应和监管框架到位。

    尽管BalfourBeatty公司的愿景听起来很像科幻小说的情景，但研究人员已经在开发各种技术，使未来成为现实。英国剑桥大学LaingO’Rourke建筑工程荣誉讲师、美国土木工程师学会会员IoannisBrilakis博士，目前是一个建筑施工信息技术开发小组的负责人。该小组致力于为既有结构生成信息丰富的虚拟模型，通过虚拟和增强现实开发这些模型，并探索各种施工自动化方法，以提高现场的生产率、生产质量、施工安全性和可持续性。该小组的工作包括对虚拟和增强现实、触觉技术和机器人技术进行研究，研究人员甚至利用大脑的脑电活动与基础设施的数字复制品进行互动。

    Brilakis博士表示：“我们选择这样一条研究方向，正是因为有压力才有动力。一方面，建筑业在数据生成和利用方面落后于其他行业，因此在生产率、安全性和质量方面也落后于其他行业。另一方面，计算机科学作为一个科学领域，在过去几十年里飞速发展，现在为我们提供了新的工具，改变我们看待和体验建筑产品、过程的方式。”

    Brilakis博士带领的团队所做的工作可以从根本上改变施工方式，虽然有些人可能认为,机器人施工的概念将危害到建筑工人的就业前景。对此，Brilakis博士表示，他的团队“正在试图帮助工人转型，使他们离开工地，得以进入办公室工作”。例如，施工机器人的工作，将与一个在办公室里的人类工人无线远程连接，后者将配戴运动捕捉传感器、虚拟现实头盔和触觉反馈手套。工人可以控制在施工现场工作的机器人，当工人移动时，机器人也会移动。Brilakis博士称，第一代机器人模型已于去年完成，第二代模型将于今年内完成交付，预计在未来的五到七年内将进行有针对性的商业市场投放。

    其他研究领域还包括：将与时间相关的BIM模型与正在进行的项目的实际图像集成，以便检查人员能立即获悉任何施工延迟或问题。该团队还致力于为安全帽装上脑电图传感器，使检查员只需“动动脑”，“点击”增强现实系统中显示的对象，即可轻松完成检查工作。如果检查人员站在梯子上，双手完全被占用，这将是一个非常有用的选择。尽管这项技术似乎令人难以置信，但Brilakis博士预计，该技术将在三年内投放市场。

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    本文刊载/《桥梁·BIM视界》杂志

    2020年第2期总第13期

    作者/CatherineA.Cardno

    资料来源/ASCE杂志

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