建筑施工是典型的高危活动, 事故伤亡率居高不下。统计表明, 大量事故与从业人员的安全知识不足密切相关^[1,2,3]。因此, 强化从业人员的安全知识、增加安全经验, 对预防事故发生具有重要意义。目前, 虚拟仿真、虚拟现实等技术已被越来越多地应用于教育领域, 并正向多层次、立体化、开放式的方向发展^[4,5]。与此同时, 三维建模技术、图示语言、虚拟现实已被用于一线工人的安全培训, 施工安全知识共享的组织网络也已建立, 可用于加强安全管理人员的沟通^[6,7,8,9]。同时, 使用游戏引擎技术设计施工安全知识培训框架, 被证实可以提高人员的风险识别能力、提升安全意识^[10]。此外, 基于建筑信息模型的建筑工人危险感知能力训练系统与基于虚拟现实的电力安全训练系统的成功构建^[11,12], 对本系统的开发也具有重要借鉴意义。

为此, 以虚拟现实和建筑信息模型技术为核心支撑, 构建了交互式、可视化的施工安全知识学习系统, 以期改善学习效果。

施工安全知识的传统教育方式形式枯燥、内容单调, 学习效果欠佳。且施工安全的形势严峻, 国家、企业、项目部的施工安全管理制度十分严格, 学习者几乎不可能到施工现场进行安全技能训练。因此需要运用最新技术, 变革施工安全知识学习方式。

随着建筑信息模型BIM (building information modeling) 技术和虚拟现实VR (virtual reality) 技术的发展, 上述问题可得到解决。其中, 使用BIM技术可建立真实反映建筑物及环境信息的多维模型。同时, 其强大的信息集成功能可为工程场景中融入施工安全知识提供支撑平台。在构建多维模型的基础上, 使用VR技术可创建虚拟施工环境, 能够为学习者建立最大限度接近真实施工场景的学习情境, 使学习者在虚拟的工程环境中体验施工现场的危险场景、未来可能遇到的危险状况, 缩短适应实际工作环境的时间。此外, 必要时还可加入穿戴设备, 营造视觉、听觉、触觉一体化的沉浸式学习环境。

设计的施工安全知识学习系统由数据层、融合层和交互层组成, 如图1所示。

1) 数据层包含建筑信息模型库和施工安全知识库。建筑信息模型库根据建筑类型和施工阶段, 分为住宅建筑、工业建筑、公共建筑三大类和基础施工、主体施工、装饰装修、设备安装四大施工阶段, 用于制作不同施工场景。施工安全知识库由各类建筑施工安全规范、典型事故案例及应急处理方案等组成, 是施工安全知识学习内容的理论支撑。

2) 融合层根据不同学习角色、不同施工阶段中施工安全知识的需求, 进行危险源设计, 进而在虚拟现实平台中将危险源植入建筑模型中, 生成施工场景。同时, 借助虚拟现实平台, 进行事故虚拟情境体验的设计。继而, 根据危险源和事故情境进行安全知识题目的设计, 从而实现真实施工场景和施工安全知识库的融合。同时, 还可规划危险场景漫游的路线, 保证学习者按路线进行安全知识的学习。并依据学习者遗漏的危险源种类和频率, 制订施工安全能力测评的方法。

3) 交互层主要为施工安全知识学习情境展现和学习者交互提供平台。学习者可通过交互平台中的多种交互设备端, 在特定的融合情境中进行施工安全知识的可视化学习、危险场景的漫游与体验以及施工安全能力测评。在此基础上, 根据使用人员施工安全能力测评结果, 进行施工安全知识学习情况及测评情况的反馈。

1) 施工安全知识库构建首先, 搜集建筑施工安全管理规范和典型施工安全事故的案例, 结合施工安全管理规范分析事故成因, 解析事故发生的前因后果, 制定避免再次发生此次事故的办法, 以及发生事故后的应急处理措施。并在此基础上设置施工安全知识学习要点, 构建施工安全知识库。同时以学习角色和施工阶段作为依据, 定义施工安全知识库的属性信息。

