王建永

摘 要：針對當前建筑業(yè)在設計施工當中的返工率越來越高的現(xiàn)象，提出了將虛擬施工技術(shù)應用于建筑業(yè)，通過虛擬現(xiàn)實和計算機仿真以實現(xiàn)對施工過程的事前控制和動態(tài)管理達到施工方案優(yōu)化和降低成本的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬施工 虛擬現(xiàn)實 建筑施工

中圖分類號：TU7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0057-01

為了解決返工成本和管理成本這兩個關(guān)鍵問題，期望提升建筑業(yè)的生產(chǎn)力水平并且以制造業(yè)的生產(chǎn)管理經(jīng)驗為參考，引入了虛擬模型技術(shù)機理即“虛擬施工技術(shù)”，將此技術(shù)應用于建筑施工項目管理當中。

1 虛擬施工的概念

虛擬施工（Virtual Construction，簡稱VC），是通過計算機建模、分析，虛擬現(xiàn)實計算機仿真技術(shù)將實際施工過程在計算機上模擬出來。此技術(shù)在制造業(yè)當中應用較多，在建筑施工當中應用較少。通過虛擬施工技術(shù)，業(yè)主單位、設計單位和施工方在策劃、投資、設計和施工之前都能夠清楚的看到施工的過程和結(jié)果。沉浸虛擬現(xiàn)實（Immersive）和桌面虛擬現(xiàn)實（Desktop）是虛擬現(xiàn)實的兩種形式，但在建筑業(yè)當中應用較多的是桌面虛擬現(xiàn)實（Desktop）。國外在建筑施工中應用的是開發(fā)漫游系統(tǒng)（Walkthrough）主要包括場地的外形和設計，施工過程的計劃和管理施工方案的預算等等。虛擬施工技術(shù)可以進行干涉分析、可靠性檢驗、內(nèi)力計算、工序的確定等不僅表現(xiàn)為一種技術(shù)手段而且提供一種全新的管理模式使得施工的質(zhì)量、成本、工期都得到最優(yōu)化，另外還保證施工環(huán)保安全。

2 虛擬施工的技術(shù)支撐體系

虛擬施工技術(shù)涉及到了很多領域，主要包括以下技術(shù)：

（1）計算機仿真技術(shù)

計算機仿真技術(shù)在施工技術(shù)與管理、內(nèi)力計算、結(jié)構(gòu)計算等土木工程領域當中。虛擬施工的核心是計算機仿真技術(shù)，它通過建模分析能夠從理論上保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

（2）建模與優(yōu)化技術(shù)以及相關(guān)的軟硬件技術(shù)

從建筑工程的規(guī)劃、設計、施工、管理等方面，應用優(yōu)化原理，使得建筑項目質(zhì)量高、工期短、造價低，實現(xiàn)企業(yè)的利益最大化。

（3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為人機交互對話提供三維界面，使用戶能夠沉浸在一個創(chuàng)建在多維信息空間上的虛擬信息環(huán)境里，具有身臨其境的感覺，這為虛擬施工開發(fā)提供可視化的交互環(huán)境。

3 虛擬施工作用

虛擬施工技術(shù)實施的指導思想以及作用的集中體現(xiàn)是“先試后建”?！跋仍嚭蠼ā蹦軌虮ＷC項目在理論上成功，而且能夠保證結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定與安全，可以檢測任何階段的性能，模擬任何荷載情況下結(jié)構(gòu)物的抵抗能力。虛擬施工的主要作用歸根到底是優(yōu)化建筑項目設計、施工過程以及施工管理活動等。

3.1 優(yōu)化建筑項目設計

建筑項目能夠順利實施的前提和保證是要有一個完善的設計方案。由多個設計方參與完成的建筑項目設計即建筑設計、結(jié)構(gòu)設計、建筑設備設計等，在施工過程中成為聚在一起的建筑構(gòu)件，由于由多方設計所以經(jīng)常發(fā)生沖突比如建筑結(jié)構(gòu)和設備之間的沖突等。這直接導致返工不僅增加成本而且延誤工期。另外，好多項目從設計角度可行，但實際施工當中不可實施，導致設計失敗，必須變更設計，同樣會增加成本和延誤工期。以上問題的原因就是設計方、施工方在設計階段缺少溝通和協(xié)作，缺少一個檢測平臺。針對這些問題應用虛擬施工技術(shù)可以得到解決，采用虛擬施工技術(shù)優(yōu)化設計，建立相關(guān)3D模型提供了一個有效的平臺，包括建筑、結(jié)構(gòu)及建筑設備等用于設計沖突、可施工性的檢測，及多方溝通。

