探討虛擬施工技術在建筑業的應用

王建永

摘 要：針對當前建筑業在設計施工當中的返工率越來越高的現象，提出了將虛擬施工技術應用于建筑業，通過虛擬現實和計算機仿真以實現對施工過程的事前控制和動態管理達到施工方案優化和降低成本的目的。

關鍵詞：虛擬施工 虛擬現實 建筑施工

中圖分類號：TU7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0057-01

為了解決返工成本和管理成本這兩個關鍵問題，期望提升建筑業的生產力水平并且以制造業的生產管理經驗為參考，引入了虛擬模型技術機理即“虛擬施工技術”，將此技術應用于建筑施工項目管理當中。

1 虛擬施工的概念

虛擬施工（Virtual Construction，簡稱VC），是通過計算機建模、分析，虛擬現實計算機仿真技術將實際施工過程在計算機上模擬出來。此技術在制造業當中應用較多，在建筑施工當中應用較少。通過虛擬施工技術，業主單位、設計單位和施工方在策劃、投資、設計和施工之前都能夠清楚的看到施工的過程和結果。沉浸虛擬現實（Immersive）和桌面虛擬現實（Desktop）是虛擬現實的兩種形式，但在建筑業當中應用較多的是桌面虛擬現實（Desktop）。國外在建筑施工中應用的是開發漫游系統（Walkthrough）主要包括場地的外形和設計，施工過程的計劃和管理施工方案的預算等等。虛擬施工技術可以進行干涉分析、可靠性檢驗、內力計算、工序的確定等不僅表現為一種技術手段而且提供一種全新的管理模式使得施工的質量、成本、工期都得到最優化，另外還保證施工環保安全。

2 虛擬施工的技術支撐體系

虛擬施工技術涉及到了很多領域，主要包括以下技術：

（1）計算機仿真技術

計算機仿真技術在施工技術與管理、內力計算、結構計算等土木工程領域當中。虛擬施工的核心是計算機仿真技術，它通過建模分析能夠從理論上保證結構的穩定和安全。

（2）建模與優化技術以及相關的軟硬件技術

從建筑工程的規劃、設計、施工、管理等方面，應用優化原理，使得建筑項目質量高、工期短、造價低，實現企業的利益最大化。

（3）虛擬現實技術

虛擬現實技術能夠為人機交互對話提供三維界面，使用戶能夠沉浸在一個創建在多維信息空間上的虛擬信息環境里，具有身臨其境的感覺，這為虛擬施工開發提供可視化的交互環境。

3 虛擬施工作用

虛擬施工技術實施的指導思想以及作用的集中體現是“先試后建”。“先試后建”能夠保證項目在理論上成功，而且能夠保證結構物的穩定與安全，可以檢測任何階段的性能，模擬任何荷載情況下結構物的抵抗能力。虛擬施工的主要作用歸根到底是優化建筑項目設計、施工過程以及施工管理活動等。

3.1 優化建筑項目設計

建筑項目能夠順利實施的前提和保證是要有一個完善的設計方案。由多個設計方參與完成的建筑項目設計即建筑設計、結構設計、建筑設備設計等，在施工過程中成為聚在一起的建筑構件，由于由多方設計所以經常發生沖突比如建筑結構和設備之間的沖突等。這直接導致返工不僅增加成本而且延誤工期。另外，好多項目從設計角度可行，但實際施工當中不可實施，導致設計失敗，必須變更設計，同樣會增加成本和延誤工期。以上問題的原因就是設計方、施工方在設計階段缺少溝通和協作，缺少一個檢測平臺。針對這些問題應用虛擬施工技術可以得到解決，采用虛擬施工技術優化設計，建立相關3D模型提供了一個有效的平臺，包括建筑、結構及建筑設備等用于設計沖突、可施工性的檢測，及多方溝通。

3.2 優化施工過程

施工過程的順利實施的保證是有一個正確的施工方案作為指導。當前，主要由項目經理及項目組憑借施工經驗來編制施工方案。但是由于工程的復雜性和項目經理經驗的不足，施工方案的編制存在很多漏洞。而且它的可行性有時候也會受到質疑。施工方案必須保證項目實施的可行性、低成本，高質量、短工期同時環保安全也很重要。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。虛擬施工技術可以實現多方案比選，對不同方案進行檢測，選擇一種最優的施工方案。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。建筑業在施工當中的返工率越來越高，將虛擬施工技術應用于建筑業施工過程中，通過虛擬現實和計算機仿真以實現對施工過程的事前控制和動態管理達到施工方案優化和降低成本的目的。

3.3 優化施工管理活動

管理成本占據建筑項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，它可以清晰地展示整個施工過程就像栩栩如生的“施工操作說明書”。

4 虛擬施工技術在建筑業的應用實踐

在國外對于虛擬施工技術一系列相關的研究和試驗正在進行。Clasgow Strathclyde大學土木工程系和信息科學系聯合研究一種能夠協同施工的可視計劃。它包括一個可以對全程進行監視并且可以交互的進行的非沉浸虛擬現實接口。針對幾種不同的施工順序和現場組織它允許用戶以交互協同方式進行調查研究，同時優化施工過程。一個3D粗樣軟件包和一種Pangea系統由Bartlestt建筑學校和University College London計算機科學系的研究人員共同開發研究，是測試城市設計和建筑設計的早期原型。Dundee大學正在進行Naives項目，能夠將一個構件元素在任何方向的撓度或內力可視化。建筑設計虛擬環境系統在英國IES公司推出了。在1995年日本清水建設公司采用虛擬系統使施工生產情報例如在計算機屏幕上顯示施工組織計劃。

從國內看應用虛擬施工技術的工程實例不是很多。有一個業內人士都知道的例子那就是上海正大商業廣場。上海正大商業廣場屬于鋼結構施工。它結構龐大，有著類型復雜的構件而且數量非常多，還有一點就是個吊裝空間以及運輸通道都不寬，所以施工難度比較大。為了保證優質、安全和高效地完成該工程的鋼結構安裝，大膽采用了虛擬施工技術，而且非常成功。虛擬施工技術分三個階段進行：

（1）優化鋼結構施工方案。應用虛擬現實和結構仿真成功實現了結構圖由二維向三維跨越。在鋼結構施工之前，在計算機上模擬構件裝配、吊裝，將施工過程可能出現的各種問題充分暴露出來，并經過優化得以解決。（2）模擬分析鋼構件內力焊接變形以及桅桿起重機。為了保障吊裝的安全，利用虛擬施工技術模擬吊裝過程，并分析相關構件的內力。另外對焊接時的應力場和應變場以及溫度場進行模擬，保證焊接的質量。（3）模擬建筑場地和周圍的環境。就是在計算機模擬當建筑物建成后周圍會出現怎樣情景。這項技術的成功應用，能夠清楚的了解到建筑物對周圍環境的影響，為此我們提前做好防護措施。

參考文獻

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[2] 張帥.大型建筑鋼結構虛擬施工建模關鍵技術研究[J].中國建筑金屬結構，2013（12）.endprint