2) 危险源清单库构建在施工安全知识库的基础上, 通过统计事故发生的频率和危险程度, 按照高危频发、高危偶发、低危频发、低危偶发四大类, 创建危险源清单库。

3) 施工真实场景模型构建按照“由实到虚”的路径, 通过到实地现场进行走访观察, 收集实际施工现场的图纸、图片等相关信息, 使用BIM技术建立三维信息模型。在模型基础上, 根据危险源清单库, 进行危险场景和事故过程的设计, 并将其植入建筑模型中, 从而实现“虚实结合”, 最终还原出真实施工场景。

4) 安全理论学习功能设计融合上述危险场景、事故场景与建筑模型后, 据此进行安全理论的图文讲解设计。然后依据施工安全理论设计安全题目, 进行学习者安全知识学习水平的测试。同时制订学习报告评测方法, 作为学习者安全能力评测的依据。

5) 漫游体验功能设计根据不同的学习角色及学习阶段在施工场景模型中设定相应的漫游路径及危险场景的体验点, 保证每条路径都包含施工现场中可能遇到的事故类型和危险场景, 并在漫游过程中设置相对应类型的事故情景体验环节。

6) 施工安全能力测评功能设计根据调查统计得出的遗漏的危险源种类和频率情况, 设置高、中、低3个测试难度。学习者根据自身的学习情况选择相应的测试难度

通过BIM-VR中间件, 将施工安全知识学习场景模型调入虚拟现实编辑软件。在场景内设定若干危险区域和危险源, 根据危险程度分别用红、黄、蓝等表示。并根据施工安全知识库, 结合知识学习等级和特点, 设计施工安全能力测评题目的内容和形式。

系统采集学习者在学习过程中的相关信息, 包括本次学习时长、正确率等指标, 并生成综合得分及能力测评报告。最后, 系统根据相应的报告生成施工安全知识学习的建议, 包括薄弱环节、需加强学习的内容等。

1) 施工安全知识可视化学习学习者可通过四大施工阶段的多种施工模型, 了解各阶段施工的主体任务、主要构件及相关信息。同时, 也可通过施工危险场景模型接触不同施工阶段易发事故的施工场景、危险区域及危险源, 了解不同危险源在施工现场可能的存在和表现形式, 提高对相关危险场景及行为的敏感程度, 从而减少因“无知、无畏”导致的施工安全事故。

2) 施工危险场景漫游与体验本系统融合上述真实场景模型与施工安全知识库建立的BIM模型, 形成各施工阶段的虚拟仿真体验情境, 实现各类危险源在场景中的集中体现。学习者可选择角色和施工阶段, 按照相应漫游和体验路线, 沉浸式地体验不同角色的工人在不同施工阶段中可能发生的一系列高危、极端场景, 让学习者感受真实的施工现场, 从而提前适应工作环境。

3) 施工安全能力测评本系统设置初级、中级和高级3个难度等级, 系统能够结合学习者选择的学习角色、学习阶段和学习难度调用相应的融合模型。学习者可以在交互场景中, 按照系统提示进行相关施工安全能力测评, 做出决策和相应的行为反应。系统根据危险识别的速度、准确性等指标进行综合评价, 并给出相应学习建议, 从而考核学习者在复杂施工场景中的危险识别能力、危险分析能力以及危险决策能力。

1) 学习需求选择首先, 学习者根据系统提示输入账号、密码等基本信息, 登录系统。然后根据需要依次选择学习角色、建筑类型以及施工阶段。

2) 学习情境生成根据学习者选择的学习需求, 调用施工安全知识库和施工危险场景库中相关的学习内容, 并选择相应的漫游路线, 生成施工安全知识学习场景。在施工安全知识学习场景中, 学习者可根据需要自由调整视角, 浏览场景。

3) 学习与测试平行设置安全理论学习、漫游体验、安全知识能力测试三大模块, 学习者可根据需要任意选择某一模块进行学习和测试。

4) 理论知识学习学习者首先进行安全作业规范的学习, 掌握安全作业的要领。然后, 依据安全作业要求, 进行场景危险源识别, 检查安全作业学习效果。选择场景中感兴趣的建筑构件或其他图元并查看信息, 学习土木工程基本知识。根据识别和遗漏的危险源种类和次数, 系统生成学习报告, 学习者需认真阅读学习报告, 查漏补缺, 完善安全作业知识的学习。

