應用推廣建筑施工新方法——虛擬施工技術

【摘 要】虛擬施工技術是一種新的管理方法，運用該方法可優化建筑項目設計、優化施過程、優化施工管理活動，提升管理水平。

【關鍵詞】虛擬施工；3D模型；成本

一、虛擬施工技術的基本概念

虛擬施工技術是一種在虛擬環境中建模、模擬、分析建筑設計與與施工過程的數字化、可視化技術。 虛擬施工技術的主導思想是“先試后建”，即基于一個虛擬平臺，在真實工程開工之前，對建筑項目的設計方案進行檢測分析，對項目施工方案進行模擬、分析與優化，以便提前發現問題、解決問題，直至獲得最佳的設計和施工方案，從而指導真實的施工。這一理念的實施，將大大降低返工成本和管理成本。

目前，國內外對虛擬施工技術的研究仍處于初期階段，香港理工大學建筑虛擬模型實驗室則是這方面研究的先驅者，其技術水平一直處于世界領先地位。虛擬施工技術是對建造過程中的各個環節進行統一建模，形成一個可運行的虛擬建造環境，以軟件技術為支撐，借助于高性能的硬件，在計算機局網絡上，生成數字化產品，實現規劃設計、性能分析、施工方案決策和質量檢驗、管理。它是數字化形式的廣義建造系統，是對實際施工過程的動態模擬。基本上不消耗資源和能源，也不生產實際產品，而是產品的設計、開發與實現過程在計算機上的本質體現，強調的是建造系統運行過程的計算機化。

二、虛擬施工技術內容

1、技術內容

工程施工過程是一項將設計圖紙轉化為實際建筑的復雜工作，利用計算機，擇適當的軟件平臺，采用參數化的方式建立建筑結構構件及機械設備的虛擬模型，對不需要模擬施工過程的部位，則將單個的模型靜態地組裝起來；對那些需要模擬的施工過程，則采用正、反運動鏈的定義，通過編程，實現了施工過程的運動模擬。將虛擬仿真技術應用于復雜工程施工的結構、方案設計，通過三維圖形的形式動態實時地顯示施工方案實施的全過程，讓方案設計人員置身在虛擬的環境中，隨時調整、優化施工方案，對實際建造施工過程進行全面的仿真再現，對結構施工過程的各個環節進行跟蹤模擬，從而實現施工中的事前控制和動態管理.

（1）建模技術

虛擬產品建模特別強調產品在計算機上的本質實現，施工模型要將工藝參數與影響施工的屬性聯系起來，以反應施工模型與設計模型之聞的交互作用，施工模型要具有可重用性，因此必須建立產品主模型描述框架，隨著產品開發的推進，模型描述日益詳細，但應保持模型的一致性及模型信息的可繼承性，實現虛擬施工過程各階段和各方面的有效集成。

（2）仿真技術

計算機仿真是應用計算機對復雜的現實系統經過抽象和簡化形成系統模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到系統一系列的統計性能。仿真的基本步驟為；研究系統——收集數據——建立系統模型——確定仿真算法一建立仿真模型——運行仿真模型——輸出結果，包括數值仿真、可視化仿真和虛擬現實。

（3）優化技術

優化技術將現實的物理模型經過仿真過程轉化為數學模型以后，通過設定優化目標和運算方法，在制定的約束條件下，使目標函數達到最優，從而為決策者提供科學的、定量的依據。它使用的方法包括：線性規劃、非線性規劃、動態規劃、運籌學、決策論和對策論等等。

（4）虛擬現實技術

虛擬建造是在虛擬環境下實現的，虛擬現實技術當然是虛擬建造系統的核心技術。虛擬現實技術則是一門融合了人工智能、計算機圖形學、人機接口技術、多媒體工業建筑技術、網絡技術、電子技術、機械技術等高新技術的綜合信息技術。目的是利用計算機硬件、軟件以及各種傳感器創造出一個融合視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺，讓人身臨其境的虛擬環境。操作者沉浸其中并與之交互作用，通過多種媒體對感官的刺激，獲得對所需解決問題的清晰和直觀的認識。

