【摘 要】以計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)為基礎(chǔ)平臺(tái)，虛擬仿真技術(shù)得到了前所未有的全面飛速發(fā)展，在建筑領(lǐng)域中也愈發(fā)顯得尤為重要。本文介紹了虛擬仿真技術(shù)的形成和發(fā)展的過程，以及該項(xiàng)技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用，在實(shí)踐過程中突出的重要性。

【關(guān)鍵詞】仿真技術(shù)；仿真模型

虛擬仿真技術(shù)的形成和發(fā)展已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間了。在這期間，這項(xiàng)技術(shù)從無到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從建立理論體系到生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用、從最初的輔助學(xué)科到如今成為解決重大工程問題的必要手段，仿真技術(shù)在多項(xiàng)技術(shù)（包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息處理技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、系統(tǒng)工程和控制論等）的支持、交叉、相互融合下，已經(jīng)逐漸地成為了一門交叉科學(xué)，乃至一種認(rèn)識(shí)客觀世界的重要方法。

1 虛擬仿真技術(shù)的概念及發(fā)展史

虛擬仿真屬于基礎(chǔ)性學(xué)科的一門。仿真技術(shù)是建立在控制理論、相似原理、數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)和多種專用物理效應(yīng)設(shè)備為實(shí)施工具，以系統(tǒng)模型為借助途徑，對(duì)實(shí)際的或假設(shè)的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究的一門新興的綜合性技術(shù)。屬于一種可控制、耗費(fèi)小、無破壞性并且可以進(jìn)行多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)手段。它的主要特點(diǎn)有：高效、優(yōu)質(zhì)、低廉，體現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力和潛在的巨大能力。迄今為止，虛擬仿真技術(shù)是最為有效的經(jīng)濟(jì)的綜合集成法，也成為了推動(dòng)技術(shù)實(shí)質(zhì)進(jìn)步的一門戰(zhàn)略技術(shù)。仿真就是建立系統(tǒng)的模型（比如數(shù)學(xué)模型、物理效應(yīng)模型以及兼合兩者的數(shù)學(xué)-物理效應(yīng)模型），在此類模型上進(jìn)行試驗(yàn)和研究一個(gè)實(shí)際的或設(shè)想中的系統(tǒng)。包括土木、機(jī)械、電子、水力、聲學(xué)、熱學(xué)等在內(nèi)的技術(shù)系統(tǒng)；同時(shí)也涵蓋了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、生物和管理系統(tǒng)等在內(nèi)的傳統(tǒng)非技術(shù)系統(tǒng)。虛擬仿真系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)該從仿真器開始。美國(guó)空軍的林克機(jī)練習(xí)器誕生于一九二九年?；鹋诳刂葡到y(tǒng)和飛行控制動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)研究在二戰(zhàn)后期得到了前所未有的關(guān)注，從而促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展。上世紀(jì)七十年代后，仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速，并且從最初的軍事方面漸漸擴(kuò)展到其他工業(yè)領(lǐng)域。但這仍舊只是該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局和美國(guó)陸軍在上世紀(jì)八十年代共同制定了SIMNET計(jì)劃并投入了大量的精力到該項(xiàng)計(jì)劃的研究和執(zhí)行中。先進(jìn)的實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室最先在美國(guó)空軍建立，各部門緊隨其后紛紛建設(shè)分布式交互仿真系統(tǒng)、并行式交互仿真系統(tǒng)以及聚合式仿真系統(tǒng)。于是虛擬仿真技術(shù)在這一時(shí)期達(dá)到了較高級(jí)的階段。到了二十世紀(jì)末和本世紀(jì)初，科學(xué)研究領(lǐng)域適時(shí)地掀起了一股針對(duì)廣泛領(lǐng)域的復(fù)雜性問題研究的熱潮。復(fù)雜性即是針對(duì)簡(jiǎn)單性的否定，復(fù)雜問題的提出，客觀上推動(dòng)了整體論、系統(tǒng)論的發(fā)展。至此，虛擬仿真技術(shù)終于進(jìn)入了今天的研究復(fù)雜系統(tǒng)仿真的嶄新階段。

現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展和控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。比如控制工程和系統(tǒng)工程的發(fā)展在客觀上極大地促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，則為仿真技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的手段和工具。

