پایش نیمه‌خودکار پیشرفت پروژه‌های ساختمانی با یکپارچگی واقعیت افزوده (AR) و مدل‌سازی اطلاعات ساختمان (BIM)

مقدمه: چالش نظارت بر پیشرفت در عصر پیچیدگی ساخت‌وساز

پایش پیشرفت فیزیکی پروژه‌های ساختمانی، به‌ویژه در پروژه‌های بزرگ‌مقیاس و پیچیده، همواره یکی از دغدغه‌های اساسی مهندسان و مدیران پروژه بوده است. در روش‌های سنتی، معمولاً برداشت‌های دستی از محل اجرا توسط تیم‌های میدانی انجام می‌شود و سپس با داده‌های برنامه‌ریزی شده مقایسه می‌گردد. این فرآیند نه‌تنها زمان‌بر است، بلکه در بسیاری موارد با خطای انسانی، نظرات شخصی، نبود به‌روزرسانی‌های لحظه‌ای و عدم تطابق داده‌های برداشت‌شده با مدل دیجیتال پروژه همراه است.

با توسعه فناوری‌های دیجیتال و نیاز روزافزون صنعت ساخت‌وساز به بهره‌گیری از روش‌های هوشمند، استفاده از تکنولوژی‌های نوین مانند مدل‌سازی اطلاعات ساختمان (BIM) و واقعیت افزوده (AR) در فرآیندهای مدیریت پروژه، به یک ضرورت تبدیل شده است. از سوی دیگر، افزایش حجم داده‌ها و پیچیدگی سازه‌ها، نیاز به چارچوب‌هایی نوین و تعاملی را برای پایش پیشرفت پروژه‌ها بیش‌ازپیش پررنگ کرده است.

در این راستا، در قالب پایان‌نامه کارشناسی ارشد خود در دانشگاه صنعتی شریف، با تمرکز بر رویکردهای دیجیتال و فناورانه در مدیریت پروژه، یک چارچوب نوآورانه برای پایش پیشرفت پروژه‌های ساختمانی طراحی و پیاده‌سازی گردید که ادغامی از AR و BIM بوده و از طریق یک اپلیکیشن اندرویدی در محل پروژه قابل اجراست. هدف اصلی این چارچوب، توسعه‌ی یک ابزار کاربرپسند و در عین حال کاربردی برای ثبت و مشاهده پیشرفت پروژه در محل اجراست، به‌طوری‌که کاربران بتوانند بدون نیاز به ابزارهای برداشت پیچیده یا حضور مداوم در دفتر، وضعیت دقیق اجرای دیوارها یا عناصر دیگر سازه را به‌صورت بصری و تعاملی مشاهده، ارزیابی و ثبت کنند. این چارچوب، با رویکردی نیمه‌خودکار، تلاش می‌کند شکاف میان دنیای دیجیتال مدل‌های BIM و واقعیت فیزیکی پروژه را از طریق AR پر کند.

معرفی سیستم طراحی‌شده

در این پروژه، یک اپلیکیشن اندروید موبایلی توسعه داده شد که به دو بخش تقسیم می‌گردد که هر بخش کاربرد مخصوصی دارد:

1. بخش اول برای برداشت درصد پیشرفت در سایت ساخت توسعه یافته است. این بخش، مشاهده مدل مجازی BIM در سایت پروژه، نمایش اطلاعات اجزای مدل (مانند آیدی، مصالح، ابعاد المان‌ها)، مشاهده پایگاه داده متناظر با المان‌ها، محاسبه درصد پیشرفت فیزیکی و درنهایت بروزرسانی درصد پیشرفت در پایگاه داده را ممکن می‌سازد. در محل پروژه از طریق فناوری واقعیت افزوده، مدل سه‌بعدی ساختمان (استخراج‌شده از نرم‌افزار Revit) در محیط واقعی قرار می‌گیرد. بنابراین کاربر می‌تواند مدلی که برنامه‌ریزی شده است تا درنهایت ساخته شود (چون-برنامه) را با وضعیت واقعی پروژه ساخت (چون-ساخت) در محل به شکل بصری مقایسه نماید (شکل 1). کاربر می‌تواند روی دیوارهای مدل کلیک کرده و اطلاعات دقیق آن‌ها را مشاهده کند (شکل 2). در گام بعدی، کاربر با استفاده از قابلیت «رسم خطوط دستی» می‌تواند در همان محیط واقعیت افزوده، خطوط بسته‌ای روی المانی مثلا دیوار ترسیم کرده و بوسیله محاسبه مساحت ساخته شده تا الان، درصد اجرای آن دیوار را ثبت کند (شکل 3). این اطلاعات در پایگاه داده محلی ذخیره شده و قابل استفاده برای تحلیل‌های بعدی و تصمیم گیری خواهد بود.

شکل 1) امکان مشاهده وضعیت برنامه ریزی شده در اپلیکیشن و وضعیت ساخته شده در سایت پروژه و مقایسه بصری

2. بخش دوم اپلیکیشن به منظور نمایش برداشت‌های پیشرفت در دفاتر مهندسی و جلسات فنی کاربرد دارد. در این بخش امکاناتی مانند نمایش مدل سه بعدی BIM پروژه به صورت مقیاس شده و مشخص شدن وضعیت پیشرفت اجزای مدل به صورت کدگذاری رنگی تعبیه شده است. المان‌هایی از مدل که جلوتر از برنامه زمانبندی هستند (درصد پیشرفت واقعی بیشتر از درصد پیشرفت برنامه‌ریزی شده) به رنگ سبز نمایان شده، اگر عقبتر از برنامه باشند به رنگ قرمز و درنهایت اگر مطابق برنامه زمانبندی باشند زردرنگ خواهند شد (شکل 4). همچنین در این قسمت اپلیکیشن، پایگاه داده بروز شده پس از برداشت پیشرفت قابل مشاهده و ارائه می‌باشد (شکل 5).

تکنولوژی‌های استفاده‌شده برای توسعه اپلیکیشن

برای توسعه‌ی این چارچوب نیمه‌خودکار، مجموعه‌ای از فناوری‌ها و ابزارهای پیشرفته به‌کار گرفته شد که هر یک نقشی کلیدی در عملکرد نهایی سیستم ایفا می‌کنند. هسته اصلی اپلیکیشن در محیط Unity3D طراحی شد، که یکی از قدرتمندترین موتورهای بازی‌سازی و توسعه‌ی تجربه‌های تعاملی است و همچنین امکان توسعه بستر های واقعیت مجازی و افزوده را فراهم می‌کند. این بستر به ما اجازه داد تا مدل‌های سه‌بعدی را با دقت بالا در محیط واقعیت افزوده نمایش دهیم و رابط کاربری مناسبی برای تعامل کاربران ایجاد کنیم.

برای پیاده‌سازی واقعیت افزوده، از AR Foundation استفاده شد که با پشتیبانی از ARCore  (ویژه اندروید) به ما امکان می‌دهد سطوح افقی و قائم در محیط واقعی را شناسایی کرده و مدل BIM بر آن منطبق شود. این فرآیند باعث می‌شود که کاربر بتواند به‌صورت دقیق، اجزای مدل را در محل اجرای واقعی پروژه مشاهده کند. کدنویسی اپلیکیشن عمدتاً با زبان C# انجام شد که زبان اصلی برنامه‌نویسی در محیط Unity است.