2. 適用范圍

大型復雜結構建筑工程、大型土木工程。

三、虛擬施工技術的作用

“先試后建”是虛擬施工技術實施的指導思想，也是虛擬施工技術作用的集中體現，其可對建筑工程中的任何需要進行檢測、模擬和分析。下面針對建筑項目的不同階段，對虛擬施工技術的作用進行分析，即優化建筑項目設計、優化施過程、優化施工管理活動等。

1、優化建筑項目設計

完善的設計方案是建筑項目順利實施的前提和保證。建筑項目設計由建筑設計、結構設計、建筑設備設計等組成。通常，這三方面由多個設計方完成。在施工過程中，這些設計將轉變為集成在一起的建筑構件，結果碰撞或沖突時常出現，如建筑設備與結構之間的沖突等。這不僅會增加設計、施工返工成本，浪費資源，還會影響施工的進度。這也是建筑工程經常出現工期延遲的主要原因之一。另外，設計的不可施工性是項目設計的另一個主要問題。特別是對于復雜的建筑項目，經常出現設計的可施工性不強或不可行等問題。這同樣增加返工量，影響施工進度。究其主要原因，就是缺乏一個有效的協同工作及檢測平臺，即設計方、施工方在設計階段不能有效地溝通與協作，同時在二維（2D）環境下不能對設計方案進行檢測與分析。虛擬施工技術為此提供了一個有效的平臺，用于設計沖突、可施工性的檢測，及多方溝通。

采用虛擬施工技術優化設計，首先要建立相關3D模型，包括建筑、結構及建筑設備等。基于建立3D模型，可進行設計檢測、協同修改。設計檢測可根據需要設定相關參數，確定檢測范圍，從而檢測設計沖突問題、可施工性問題。設計檢測在設計之初已經開始是一個“設計-檢測-設計”的循環過程，直至在施工之前解決所有設計問題，盡而消除返工成本、減少施工時間。盡管檢測跟蹤時間較長，但檢測、修改過程可以自動化操作，因此設計優化過程非常方便。同時，可行的設計方案是施工過程優化的前提，否則施工優化無從談起。

2、優化施工過程

施工過程的順利實施是在有效的施工方案指導下進行的。當前，施工方案的編制主要基于項目經理及項目組的經驗來實施。然而，面對越來越龐大且復雜的建筑工程項目，僅憑項目經理的經驗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界的關注。同時，由于建筑項目的單一性和不可重復性，施工方案同樣具有不可重復性，即不可能如制造業那樣，同一生產方案可用于某產品的批量生產。通常是，當某個工程即將結束時，一套完善的施工方案才現于面前，結果為時已晚。施工進度拖延、安全問題頻頻出現、返工率高、建造成本超支等已成為現有建筑工程項目的通病。施工開始之前，找出完善的施工方案是十分必要的、重要的。在虛擬施工技術出現之前，這一問題幾乎找不到有效的解決方案。虛擬施工技術不僅可以測試和比較不同的施工方案，還可以優化施工方案。 基于上述建立的3D模型，采用虛擬施工技術可模擬和分析相關施工方案。通過模擬，可發現不合理的施工程序、設備調用程度與沖突、資源的不合理利用、安全隱患（如碰撞等）、作業空間不充足等問題，也可以及時更新施工方案，以解決相關問題。施工過程優化也是一個重復的過程，即“初步方案-模擬-更新方案”，直至在真實施工之前找到一個最佳的施工方案，盡最大可能實現“零碰撞、零沖突、零返工”。從而大大降低返工成本，減少資源浪費與沖突及安全問題。同時，虛擬施工技術也為總承建商、分承建商、設計單位及業主提供了一個溝通與協作平臺，幫助各方及時、快捷地解決各種問題，從而大大提高了工作效率，節省了大量的時間。

3、優化施工管理活動

為了解決施工過程中的相關問題，特別