2 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

從虛擬仿真技術(shù)的誕生和發(fā)展歷史可以看出，該項(xiàng)技術(shù)最早應(yīng)用在軍事領(lǐng)域（最早的仿真器即是由美國(guó)空軍制造）比如航天器、航海模擬以及高能武器模擬等。其中，美國(guó)的綜合戰(zhàn)區(qū)演練計(jì)劃、歐洲大型軍事演習(xí)等均體現(xiàn)出虛擬仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域中無可替代的重要性和實(shí)效性。伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，仿真技術(shù)必然而然地被推廣到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，也成為了系統(tǒng)工程中的有力工具和科學(xué)方法。同時(shí)仿真技術(shù)由于在工業(yè)系統(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)用中帶來了實(shí)質(zhì)性的巨大利益，也成為工程結(jié)算中非常重要的依據(jù)資料。（一）原材料質(zhì)量記錄在結(jié)算中的作用：建筑原材料在進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)后必須要進(jìn)行檢驗(yàn)，只有合格的原材料才能被使用，但往往出現(xiàn)這樣的情況：設(shè)計(jì)需要的是DN108鍍鋅鋼管，可市面上出售的卻是DN100型鍍鋅鋼管；保溫和防水材料大抵都存在著一個(gè)密度上的問題，不同的材料因物而異，建設(shè)單位總是要求使用質(zhì)量過硬的好材料。遇到這樣的情況就需要現(xiàn)場(chǎng)施工人員做好原材料的記錄，在取得建設(shè)單位的簽字確認(rèn)后，在結(jié)算時(shí)便可根據(jù)原材料的記錄從而調(diào)整材料的價(jià)差。（二）隱蔽工程記錄在結(jié)算中的作用：隱蔽工程是隨著施工過程的發(fā)展而發(fā)生的，在做工程結(jié)算時(shí)較難掌握。因?yàn)殡[蔽工程在整個(gè)工程造價(jià)中所占比重較大，所謂做好隱蔽工程的記錄就是要做好工程內(nèi)在的實(shí)況記錄。由于隱蔽工程在整體項(xiàng)目建成以后便無法看到，所以一旦現(xiàn)場(chǎng)簽證記錄的手續(xù)不夠完整或相對(duì)缺乏，就會(huì)大大增加工程結(jié)算的難度。因此工程完工之后，就要求表面上看不到的工程都必須翔實(shí)地記錄在案——圖紙上找不到的內(nèi)容都必須一一記錄下來。只有認(rèn)真做好隱蔽工程的驗(yàn)收記錄，并對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的每一項(xiàng)隱蔽工程簽證實(shí)行嚴(yán)格控制，才能以有效簽證后的隱蔽工程量作為編制結(jié)算的依據(jù)。否則，在結(jié)算中就應(yīng)該視它為不存在（記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)該準(zhǔn)確明了，如需畫簡(jiǎn)圖的應(yīng)該畫出施工簡(jiǎn)圖）。工程量的計(jì)算更要求有詳細(xì)的計(jì)算過程和計(jì)算依據(jù)做計(jì)算基礎(chǔ)。隱蔽工程資料的記錄要及時(shí)準(zhǔn)確，并在經(jīng)過了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理的親自確認(rèn)和蓋章后才能作為結(jié)算的依據(jù)。虛擬仿真技術(shù)在隱蔽工程上的應(yīng)用具有了一定的超前意識(shí)。即可以通過對(duì)隱蔽工程的施工建設(shè)建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)字模型，從而獲得真正施工過程中關(guān)于隱蔽工程的相關(guān)資料，進(jìn)而對(duì)整體的施工建設(shè)產(chǎn)生一定的影響。

鋼結(jié)構(gòu)建筑物的施工是一項(xiàng)極為重要和復(fù)雜的課題，因?yàn)樘摂M仿真技術(shù)在這一項(xiàng)目中占有的舉足輕重的位置，足可見該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中所起的關(guān)鍵作用。在現(xiàn)代的復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)的施工中，它的成型過程就是一個(gè)由部分到整體逐步完善的過程。在不同的施工階段，它所呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)形態(tài)、邊界條件、負(fù)載情況和受力特性等都不盡相同。在安裝完成一個(gè)階段后，此時(shí)的結(jié)構(gòu)暫時(shí)處在一個(gè)平衡狀態(tài)。在下一個(gè)階段的結(jié)構(gòu)接著進(jìn)行時(shí)，新安裝的部分便會(huì)對(duì)業(yè)已安裝好的那一部分產(chǎn)生一定程度的影響，以期兩者達(dá)到新的平衡。于是這樣一個(gè)階段接一個(gè)階段地安裝下去，所有的結(jié)構(gòu)便都會(huì)需求找到一個(gè)新的最后的平衡。因?yàn)樵诎惭b的過程中結(jié)構(gòu)所受力的因素較多且復(fù)雜，加之不同的施工方法，所以在傳統(tǒng)模式下要實(shí)現(xiàn)對(duì)施工全程的每一個(gè)細(xì)枝末節(jié)都巨細(xì)無遺地進(jìn)行完整細(xì)致的分析，在技術(shù)層面和理論層面上均是幾乎不可能的。如果沒有做好施工分析，必然導(dǎo)致施工過程無法在正確有效的指導(dǎo)條件下進(jìn)行，而所造成的結(jié)果，輕則是浪費(fèi)了資源、不可避免地增加了施工的成本，重則會(huì)出現(xiàn)無法預(yù)料的安全事故甚至危及施工人員的生命安全，從而造成無法估量的重大損失。經(jīng)過大量的工程實(shí)踐所得出的結(jié)論，可以看出施工階段是各種事故頻發(fā)的一個(gè)高峰期。一旦處理上出現(xiàn)不慎操作，大禍即刻釀成。分析眾多的工程事故案例可以得知，大部分的安全事故就是因?yàn)閷?duì)施工分析的不夠周密所致。而虛擬仿真技術(shù)便可以對(duì)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全程的跟蹤分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中最危險(xiǎn)的階段，并且立刻采取控制措施。這對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工安全的最優(yōu)化等無疑具有非常重要的意義。

