建筑業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力：虛擬施工技術(shù)

◎ 香港理工大學(xué)建筑及房地產(chǎn)學(xué)系建筑虛擬模型實(shí)驗(yàn)室 李 恒 郭紅領(lǐng) 黃霆 陳鏡源 陳景進(jìn)

0 引言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的深入與加快，建筑業(yè)面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)遇。近年來，建筑業(yè)總產(chǎn)值一直保持快速增長(zhǎng)，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，這種趨勢(shì)還將延續(xù)。然而，全球建筑業(yè)生產(chǎn)力水平逐年下降。根據(jù)美國(guó)勞動(dòng)統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，美國(guó)建筑業(yè)生產(chǎn)力指數(shù)呈下降趨勢(shì)，特別是最近10年來，下降幅度較大；而制造業(yè)的生產(chǎn)力水平則呈上升趨勢(shì)。中國(guó)建筑業(yè)也不例外，生產(chǎn)力水平較低，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于制造業(yè)。究其原因，除了建筑材料、人力、機(jī)械成本的上漲之外，另一個(gè)主要原因是設(shè)計(jì)、施工的返工成本（或不可預(yù)見成本）和管理成本上漲。在建設(shè)項(xiàng)目日益復(fù)雜化的情況下，設(shè)計(jì)和施工的問題也不斷出現(xiàn)，隨之而來的設(shè)計(jì)和施工返工率越來越高，這就大大提高了返工成本（約占總建造成本的12-22%[1]）。同時(shí)，為了解決設(shè)計(jì)和施工過程中出現(xiàn)的問題，不得不擴(kuò)大管理隊(duì)伍，這就造成管理層極度臃腫、管理成本的提高（約占總建造成本的13-30%[1]）。而制造業(yè)的返工成本和管理成本則少之又少。面對(duì)龐大的中國(guó)建筑市場(chǎng)，低的生產(chǎn)力水平意味著資源的極大浪費(fèi)。因此，如何提高建筑業(yè)的生產(chǎn)力水平，是一個(gè)迫在眉睫的問題。本文從解決返工成本和管理成本這兩個(gè)關(guān)鍵問題出發(fā)，參考制造業(yè)的生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，將虛擬模型技術(shù)機(jī)理引入建筑施工項(xiàng)目管理，即“虛擬施工技術(shù)”，以期望為提升建筑業(yè)的生產(chǎn)力水平提供一個(gè)有效的途徑。

1 虛擬施工技術(shù)

虛擬模型技術(shù)（Virtual Prototyping，即VP）是一種在虛擬環(huán)境中建模、模擬、分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程的數(shù)字化、可視化技術(shù)[2,3,4]，其在制造業(yè)中得到了較好的應(yīng)用，如飛機(jī)、汽車制造等[5]，但在建筑業(yè)中的應(yīng)用才剛剛起步，盡管如此，其已初步顯示出強(qiáng)有力的作用[6]。虛擬施工技術(shù)（Construction VP，即CVP）就是基于虛擬模型技術(shù)而提出的用于建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工過程模擬與分析的數(shù)字化、可視化技術(shù)，其擴(kuò)展了4D（3D＋時(shí)間）技術(shù)，即不僅考慮了時(shí)間維，還考慮了其他維數(shù)，如材料、機(jī)械、人力、空間、安全等，因此可稱之為“ND”技術(shù)。當(dāng)前，建筑領(lǐng)域的可視化研究與應(yīng)用主要集中在三維（3D）建模技術(shù)或BIM（Building Information Modelling）技術(shù)、4D技術(shù)。BIM技術(shù)主要集成了建筑項(xiàng)目本身的相關(guān)信息，屬于靜態(tài)信息，主要用于項(xiàng)目設(shè)計(jì)分析；4D技術(shù)則基于3D模型，引入時(shí)間因素，進(jìn)行施工進(jìn)度的可視化展示，但沒有考慮資源等關(guān)鍵因素。虛擬施工技術(shù)的研究則將可視化技術(shù)在建筑項(xiàng)目中的應(yīng)用提高到一個(gè)新的水平。

