本文是一篇建筑施工与管理论文，本研究在分析绿色施工目前存在的问题（如没有统一培训和学习课程，绿色施工执行主要依靠工人素质，工人行为是否符合绿色施工规范主要靠人工判断等）的基础上，结合目前绿色施工、虚拟现实和本体的研究现状，分析了 VR 应用于绿色施工的可行性，包括辅助设计、漫游学习和交互设计，使用 BIM 进行绿色施工场景的搭建，基于教学设计的相关理论对 VR 绿色施工学习系统进行设计，并提出将 VR 绿色施工学习系统和本体推理集成应用到绿色施工中，从而对绿色施工学习过程进行推理判断，以指导施工单位利用 VR 进行绿色施工的学习。
1 绪论
1.1 研究背景
环境和能源问题已经是一个全球性的问题。全球建筑业能源消耗量占能源生产的40%，水资源占 12%~16%，排放的二氧化碳占 35%~40%[1,2]。根据联合国数据显示，截至2015年，世界人口的53.9%居住在城市，到2020年，城市人口将占世界人口的56.2%[3]。但是建筑业的发展在提高人类生活质量、加速城镇化建设发展的同时，也产生了环境恶化和能源消耗过度的危害。
中国成立 70 年来，住房和城乡建设事业的成就显著。建筑业的总产值相较于建国初期时的产值增加 4000 多倍，从业人口占全国就业总人口的 7%以上[4]。我国的城镇化率也从 10.6%提高到 59.6%。建筑业依然是我国国民经济的支柱产业且地位显著增强。
根据我国国家统计局 2016 年发布的数据，截至 2015 年，中国施工中的建筑面积有124 亿平方米左右，建筑业消耗的物资占全国物资消耗总量的 16%左右，建筑业使用能耗占全国总能耗的 28%左右，建筑生产活动产生的污染占总污染的 34%左右[5]。另外建筑施工过程也会对城市产生声污染、光污染、空气污染等环境污染。即使高度重视保护环境和提高能源效率和可再生能源转换效率，仍然需要做出巨大努力来减少全球不可再生能源的需求量，以促进可持续性。因此只有发展绿色、节能、环保的建筑业才能保证世界经济社会的平稳健康发展。
随着人们对节能、环保的日益关注和重视，绿色建筑和绿色施工逐渐得到重视，各国家和地区开始根据自己的实际情况制定和颁发与绿色建筑和绿色施工相关的法律法规，促使建筑业向规范化的方向发展。为了规范建筑业实施绿色施工，保障施工从业人员的健康和安全，达到资源节约、保护环境的目的，我国也相继出台了绿色建筑和绿色施工相关的规范，包括《建筑工程绿色施工规范》、《建筑工程绿色施工评价标准》、《绿色施工管理规程》等。
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1.2 国内外研究现状
在对大量国内外相关文献阅读和总结的基础上，本文将相关文献分为三部分：绿色施工相关研究、虚拟现实在 AEC 领域的研究现状、本体相关研究。
1.2.1 绿色施工研究现状
（1）国外研究现状
Hwang 和 Ng 从项目经理进行绿色施工管理的角度出发，研究了项目经理成功交付绿色施工项目面对的挑战和需要的关键知识与技能。挑战包含施工前期所需准备时间较长、难以选择提供绿色施工服务的分包商、绿色材料和设备的不确定、绿色材料和设备的成本过高等。应对这些挑战的至关重要的知识包括进度管理与规划、利益相关方管理、成本管理和沟通管理等。技能包括决策制定、团队协作能力、分析问题能力和解决问题能力等。该研究还提供了传统和绿色施工项目之间关键知识领域和技能的比较，提出要有效地管理绿色施工项目需要加强具体的知识领域[6]。
Obiozo 和 Smallwood 从工人健康的角度出发，提出建立一个生态施工场地模型，其中包含绿色施工场地方法论，从而在施工现场建立一个可以鼓舞、激励和治愈工人的友谊和舒适的环境，为开发施工场地环境的自然资源提供一种健康手段，实现提高人文价值与产生工人健康和创造性表现的共赢[7]。
Ahn 等人开发了一个“集成的施工过程”，包含绿色施工的目标、逐步的程序、三个主要的利益相关者即建筑师、承包商和分包商的角色和责任，从而使所有的利益相关者协作完成绿色设计和施工，最终实现施工阶段可持续性发展的目标[8]。
Oh 等人提出了一个建筑钢筋混凝土双向楼板的绿色施工优化设计模型。该模型被应用在住宅、办公以及商业建筑中的双向楼板设计案例中，以得出对环境影响最小化的设计。该研究将楼板中混凝土和钢筋的材料组成、设计参数和主要设计因素等方面与传统设计方法进行了的比较。此外，还提出了一个可以同时使碳排放、成本和振动响应最小化的多目标优化设计方法，用来考虑人类活动引起的建筑振动的适用性[9]。
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2 相关理论基础
2.1 BIM 相关理论
2.1.1 BIM 概念
