建筑施工中虛擬仿真技術的實踐應用探究

【摘 要】以計算機技術和信息技術的突飛猛進為基礎平臺，虛擬仿真技術得到了前所未有的全面飛速發展，在建筑領域中也愈發顯得尤為重要。本文介紹了虛擬仿真技術的形成和發展的過程，以及該項技術在建筑施工中的應用，在實踐過程中突出的重要性。

【關鍵詞】仿真技術；仿真模型

虛擬仿真技術的形成和發展已經有半個多世紀的時間了。在這期間，這項技術從無到有、從簡單到復雜、從建立理論體系到生產實踐應用、從最初的輔助學科到如今成為解決重大工程問題的必要手段，仿真技術在多項技術（包括計算機技術、網絡技術、多媒體技術、信息處理技術、圖形圖像技術、系統工程和控制論等）的支持、交叉、相互融合下，已經逐漸地成為了一門交叉科學，乃至一種認識客觀世界的重要方法。

1 虛擬仿真技術的概念及發展史

虛擬仿真屬于基礎性學科的一門。仿真技術是建立在控制理論、相似原理、數學模型與計算機技術、信息技術、系統技術及其應用領域相關專業技術的基礎上，以計算機和多種專用物理效應設備為實施工具，以系統模型為借助途徑，對實際的或假設的系統進行動態試驗研究的一門新興的綜合性技術。屬于一種可控制、耗費小、無破壞性并且可以進行多次重復的實驗手段。它的主要特點有：高效、優質、低廉，體現出強大的生命力和潛在的巨大能力。迄今為止，虛擬仿真技術是最為有效的經濟的綜合集成法，也成為了推動技術實質進步的一門戰略技術。仿真就是建立系統的模型（比如數學模型、物理效應模型以及兼合兩者的數學-物理效應模型），在此類模型上進行試驗和研究一個實際的或設想中的系統。包括土木、機械、電子、水力、聲學、熱學等在內的技術系統；同時也涵蓋了社會、經濟、生態、生物和管理系統等在內的傳統非技術系統。虛擬仿真系統的發展應該從仿真器開始。美國空軍的林克機練習器誕生于一九二九年。火炮控制系統和飛行控制動力學系統的相關研究在二戰后期得到了前所未有的關注，從而促進了仿真技術的發展。上世紀七十年代后，仿真技術在軍事領域的發展非常迅速，并且從最初的軍事方面漸漸擴展到其他工業領域。但這仍舊只是該項技術發展的初級階段。美國國防部高級研究計劃局和美國陸軍在上世紀八十年代共同制定了SIMNET計劃并投入了大量的精力到該項計劃的研究和執行中。先進的實物仿真實驗室最先在美國空軍建立，各部門緊隨其后紛紛建設分布式交互仿真系統、并行式交互仿真系統以及聚合式仿真系統。于是虛擬仿真技術在這一時期達到了較高級的階段。到了二十世紀末和本世紀初，科學研究領域適時地掀起了一股針對廣泛領域的復雜性問題研究的熱潮。復雜性即是針對簡單性的否定，復雜問題的提出，客觀上推動了整體論、系統論的發展。至此，虛擬仿真技術終于進入了今天的研究復雜系統仿真的嶄新階段。

現代虛擬仿真技術的發展和控制工程、系統工程及計算機技術的發展是密不可分的。比如控制工程和系統工程的發展在客觀上極大地促進了仿真技術的廣泛應用，而計算機的出現以及相應的計算機技術的飛速發展，則為仿真技術的發展提供了強有力的手段和工具。

2 虛擬仿真技術的應用領域

從虛擬仿真技術的誕生和發展歷史可以看出，該項技術最早應用在軍事領域（最早的仿真器即是由美國空軍制造）比如航天器、航海模擬以及高能武器模擬等。其中，美國的綜合戰區演練計劃、歐洲大型軍事演習等均體現出虛擬仿真技術在軍事領域中無可替代的重要性和實效性。伴隨著國民經濟的高速發展，仿真技術必然而然地被推廣到了國民經濟的各個領域，也成為了系統工程中的有力工具和科學方法。同時仿真技術由于在工業系統的各項應用中帶來了實質性的巨大利益，也成為工程結算中非常重要的依據資料。（一）原材料質量記錄在結算中的作用：建筑原材料在進入施工現場后必須要進行檢驗，只有合格的原材料才能被使用，但往往出現這樣的情況：設計需要的是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密度上的問題，不同的材料因物而異，建設單位總是要求使用質量過硬的好材料。遇到這樣的情況就需要現場施工人員做好原材料的記錄，在取得建設單位的簽字確認后，在結算時便可根據原材料的記錄從而調整材料的價差。（二）隱蔽工程記錄在結算中的作用：隱蔽工程是隨著施工過程的發展而發生的，在做工程結算時較難掌握。因為隱蔽工程在整個工程造價中所占比重較大，所謂做好隱蔽工程的記錄就是要做好工程內在的實況記錄。由于隱蔽工程在整體項目建成以后便無法看到，所以一旦現場簽證記錄的手續不夠完整或相對缺乏，就會大大增加工程結算的難度。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地記錄在案——圖紙上找不到的內容都必須一一記錄下來。只有認真做好隱蔽工程的驗收記錄，并對施工現場的每一項隱蔽工程簽證實行嚴格控制，才能以有效簽證后的隱蔽工程量作為編制結算的依據。否則，在結算中就應該視它為不存在（記錄的數據應該準確明了，如需畫簡圖的應該畫出施工簡圖）。工程量的計算更要求有詳細的計算過程和計算依據做計算基礎。隱蔽工程資料的記錄要及時準確，并在經過了現場監理的親自確認和蓋章后才能作為結算的依據。虛擬仿真技術在隱蔽工程上的應用具有了一定的超前意識。即可以通過對隱蔽工程的施工建設建立相對應的數字模型，從而獲得真正施工過程中關于隱蔽工程的相關資料，進而對整體的施工建設產生一定的影響。