虛擬施工技術(shù)的主導(dǎo)思想是“先試后建”，即基于一個(gè)虛擬平臺(tái)，在真實(shí)工程開工之前，對(duì)建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)項(xiàng)目施工方案進(jìn)行模擬、分析與優(yōu)化，以便提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，直至獲得最佳的設(shè)計(jì)和施工方案，從而指導(dǎo)真實(shí)的施工。這一理念的實(shí)施，將大大降低返工成本和管理成本。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬施工技術(shù)的研究仍處于初期階段，香港理工大學(xué)建筑虛擬模型實(shí)驗(yàn)室則是這方面研究的先驅(qū)者，其技術(shù)水平一直處于世界領(lǐng)先地位。下文將基于該實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的相關(guān)技術(shù)，對(duì)虛擬施工技術(shù)的“先試后建”理念進(jìn)行詳細(xì)剖析。

2 虛擬施工技術(shù)的作用

“先試后建”是虛擬施工技術(shù)實(shí)施的指導(dǎo)思想，也是虛擬施工技術(shù)作用的集中體現(xiàn)，其可對(duì)建筑工程中的任何需要進(jìn)行檢測(cè)、模擬和分析。下面針對(duì)建筑項(xiàng)目的不同階段，對(duì)虛擬施工技術(shù)的作用進(jìn)行分析，即優(yōu)化建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)、優(yōu)化施工過程、優(yōu)化施工管理活動(dòng)等。

2.1 優(yōu)化建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)

圖1 某建筑項(xiàng)目的3D模型

圖2 設(shè)備管線之間的碰撞

完善的設(shè)計(jì)方案是建筑項(xiàng)目順利實(shí)施的前提和保證。建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)由建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)備設(shè)計(jì)等組成。通常，這三方面由多個(gè)設(shè)計(jì)方完成。在施工過程中，這些設(shè)計(jì)將轉(zhuǎn)變?yōu)榧稍谝黄鸬慕ㄖ?gòu)件，結(jié)果碰撞或沖突時(shí)常出現(xiàn)，如建筑設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的沖突等。這不僅會(huì)增加設(shè)計(jì)、施工返工成本，浪費(fèi)資源，還會(huì)影響施工的進(jìn)度。這也是建筑工程經(jīng)常出現(xiàn)工期延遲的主要原因之一。另外，設(shè)計(jì)的不可施工性是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要問題。特別是對(duì)于復(fù)雜的建筑項(xiàng)目，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)的可施工性不強(qiáng)或不可行等問題。這同樣增加返工量，影響施工進(jìn)度。究其主要原因，就是缺乏一個(gè)有效的協(xié)同工作及檢測(cè)平臺(tái)，即設(shè)計(jì)方、施工方在設(shè)計(jì)階段不能有效地溝通與協(xié)作，同時(shí)在二維（2D）環(huán)境下不能對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢測(cè)與分析。虛擬施工技術(shù)為此提供了一個(gè)有效的平臺(tái)，用于設(shè)計(jì)沖突、可施工性的檢測(cè)，及多方溝通。

采用虛擬施工技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要建立相關(guān)3D模型，包括建筑、結(jié)構(gòu)及建筑設(shè)備等。圖1給出了某建筑項(xiàng)目的3D設(shè)計(jì)模型。基于建立的3D模型，可進(jìn)行設(shè)計(jì)檢測(cè)、協(xié)同修改。設(shè)計(jì)檢測(cè)可根據(jù)需要設(shè)定相關(guān)參數(shù)，確定檢測(cè)范圍，從而檢測(cè)設(shè)計(jì)沖突問題、可施工性問題。圖2是基于上述3D模型進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)的其中一例沖突，即設(shè)備管線之間的碰撞。檢測(cè)到設(shè)計(jì)問題后，相關(guān)各方基于此虛擬平臺(tái)和3D模型可及時(shí)進(jìn)行分析與溝通，從而及時(shí)、有效地解決問題。設(shè)計(jì)檢測(cè)在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)開始，是一個(gè)“設(shè)計(jì)－檢測(cè)－設(shè)計(jì)”的循環(huán)過程，直至在施工之前解決所有設(shè)計(jì)問題，盡而消除返工成本、減少施工時(shí)間。盡管檢測(cè)跟蹤時(shí)間較長(zhǎng)，但檢測(cè)、修改過程可以自動(dòng)化操作，因此設(shè)計(jì)優(yōu)化過程非常方便。同時(shí)，可行的設(shè)計(jì)方案是施工過程優(yōu)化的前提，否則施工優(yōu)化無(wú)從談起。

