王建永

摘 要：針對(duì)當(dāng)前建筑業(yè)在設(shè)計(jì)施工當(dāng)中的返工率越來(lái)越高的現(xiàn)象，提出了將虛擬施工技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)仿真以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的事前控制和動(dòng)態(tài)管理達(dá)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(shí) 建筑施工

中圖分類號(hào)：TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）05（a）-0057-01

為了解決返工成本和管理成本這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(yàn)為參考，引入了虛擬模型技術(shù)機(jī)理即“虛擬施工技術(shù)”，將此技術(shù)應(yīng)用于建筑施工項(xiàng)目管理當(dāng)中。

1 虛擬施工的概念

虛擬施工（Virtual Construction，簡(jiǎn)稱VC），是通過(guò)計(jì)算機(jī)建模、分析，虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)將實(shí)際施工過(guò)程在計(jì)算機(jī)上模擬出來(lái)。此技術(shù)在制造業(yè)當(dāng)中應(yīng)用較多，在建筑施工當(dāng)中應(yīng)用較少。通過(guò)虛擬施工技術(shù)，業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位和施工方在策劃、投資、設(shè)計(jì)和施工之前都能夠清楚的看到施工的過(guò)程和結(jié)果。沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)（Immersive）和桌面虛擬現(xiàn)實(shí)（Desktop）是虛擬現(xiàn)實(shí)的兩種形式，但在建筑業(yè)當(dāng)中應(yīng)用較多的是桌面虛擬現(xiàn)實(shí)（Desktop）。國(guó)外在建筑施工中應(yīng)用的是開發(fā)漫游系統(tǒng)（Walkthrough）主要包括場(chǎng)地的外形和設(shè)計(jì)，施工過(guò)程的計(jì)劃和管理施工方案的預(yù)算等等。虛擬施工技術(shù)可以進(jìn)行干涉分析、可靠性檢驗(yàn)、內(nèi)力計(jì)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(lǐng)域，主要包括以下技術(shù)：

（1）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在施工技術(shù)與管理、內(nèi)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算等土木工程領(lǐng)域當(dāng)中。虛擬施工的核心是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，它通過(guò)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(shè)計(jì)、施工、管理等方面，應(yīng)用優(yōu)化原理，使得建筑項(xiàng)目質(zhì)量高、工期短、造價(jià)低，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的利益最大化。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)槿藱C(jī)交互對(duì)話提供三維界面，使用戶能夠沉浸在一個(gè)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(jué)，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(shí)施的指導(dǎo)思想以及作用的集中體現(xiàn)是“先試后建”。“先試后建”能夠保證項(xiàng)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(cè)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(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工過(guò)程以及施工管理活動(dòng)等。

3.1 優(yōu)化建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)

建筑項(xiàng)目能夠順利實(shí)施的前提和保證是要有一個(gè)完善的設(shè)計(jì)方案。由多個(gè)設(shè)計(jì)方參與完成的建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)即建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)備設(shè)計(jì)等，在施工過(guò)程中成為聚在一起的建筑構(gòu)件，由于由多方設(shè)計(jì)所以經(jīng)常發(fā)生沖突比如建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備之間的沖突等。這直接導(dǎo)致返工不僅增加成本而且延誤工期。另外，好多項(xiàng)目從設(shè)計(jì)角度可行，但實(shí)際施工當(dāng)中不可實(shí)施，導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗，必須變更設(shè)計(jì)，同樣會(huì)增加成本和延誤工期。以上問(wèn)題的原因就是設(shè)計(jì)方、施工方在設(shè)計(jì)階段缺少溝通和協(xié)作，缺少一個(gè)檢測(cè)平臺(tái)。針對(duì)這些問(wèn)題應(yīng)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(shè)計(jì)，建立相關(guān)3D模型提供了一個(gè)有效的平臺(tái)，包括建筑、結(jié)構(gòu)及建筑設(shè)備等用于設(shè)計(jì)沖突、可施工性的檢測(cè)，及多方溝通。