5) 漫游体验学习者跟随预先设定的路线进行施工危险场景的漫游, 可以使用鼠标和键盘自由调整漫游过程中的视角, 观察和寻找场景中的危险源。当到达危险事故体验区时, 观察事故发生的场景、过程和结果。单个项目体验结束后, 学习者可根据需要选择重复体验该事故。

6) 安全能力测试学习者根据所学知识作答系统预设的各类问题, 主要包括危险区域及危险源的识别、易发事故类型判断、危险等级判定、决策选择等。在系统根据施工能力测评结果给出测评和分析报告之后, 学习者认真阅读报告, 并针对学习意见加强相关施工安全知识的学习。

1) 实际工程三维场景建模根据施工安全知识可视化学习的系统需求, 收集实际工程的基础施工阶段、主体施工阶段、装饰装修阶段和水电安装阶段的相关施工案例, 经整合后选择具有典型阶段特征的实际工程场景, 并使用Autodesk Revit 2017建立实际工程的三维场景模型。

在BIM模型建立的过程中, 注重场景中相关实体的尺寸、位置、材质等建筑信息, 学习者可基于模型学习土木工程基本知识。

2) 实际工程危险场景建模与优化在实际工程场景、危险场景、危险源模型等建立的基础上, 先在Autodesk Revit软件中实现上述三维模型的融合, 保留BIM模型的基本建筑信息。基坑模型中, 基坑周围及基坑楼梯部分围护设施缺失;主体模型中存在大量易发生事故的临边及洞口。然后, 使用Revit软件的文件导出功能, 将rvt格式的BIM模型导出dwg格式的三维CAD格式文件, 并导入Autodesk3DS MAX 2011中, 优化场景模型, 减少不必要的面数。

3) 施工安全知识学习的交互场景模型使用BIM-VR中间件接口软件将上述模型调入VRP-builder虚拟现实编辑器, 生成施工安全知识学习优化模型。根据施工阶段和危险源位置, 进行漫游路径规划。

基于导入的优化模型, 在VRP-builder虚拟现实编辑器中编辑系统所需的交互场景。通过增加悬浮窗口、设置相机、选择天空盒类型、添加文字等方法, 生成系统所需的交互场景, 丰富施工安全知识可视化和学习系统的可交互性。

4) 学习评价及考核学习者根据学习需要选择学习角色、学习难度和学习过程, 并根据系统生成的施工安全知识交互情境以及相关提示进行施工安全知识学习。学习者辨识施工场景中的危险区域及危险源, 并通过距离触发和点击触发2种方式选择其认为最危险的区域并按照要求选择相应事故类型, 系统记录并进行相关指标的分析, 最终生成相应的学习效果评价报告。

以上是基于计算机端的系统实现过程, 能够满足基本学习要求。在此基础上, 本系统可升级选择VR眼镜端和CAVE (cave automatic virtual environment) 系统等体验效果更好的实现平台, 学校及企业可以根据既有设施及条件选择相应的实现效果及平台。

融合BIM和VR技术, 构建了交互式、可视化的施工安全知识学习系统。该系统能够实现施工安全知识可视化学习、施工危险场景漫游与体验和施工安全能力测评, 具有实用性强、针对性高、交互性好、体验性佳的优点, 能够激发和提高学习者的学习兴趣及积极性, 使其能身临其境地体验真实的施工现场危险环境, 增强危险感知能力和自我保护意识, 减少施工安全事故的发生。同时, 该系统可根据实际工程特点进行施工安全知识的个性化设计, 使学习者能够提前适应该工程危险环境, 减少施工事故的发生;且将逐步建立单独的危险源模型库、引入眼动及体感设备等方式改善施工安全知识学习的体验效果, 以期能够提高系统的适用性及整体效果, 提高施工安全知识教育的效果。