2.2 優(yōu)化施工過程

施工過程的順利實(shí)施是在有效的施工方案指導(dǎo)下進(jìn)行的。當(dāng)前，施工方案的編制主要基于項(xiàng)目經(jīng)理及項(xiàng)目組的經(jīng)驗(yàn)來實(shí)施。然而，面對(duì)越來越龐大且復(fù)雜的建筑工程項(xiàng)目，僅憑項(xiàng)目經(jīng)理的經(jīng)驗(yàn)來編制施工方案已顯得力不從心。施工方案的可行性一直受到業(yè)界的關(guān)注。同時(shí)，由于建筑項(xiàng)目的單一性和不可重復(fù)性，施工方案同樣具有不可重復(fù)性，即不可能如制造業(yè)那樣，同一生產(chǎn)方案可用于某產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。通常是，當(dāng)某個(gè)工程即將結(jié)束時(shí)，一套完善的施工方案才展現(xiàn)于面前，結(jié)果為時(shí)已晚。施工進(jìn)度拖延、安全問題頻頻出現(xiàn)、返工率高、建造成本超支等已成為現(xiàn)有建筑工程項(xiàng)目的通病。因此，在施工開始之前，找出完善的施工方案是十分必要的、重要的。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)不僅可以測(cè)試和比較不同的施工方案，還可以優(yōu)化施工方案。

基于上述建立的3D模型，采用虛擬施工技術(shù)可模擬和分析相關(guān)施工方案。圖3簡(jiǎn)要展示了一個(gè)非典型柱體安裝方案的模擬過程。整個(gè)模擬過程包括了施工程序、設(shè)備調(diào)用、資源（包括建筑材料及人員等）配置等。通過模擬，可發(fā)現(xiàn)不合理的施工程序、設(shè)備調(diào)用程度與沖突、資源的不合理利用、安全隱患（如碰撞等）、作業(yè)空間不充足等問題，也可以及時(shí)更新施工方案，以解決相關(guān)問題。施工過程優(yōu)化也是一個(gè)重復(fù)的過程，即“初步方案－模擬－更新方案”，直至在真實(shí)施工之前找到一個(gè)最佳的施工方案，盡最大可能實(shí)現(xiàn)“零碰撞、零沖突、零返工”。從而大大降低返工成本，減少資源浪費(fèi)與沖突及安全問題。同時(shí)，虛擬施工技術(shù)也為總承建商、分承建商、設(shè)計(jì)單位及業(yè)主提供了一個(gè)溝通與協(xié)作平臺(tái)，幫助各方及時(shí)、快捷地解決各種問題，從而大大提高了工作效率，節(jié)省了大量的時(shí)間。

2.3 優(yōu)化施工管理活動(dòng)

為了解決施工過程中的相關(guān)問題，特別是復(fù)雜的項(xiàng)目工程，需要配備大量的管理人員，這大大增加了管理成本。通過上述施工過程的優(yōu)化，除了在施工開始之前建立一個(gè)完善的施工方案外，虛擬施工技術(shù)還可以清晰地展示整個(gè)施工過程。此模擬過程提供了一個(gè)栩栩如生的“施工操作說明書”（如圖3所示），可為分包商或工人進(jìn)行開工前的培訓(xùn)，或?yàn)楣と藢?shí)際操作提供參考，從而減少實(shí)際操作失誤。由于減少了實(shí)際施工中的問題，管理活動(dòng)也得到簡(jiǎn)化，項(xiàng)目對(duì)管理人員的需求自然減少，或合并相關(guān)職位、或減少相關(guān)職位，盡而管理成本將大大降低。