BIM（Building Information Modelling，建筑信息模型）是一个具有建筑物信息的智能化建筑三维模型，它是由 Autodesk 公司于 2002 年提出并向公众推广的概念。BIM 不仅包含了建筑物的几何信息，还有建筑物的非几何信息，如构件的名称、材料、结构类型等设计信息，工序、成本、质量、进度以及需要的人、材、机的数量等施工信息，对象之间的逻辑关系等[67]。BIM 的核心概念是将建筑物的三维可视化模型和非图形格式的数据统一存放于一个知识数据库中，使设计、施工、运维等建设各阶段的相关工作人员都可以从中获取所需要的知识，并且这些数据是一致、可靠、连续的[68]。BIM 的出现大大提高了信息化的集成程度，可以作为利益相关者的信息交换与共享工具。各利益相关者基于 BIM 进行协同工作，能够降低成本并提高工作效率，实现可持续发展。
2.1.2 BIM 数据标准
在全球建筑业由粗放型向精细型转化的过程中，建筑信息化在其中发挥着重要的作用。而 BIM 的出现能使工程项目信息在全生命期内传递，提高信息的传递效率，促进项目各阶段和各参与方的协同作业[69]。在 BIM 的应用过程中，不仅需要解决各软件之间的互操作性问题，还要解决协同设计、信息集成和共享等问题，因此需要制定统一的BIM 标准，从而形成完整的 BIM 标准体系，促进数据的交互共享，减少协同错误，保证各参与方协作的准确和高效[70]。
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2.2 虚拟现实技术相关理论
2.2.1 虚拟现实技术的概念和特性
VR（Virtual Reality，虚拟现实）是一种利用计算机技术，通过相关建模软件构建虚拟场景，结合传感器、计算机网络和人机交互等技术实现视觉、听觉、触觉等多种感官逼真的功能，并且通过预设交互信息和动作，体验者可以与数字虚拟对象进行交互从而提升体验者的沉浸感，实现人机交互[81]。
随着计算机软件系统和硬件系统的蓬勃发展，虚拟现实技术也有了越来越广阔的应用空间。虚拟现实被广泛应用于教育、医疗、娱乐、房地产、军事等各个领域，正是因为虚拟现实技术有其独特性。其独特性可以总结为 3I，即 Immersion（沉浸感）、Interaction（交互性）和 Imagination（想象性）[82]。如图 2.1 所示。
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3 基于 VR 的绿色施工学习系统可行性分析 ..................... 29
3.1 绿色施工的产生及发展....................... 29
3.2 绿色施工规范条文分析.......................... 31
4 基于本体的 BIM 与 VR 技术辅助绿色施工的设计.................... 37
4.1 总体框架设计....................... 37
4.2 基于 BIM 的 VR 绿色施工学习系统...................... 38
4.2.1 系统平台....................... 38
5 基于本体的 BIM 与 VR 技术辅助绿色施工学习的验证......................... 46
5.1 案例选取......................... 46
5.2 案例验证........................ 47
5 基于本体的 BIM 与 VR 技术辅助绿色施工学习的验证
5.1 案例选取
本文对BIM的研究背景和数据标准、VR的技术特性和指导理论进行了分析和总结，梳理了绿色施工的发展和规范条文，结合《建筑工程绿色施工规范》对 VR 应用于绿色施工的可行性进行了分析，提出建立基于 BIM 的 VR 绿色施工学习培训系统，建立绿色施工场地 BIM 模型，通过 Unity 游戏引擎制作沉浸式的场景，工人身临其境地进行绿色施工的知识点学习并且与施工场景进行交互操作，从而达到规范工人绿色施工，提高绿色施工水平的目的。绿色施工场地的 BIM 模型如图 5.1 所示。
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结论
本研究在分析绿色施工目前存在的问题（如没有统一培训和学习课程，绿色施工执行主要依靠工人素质，工人行为是否符合绿色施工规范主要靠人工判断等）的基础上，结合目前绿色施工、虚拟现实和本体的研究现状，分析了 VR 应用于绿色施工的可行性，包括辅助设计、漫游学习和交互设计，使用 BIM 进行绿色施工场景的搭建，基于教学设计的相关理论对 VR 绿色施工学习系统进行设计，并提出将 VR 绿色施工学习系统和本体推理集成应用到绿色施工中，从而对绿色施工学习过程进行推理判断，以指导施工单位利用 VR 进行绿色施工的学习。本研究的主要工作包含以下四个部分：
（1）建立 VR 绿色施工学习系统，以施工场地的 BIM 模型为基础，通过 Unity 游戏引擎制作沉浸式的场景，工人可以身临其境地进行绿色施工