3.2 優(yōu)化施工過程

施工過程的順利實施的保證是有一個正確的施工方案作為指導。當前，主要由項目經(jīng)理及項目組憑借施工經(jīng)驗來編制施工方案。但是由于工程的復雜性和項目經(jīng)理經(jīng)驗的不足，施工方案的編制存在很多漏洞。而且它的可行性有時候也會受到質(zhì)疑。施工方案必須保證項目實施的可行性、低成本，高質(zhì)量、短工期同時環(huán)保安全也很重要。在虛擬施工技術(shù)出現(xiàn)之前，這一問題幾乎找不到有效的解決方案。虛擬施工技術(shù)可以實現(xiàn)多方案比選，對不同方案進行檢測，選擇一種最優(yōu)的施工方案?；谏鲜鼋⒌?D模型，采用虛擬施工技術(shù)可模擬和分析相關(guān)施工方案。建筑業(yè)在施工當中的返工率越來越高，將虛擬施工技術(shù)應用于建筑業(yè)施工過程中，通過虛擬現(xiàn)實和計算機仿真以實現(xiàn)對施工過程的事前控制和動態(tài)管理達到施工方案優(yōu)化和降低成本的目的。

3.3 優(yōu)化施工管理活動

管理成本占據(jù)建筑項目成本的很大一部分。為了降低管理成本，配備少量管理人員，采用虛擬施工技術(shù)，它可以清晰地展示整個施工過程就像栩栩如生的“施工操作說明書”。

4 虛擬施工技術(shù)在建筑業(yè)的應用實踐

在國外對于虛擬施工技術(shù)一系列相關(guān)的研究和試驗正在進行。Clasgow Strathclyde大學土木工程系和信息科學系聯(lián)合研究一種能夠協(xié)同施工的可視計劃。它包括一個可以對全程進行監(jiān)視并且可以交互的進行的非沉浸虛擬現(xiàn)實接口。針對幾種不同的施工順序和現(xiàn)場組織它允許用戶以交互協(xié)同方式進行調(diào)查研究，同時優(yōu)化施工過程。一個3D粗樣軟件包和一種Pangea系統(tǒng)由Bartlestt建筑學校和University College London計算機科學系的研究人員共同開發(fā)研究，是測試城市設計和建筑設計的早期原型。Dundee大學正在進行Naives項目，能夠?qū)⒁粋€構(gòu)件元素在任何方向的撓度或內(nèi)力可視化。建筑設計虛擬環(huán)境系統(tǒng)在英國IES公司推出了。在1995年日本清水建設公司采用虛擬系統(tǒng)使施工生產(chǎn)情報例如在計算機屏幕上顯示施工組織計劃。

從國內(nèi)看應用虛擬施工技術(shù)的工程實例不是很多。有一個業(yè)內(nèi)人士都知道的例子那就是上海正大商業(yè)廣場。上海正大商業(yè)廣場屬于鋼結(jié)構(gòu)施工。它結(jié)構(gòu)龐大，有著類型復雜的構(gòu)件而且數(shù)量非常多，還有一點就是個吊裝空間以及運輸通道都不寬，所以施工難度比較大。為了保證優(yōu)質(zhì)、安全和高效地完成該工程的鋼結(jié)構(gòu)安裝，大膽采用了虛擬施工技術(shù)，而且非常成功。虛擬施工技術(shù)分三個階段進行：

（1）優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)施工方案。應用虛擬現(xiàn)實和結(jié)構(gòu)仿真成功實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)圖由二維向三維跨越。在鋼結(jié)構(gòu)施工之前，在計算機上模擬構(gòu)件裝配、吊裝，將施工過程可能出現(xiàn)的各種問題充分暴露出來，并經(jīng)過優(yōu)化得以解決。（2）模擬分析鋼構(gòu)件內(nèi)力焊接變形以及桅桿起重機。為了保障吊裝的安全，利用虛擬施工技術(shù)模擬吊裝過程，并分析相關(guān)構(gòu)件的內(nèi)力。另外對焊接時的應力場和應變場以及溫度場進行模擬，保證焊接的質(zhì)量。（3）模擬建筑場地和周圍的環(huán)境。就是在計算機模擬當建筑物建成后周圍會出現(xiàn)怎樣情景。這項技術(shù)的成功應用，能夠清楚的了解到建筑物對周圍環(huán)境的影響，為此我們提前做好防護措施。

參考文獻

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