3 虛擬施工技術(shù)的應(yīng)用成效

虛擬施工技術(shù)的研究與應(yīng)用是一個(gè)較為前沿的課題，在中國(guó)內(nèi)地的研究與應(yīng)用較少，相對(duì)而言，在國(guó)外及香港等地應(yīng)用較多。目前，虛擬施工技術(shù)已應(yīng)用于香港等地多個(gè)建筑工程項(xiàng)目，包括住宅、酒店、辦公樓、商用樓、體育場(chǎng)、橋梁等大型復(fù)雜工程。基于對(duì)部分項(xiàng)目的調(diào)查分析，本文初步總結(jié)了虛擬施工技術(shù)的成效，主要分析了其對(duì)項(xiàng)目工期與成本的影響（見表1）。由表1可以看出，虛擬施工技術(shù)對(duì)建筑工程項(xiàng)目的執(zhí)行有著顯著的影響，可以有效地降低成本與工期。這在某種程度上將提高建筑企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力水平，同時(shí)也將提高建筑業(yè)的生產(chǎn)力水平。

圖3 柱安裝方案模擬過程

表1 虛擬施工技術(shù)對(duì)項(xiàng)目時(shí)間與成本的影響

4 虛擬施工技術(shù)的引入與建議

盡管虛擬施工技術(shù)已應(yīng)用于多個(gè)建筑工程項(xiàng)目，并取得了較好的效果，但建筑業(yè)界對(duì)其認(rèn)知還不足夠，特別是如何引入該技術(shù)是建筑業(yè)界比較關(guān)心的問題。基于對(duì)多個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，本文給出以下幾方面的建議，供業(yè)界參考。

4.1 引入方式－與虛擬施工技術(shù)咨詢單位合作

虛擬施工技術(shù)是高新技術(shù)在建筑業(yè)中的應(yīng)用，這關(guān)系到建筑項(xiàng)目管理知識(shí)與信息技術(shù)知識(shí)的融合。當(dāng)前，由于建筑業(yè)界對(duì)虛擬施工技術(shù)缺乏一定的了解，開發(fā)商或承建商欲引入此技術(shù)，則需要與經(jīng)驗(yàn)豐富的虛擬施工技術(shù)咨詢單位密切合作。有經(jīng)驗(yàn)的咨詢單位，通常擁有復(fù)合型的人才，其既掌握建筑管理知識(shí)，也掌握計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)知識(shí)，同時(shí)擁有豐富的虛擬施工技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。與其合作，一方面，向咨詢單位充分了解虛擬施工技術(shù)的相關(guān)知識(shí)及作用，及對(duì)本公司項(xiàng)目的適用性；另一方面，邀請(qǐng)咨詢單位為本公司員工，特別是項(xiàng)目經(jīng)理、結(jié)構(gòu)工程師、建筑師、設(shè)備工程師等，進(jìn)行虛擬施工技術(shù)知識(shí)的培訓(xùn)，進(jìn)而為引入虛擬施工技術(shù)做好準(zhǔn)備。同時(shí)挑選一兩個(gè)建筑項(xiàng)目，在咨詢單位的介入下進(jìn)行虛擬施工技術(shù)試用與評(píng)價(jià)。在此過程中，公司可以加強(qiáng)虛擬施工技術(shù)人才的培養(yǎng)，盡而將其推廣至多個(gè)建筑項(xiàng)目。另外，在條件成熟時(shí)，根據(jù)本公司的需要，也可組建自己的虛擬施工技術(shù)團(tuán)隊(duì)。

4.2 引入最佳時(shí)機(jī)－建筑項(xiàng)目早期

根據(jù)作者多年的虛擬施工技術(shù)研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，表明虛擬施工技術(shù)引入的時(shí)間越早，就越有利于其功能的發(fā)揮，效用也越大。設(shè)計(jì)是施工的前提，只有擁有良好的設(shè)計(jì)方案，施工才能順利進(jìn)行。因此，虛擬施工技術(shù)的引入至少?gòu)脑O(shè)計(jì)階段開始，以便及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題、解決問題。這也加快了設(shè)計(jì)方案的完善過程，節(jié)約時(shí)間。只有在這樣的前提下，虛擬施工技術(shù)才能對(duì)施工過程進(jìn)行最有效地模擬與優(yōu)化。否則，不僅會(huì)降低虛擬施工技術(shù)的應(yīng)用效率，也會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間和成本來彌補(bǔ)設(shè)計(jì)的不足。