鋼結構建筑物的施工是一項極為重要和復雜的課題，因為虛擬仿真技術在這一項目中占有的舉足輕重的位置，足可見該項技術在實際生產中所起的關鍵作用。在現代的復雜空間鋼結構的施工中，它的成型過程就是一個由部分到整體逐步完善的過程。在不同的施工階段，它所呈現出的結構形態、邊界條件、負載情況和受力特性等都不盡相同。在安裝完成一個階段后，此時的結構暫時處在一個平衡狀態。在下一個階段的結構接著進行時，新安裝的部分便會對業已安裝好的那一部分產生一定程度的影響，以期兩者達到新的平衡。于是這樣一個階段接一個階段地安裝下去，所有的結構便都會需求找到一個新的最后的平衡。因為在安裝的過程中結構所受力的因素較多且復雜，加之不同的施工方法，所以在傳統模式下要實現對施工全程的每一個細枝末節都巨細無遺地進行完整細致的分析，在技術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，必然導致施工過程無法在正確有效的指導條件下進行，而所造成的結果，輕則是浪費了資源、不可避免地增加了施工的成本，重則會出現無法預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。經過大量的工程實踐所得出的結論，可以看出施工階段是各種事故頻發的一個高峰期。一旦處理上出現不慎操作，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為對施工分析的不夠周密所致。而虛擬仿真技術便可以對空間結構進行施工全程的跟蹤分析，及時發現施工過程中最危險的階段，并且立刻采取控制措施。這對工程設計、施工安全的最優化等無疑具有非常重要的意義。

3 虛擬仿真技術在實際施工應用中的分析

建筑施工過程其實就是把施工設計圖建成實物的過程。傳統的施工執行過程中，很難做到完全按照設計要求實施。因為施工的方式方法如此多樣化，并且很容易隨著實際情況的變化而變化。于是，“施工經驗”即成為傳統模式下使施工方法和組織達到最優化的唯一手段。由此也出現了很多施工方面的失誤。導致這一現象的原因就是：僅僅依靠這種“施工經驗”必然受其局限性所限。尤其現在的很多建筑已經采用了全新結構，施工條件的復雜程度今非昔比，如果依然一味地以過去的經驗手段控制施工，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致很多問題的出現，比如施工質量問題、成本難以準確控制問題、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，從已經造成的建筑施工事故報告中不難發現，許多造成了重大損失（包括人員及財產損失）的事故都是因為僅僅憑著主觀臆斷和過分依賴過去的施工經驗而發生的。虛擬仿真技術在建筑施工領域的應用，大大地彌補了這一缺陷。虛擬仿真技術完全支持下建立起來的設計數字幾何模型和施工，利用了其交互性、高度仿真性，使得施工人員、設計師和業主均可根據自己的實際需求進行施工模擬實驗，為制定最佳最合理的施工計劃找到了途徑，從而實現了成本大幅度降低，工期極大地縮短，避免了不必要的施工浪費同時工程質量也得到了大幅提升。

上海正大廣場（如圖1-1）的施工建設即是虛擬仿真技術在建筑領域實際應用的典型案例。上海正大廣場位于上海浦東陸家嘴國際金融貿易區，是目前國內單位面積最大的工程之一（總建筑面積達24.1萬平方米）負責承建的中國建筑三局、原華中理工大學、中建三局三公司等有關專家和工程技術人員經過歷時半年的專項研究和探索，針對上海正大廣場項目建筑功能、結構和設計關系的復雜以及工程量大、施工難度大、工期短的特點，聯合開發出了正大廣場施工虛擬仿真系統。通過對該系統的研究和實驗，成功地達到了施工建設所預期的三大目標：第一是在建筑物建成之前，虛擬顯現建筑物建成之后周邊環境的狀況；第二是虛擬仿真系統的核心部分——即在鋼結構施工之前，在計算機所建立的模型上完成各種構件的拼裝、吊裝方案的多種試驗和相關優化工作；三是應力和變形分析（包括了桅桿起重機和吊裝屋架內力的分析以及焊接應力應變的分析）這套系統同時在技術實踐領域取得了驕人的成果：由二維設計圖紙快速生成三維土建模型；對數據庫采用邏輯化的層次場景進行描述；實施施工過程中的三維全視覺仿真等等，這些都為今后該項技術在建筑施工領域內的推廣及應用打下了良好的基礎。

圖1-1

4 結束語

總之，虛擬仿真技術推廣到建筑施工中的應用，體現在極大地降低了施工成本和安全風險，從而使施工控制的最優化得以實現。虛擬仿真技術在各個領域中所起到的不可或缺的作用，尤其在建筑施工領域顯得更加重要，值得我們投入更多的精力與時間去研究。

參考文獻：

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[2]張宏勝，江舟，張希黔，等.虛擬仿真技術在鋼構結構預應力拉索施工中的應用[J].施工技術，2004，33（7）