3.2 優(yōu)化施工過(guò)程

施工過(guò)程的順利實(shí)施的保證是有一個(gè)正確的施工方案作為指導(dǎo)。當(dāng)前，主要由項(xiàng)目經(jīng)理及項(xiàng)目組憑借施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)編制施工方案。但是由于工程的復(fù)雜性和項(xiàng)目經(jīng)理經(jīng)驗(yàn)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(shí)候也會(huì)受到質(zhì)疑。施工方案必須保證項(xiàng)目實(shí)施的可行性、低成本，高質(zhì)量、短工期同時(shí)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(wèn)題幾乎找不到有效的解決方案。虛擬施工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多方案比選，對(duì)不同方案進(jìn)行檢測(cè)，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(dāng)中的返工率越來(lái)越高，將虛擬施工技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)施工過(guò)程中，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)仿真以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的事前控制和動(dòng)態(tài)管理達(dá)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(dòng)

管理成本占據(jù)建筑項(xiàng)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(gè)施工過(guò)程就像栩栩如生的“施工操作說(shuō)明書”。

4 虛擬施工技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐

在國(guó)外對(duì)于虛擬施工技術(shù)一系列相關(guān)的研究和試驗(yàn)正在進(jìn)行。Clasgow Strathclyde大學(xué)土木工程系和信息科學(xué)系聯(lián)合研究一種能夠協(xié)同施工的可視計(jì)劃。它包括一個(gè)可以對(duì)全程進(jìn)行監(jiān)視并且可以交互的進(jìn)行的非沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)接口。針對(duì)幾種不同的施工順序和現(xiàn)場(chǎng)組織它允許用戶以交互協(xié)同方式進(jìn)行調(diào)查研究，同時(shí)優(yōu)化施工過(guò)程。一個(gè)3D粗樣軟件包和一種Pangea系統(tǒng)由Bartlestt建筑學(xué)校和University College London計(jì)算機(jī)科學(xué)系的研究人員共同開發(fā)研究，是測(cè)試城市設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)的早期原型。Dundee大學(xué)正在進(jìn)行Naives項(xiàng)目，能夠?qū)⒁粋€(gè)構(gòu)件元素在任何方向的撓度或內(nèi)力可視化。建筑設(shè)計(jì)虛擬環(huán)境系統(tǒng)在英國(guó)IES公司推出了。在1995年日本清水建設(shè)公司采用虛擬系統(tǒng)使施工生產(chǎn)情報(bào)例如在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示施工組織計(jì)劃。

從國(guó)內(nèi)看應(yīng)用虛擬施工技術(shù)的工程實(shí)例不是很多。有一個(gè)業(yè)內(nèi)人士都知道的例子那就是上海正大商業(yè)廣場(chǎng)。上海正大商業(yè)廣場(chǎng)屬于鋼結(jié)構(gòu)施工。它結(jié)構(gòu)龐大，有著類型復(fù)雜的構(gòu)件而且數(shù)量非常多，還有一點(diǎn)就是個(gè)吊裝空間以及運(yùn)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(gè)階段進(jìn)行：

（1）優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)施工方案。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)和結(jié)構(gòu)仿真成功實(shí)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(jì)算機(jī)上模擬構(gòu)件裝配、吊裝，將施工過(guò)程可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題充分暴露出來(lái)，并經(jīng)過(guò)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(jī)。為了保障吊裝的安全，利用虛擬施工技術(shù)模擬吊裝過(guò)程，并分析相關(guān)構(gòu)件的內(nèi)力。另外對(duì)焊接時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)以及溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，保證焊接的質(zhì)量。（3）模擬建筑場(chǎng)地和周圍的環(huán)境。就是在計(jì)算機(jī)模擬當(dāng)建筑物建成后周圍會(huì)出現(xiàn)怎樣情景。這項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用，能夠清楚的了解到建筑物對(duì)周圍環(huán)境的影響，為此我們提前做好防護(hù)措施。

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