4.3 引入項(xiàng)目類型－大型或復(fù)雜項(xiàng)目

就虛擬施工技術(shù)本身而言，其適用于任何類型、任何規(guī)模的建筑項(xiàng)目；而就其效益而言，規(guī)模越大、越復(fù)雜的工程項(xiàng)目，采用虛擬施工技術(shù)的效益也越大、越明顯。這是因?yàn)榇笮蛷?fù)雜工程項(xiàng)目，無(wú)論在設(shè)計(jì)方面、還是在施工方面，都存在著較大挑戰(zhàn)，如設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工程序復(fù)雜、資源調(diào)配復(fù)雜等，僅依靠經(jīng)驗(yàn)或2D圖紙很難發(fā)現(xiàn)或解決其中存在的問題，而虛擬施工技術(shù)提供的可視化平臺(tái)，則可以較好地解決這些問題。相對(duì)來說，常規(guī)的建筑項(xiàng)目，設(shè)計(jì)和施工已趨向“標(biāo)準(zhǔn)化”，對(duì)虛擬施工技術(shù)的需求較小。因此，考慮到效益問題，本文建議在引入虛擬施工技術(shù)時(shí)，首選大型復(fù)雜工程項(xiàng)目或特殊工程項(xiàng)目。

4.4 引入的成敗關(guān)鍵－領(lǐng)導(dǎo)牽頭

建筑業(yè)是一個(gè)傳統(tǒng)的行業(yè)，盡管近年來信息技術(shù)發(fā)展迅速，但是其對(duì)建筑業(yè)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及制造業(yè)。目前，建筑業(yè)大部分的作業(yè)方式已經(jīng)趨向“定向化”。例如建筑設(shè)計(jì)、施工規(guī)劃一直采用2D圖紙，對(duì)3D操作方式有較強(qiáng)的抵觸性，而制造業(yè)基本上都采用了3D方式作業(yè)。同時(shí)，由于項(xiàng)目人員對(duì)虛擬施工技術(shù)缺乏認(rèn)識(shí)，認(rèn)為引入虛擬施工技術(shù)只是為了宣傳或市場(chǎng)推廣，并增加了其工作量，故不給予足夠重視或合作。因此，將虛擬施工技術(shù)引入建筑業(yè)，意味著多方面的變革，如思維方式、合作方式、設(shè)計(jì)手段、施工指導(dǎo)方式等都需要改變。這些是虛擬施工技術(shù)咨詢單位不能完全解決的問題，也是直接影響虛擬施工技術(shù)應(yīng)用成敗的關(guān)鍵問題。這就需要開發(fā)商或承建商的高層領(lǐng)導(dǎo)給予強(qiáng)力的支持，特別是在初期，要強(qiáng)行推進(jìn)，及時(shí)總結(jié)成效，加大培訓(xùn)力度。在虛擬施工技術(shù)實(shí)施的過程中，逐步讓項(xiàng)目人員看到虛擬施工技術(shù)的效用，改變其一貫的作業(yè)方式，最后轉(zhuǎn)“被動(dòng)”為“主動(dòng)”。只有這樣，才能成功地引入虛擬施工技術(shù)。需要說明的是，當(dāng)前建筑業(yè)的很多習(xí)慣難以一次性改變，如2D設(shè)計(jì)方式，在這種情況下，需要虛擬施工技術(shù)咨詢單位基于其豐富的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目找到一個(gè)“切入點(diǎn)”，在不改變一些傳統(tǒng)習(xí)慣的前提下，幫助企業(yè)引入虛擬施工技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來，由于建筑業(yè)存在的問題越來越突出，虛擬施工技術(shù)已引起了建筑業(yè)界及學(xué)術(shù)界人士的關(guān)注。特別是中國(guó)建筑業(yè)正處在高速發(fā)展階段，國(guó)家對(duì)建筑業(yè)信息化的問題十分關(guān)注。盡管虛擬施工技術(shù)的應(yīng)用還不廣泛，但其潛力和效用已初步顯示，特別是在設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工過程優(yōu)化和施工管理優(yōu)化等方面，已得到了驗(yàn)證。通過虛擬施工技術(shù)的應(yīng)用，施工時(shí)間和成本可以有效地降低。但是，虛擬施工技術(shù)的應(yīng)用不僅僅局限于設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)階段，其適用于建筑項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，包括規(guī)劃和物業(yè)管理等。隨著研究和應(yīng)用深入，虛擬施工技術(shù)可以產(chǎn)生更大效用，從而真正提高整個(gè)建筑業(yè)的生產(chǎn)力水平。