3 虛擬仿真技術(shù)在實(shí)際施工應(yīng)用中的分析

建筑施工過程其實(shí)就是把施工設(shè)計(jì)圖建成實(shí)物的過程。傳統(tǒng)的施工執(zhí)行過程中，很難做到完全按照設(shè)計(jì)要求實(shí)施。因?yàn)槭┕さ姆绞椒椒ㄈ绱硕鄻踊?，并且很容易隨著實(shí)際情況的變化而變化。于是，“施工經(jīng)驗(yàn)”即成為傳統(tǒng)模式下使施工方法和組織達(dá)到最優(yōu)化的唯一手段。由此也出現(xiàn)了很多施工方面的失誤。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因就是：僅僅依靠這種“施工經(jīng)驗(yàn)”必然受其局限性所限。尤其現(xiàn)在的很多建筑已經(jīng)采用了全新結(jié)構(gòu)，施工條件的復(fù)雜程度今非昔比，如果依然一味地以過去的經(jīng)驗(yàn)手段控制施工，將造成盲目性、主觀性以及隨意性等諸多缺陷，全面性、周密性和客觀性的缺失無疑將導(dǎo)致很多問題的出現(xiàn)，比如施工質(zhì)量問題、成本難以準(zhǔn)確控制問題、能耗過量問題以及施工過程中的人身安全問題等。通過分析，從已經(jīng)造成的建筑施工事故報(bào)告中不難發(fā)現(xiàn)，許多造成了重大損失（包括人員及財(cái)產(chǎn)損失）的事故都是因?yàn)閮H僅憑著主觀臆斷和過分依賴過去的施工經(jīng)驗(yàn)而發(fā)生的。虛擬仿真技術(shù)在建筑施工領(lǐng)域的應(yīng)用，大大地彌補(bǔ)了這一缺陷。虛擬仿真技術(shù)完全支持下建立起來的設(shè)計(jì)數(shù)字幾何模型和施工，利用了其交互性、高度仿真性，使得施工人員、設(shè)計(jì)師和業(yè)主均可根據(jù)自己的實(shí)際需求進(jìn)行施工模擬實(shí)驗(yàn)，為制定最佳最合理的施工計(jì)劃找到了途徑，從而實(shí)現(xiàn)了成本大幅度降低，工期極大地縮短，避免了不必要的施工浪費(fèi)同時(shí)工程質(zhì)量也得到了大幅提升。

上海正大廣場(chǎng)（如圖1-1）的施工建設(shè)即是虛擬仿真技術(shù)在建筑領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的典型案例。上海正大廣場(chǎng)位于上海浦東陸家嘴國(guó)際金融貿(mào)易區(qū)，是目前國(guó)內(nèi)單位面積最大的工程之一（總建筑面積達(dá)24.1萬平方米）負(fù)責(zé)承建的中國(guó)建筑三局、原華中理工大學(xué)、中建三局三公司等有關(guān)專家和工程技術(shù)人員經(jīng)過歷時(shí)半年的專項(xiàng)研究和探索，針對(duì)上海正大廣場(chǎng)項(xiàng)目建筑功能、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)關(guān)系的復(fù)雜以及工程量大、施工難度大、工期短的特點(diǎn)，聯(lián)合開發(fā)出了正大廣場(chǎng)施工虛擬仿真系統(tǒng)。通過對(duì)該系統(tǒng)的研究和實(shí)驗(yàn)，成功地達(dá)到了施工建設(shè)所預(yù)期的三大目標(biāo)：第一是在建筑物建成之前，虛擬顯現(xiàn)建筑物建成之后周邊環(huán)境的狀況；第二是虛擬仿真系統(tǒng)的核心部分——即在鋼結(jié)構(gòu)施工之前，在計(jì)算機(jī)所建立的模型上完成各種構(gòu)件的拼裝、吊裝方案的多種試驗(yàn)和相關(guān)優(yōu)化工作；三是應(yīng)力和變形分析（包括了桅桿起重機(jī)和吊裝屋架內(nèi)力的分析以及焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析）這套系統(tǒng)同時(shí)在技術(shù)實(shí)踐領(lǐng)域取得了驕人的成果：由二維設(shè)計(jì)圖紙快速生成三維土建模型；對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)采用邏輯化的層次場(chǎng)景進(jìn)行描述；實(shí)施施工過程中的三維全視覺仿真等等，這些都為今后該項(xiàng)技術(shù)在建筑施工領(lǐng)域內(nèi)的推廣及應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

圖1-1

4 結(jié)束語

總之，虛擬仿真技術(shù)推廣到建筑施工中的應(yīng)用，體現(xiàn)在極大地降低了施工成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，從而使施工控制的最優(yōu)化得以實(shí)現(xiàn)。虛擬仿真技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中所起到的不可或缺的作用，尤其在建筑施工領(lǐng)域顯得更加重要，值得我們投入更多的精力與時(shí)間去研究。

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