مدل اطلاعات ساختمان با استفاده از نرم‌افزار Autodesk Revit طراحی و استخراج شد. پس از آماده‌سازی، مدل‌ها به فرمت مناسب (Fbx) برای وارد کردن به محیط Unity تبدیل شدند تا قابلیت استفاده در اپلیکیشن واقعیت افزوده را داشته باشند. برای ذخیره‌سازی داده‌های مرتبط با پیشرفت پروژه، از پایگاه‌داده SQLite استفاده شد. این دیتابیس سبک و آفلاین، برای سیستم‌هایی که نیاز به عملکرد سریع و بدون اتصال دائمی به اینترنت دارند، گزینه‌ای ایده‌آل محسوب می‌شود. اطلاعات مربوط به درصد پیشرفت ثبت‌شده توسط کاربران، به‌صورت محلی در این پایگاه‌داده ذخیره می‌شود و امکان بازیابی، تحلیل و گزارش‌گیری از آن وجود دارد.

پیاده‌سازی و ارزیابی در پروژه‌ی واقعی (ایستگاه مترو)

چارچوب و اپلیکیشن متناظر آن در یک پروژه واقعی ساخت ایستگاه مترو میدان نماز اسلامشهر مورد آزمایش میدانی قرار گرفت. کاربران شامل مهندس ناظر، کارشناسان دفتر فنی و تیم اجرایی بودند که در محل پروژه با اپلیکیشن کار کرده و درصد پیشرفت اجرای چند دیوار را با استفاده از ابزار رسم دستی مشخص کردند.

برای ارزیابی کیفیت تجربه کاربر از اپلیکیشن توسعه‌یافته، از پرسشنامه استاندارد UEQ (User Experience Questionnaire) استفاده شد. این پرسش‌نامه، تجربه کاربر را در شش بُعد مختلف شامل جذابیت، کارایی، شفافیت، وابستگی، تحریک‌برانگیزی و نوآوری می‌سنجد. نتایج نشان داد که در اغلب معیارها، اپلیکیشن امتیاز بالایی دریافت کرد که نشان دهنده توانایی و قابلیت این بستر برای بهبود کنترل پیشرفت پروژه‌ها می‌باشد.

جمع‌بندی

در عصر دیجیتال کنونی، صنعت ساخت‌وساز نیز نیازمند تحولاتی بنیادین در روش‌های مدیریت و پایش پروژه‌ها می‌باشد. این تحقیق با تلفیق فناوری‌های پیشرفته واقعیت افزوده و مدل‌سازی اطلاعات ساختمان، گامی نوآورانه در جهت هوشمندسازی پایش پیشرفت فیزیکی پروژه‌های عمرانی برداشته است. چارچوب ارائه‌شده، با بهره‌گیری از اپلیکیشنی تعاملی، امکان مشاهده مدل سه‌بعدی پروژه در بستر واقعیت و ثبت مستقیم پیشرفت اجرا در محل را فراهم می‌آورد؛ کاری که در روش‌های سنتی نیازمند صرف زمان، نیروی انسانی و تجهیزات پیچیده بود.

اجرای آزمایشی این چارچوب در پروژه ساخت ایستگاه مترو، نتایج امیدوارکننده‌ای از نظر دقت، کارایی، و تجربه کاربری نشان داد و بیانگر آن است که استفاده از ابزارهای فناورانه نه‌تنها بهره‌وری فرآیندهای نظارتی را افزایش می‌دهد، بلکه درک شفاف‌تری از وضعیت پروژه در اختیار ذی‌نفعان قرار می‌دهد.

این پروژه نمایانگر پتانسیل بالای فناوری‌های نوظهور در ارتقای فرآیندهای مدیریت ساخت است و می‌تواند به‌عنوان الگویی قابل توسعه برای پروژه‌های آتی مورد توجه قرار گیرد. بدون تردید، آینده مدیریت پروژه به سمت یکپارچگی داده‌های دیجیتال با محیط‌های واقعی حرکت می‌کند؛ و این تحقیق، قدمی ارزشمند در آن مسیر است.

نویسنده: احمدطاها رنگین‌کمان  کارشناسی ارشد مهندسی عمران – مهندسی و مدیریت ساخت دانشگاه صنعتی شریف