王建永

摘 要：针对当前建筑业在设计施工当中的返工率越来越高的现象，提出了将虚拟施工技术应用于建筑业，通过虚拟现实和计算机仿真以实现对施工过程的事前控制和动态管理达到施工方案优化和降低成本的目的。

关键词：虚拟施工 虚拟现实 建筑施工

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0057-01

为了解决返工成本和管理成本这两个关键问题，期望提升建筑业的生产力水平并且以制造业的生产管理经验为参考，引入了虚拟模型技术机理即“虚拟施工技术”，将此技术应用于建筑施工项目管理当中。

1 虚拟施工的概念

虚拟施工（Virtual Construction，简称VC），是通过计算机建模、分析，虚拟现实计算机仿真技术将实际施工过程在计算机上模拟出来。此技术在制造业当中应用较多，在建筑施工当中应用较少。通过虚拟施工技术，业主单位、设计单位和施工方在策划、投资、设计和施工之前都能够清楚的看到施工的过程和结果。沉浸虚拟现实（Immersive）和桌面虚拟现实（Desktop）是虚拟现实的两种形式，但在建筑业当中应用较多的是桌面虚拟现实（Desktop）。国外在建筑施工中应用的是开发漫游系统（Walkthrough）主要包括场地的外形和设计，施工过程的计划和管理施工方案的预算等等。虚拟施工技术可以进行干涉分析、可靠性检验、内力计算、工序的确定等不仅表现为一种技术手段而且提供一种全新的管理模式使得施工的质量、成本、工期都得到最优化，另外还保证施工环保安全。

2 虚拟施工的技术支撑体系

虚拟施工技术涉及到了很多领域，主要包括以下技术：

（1）计算机仿真技术

计算机仿真技术在施工技术与管理、内力计算、结构计算等土木工程领域当中。虚拟施工的核心是计算机仿真技术，它通过建模分析能够从理论上保证结构的稳定和安全。

（2）建模与优化技术以及相关的软硬件技术

从建筑工程的规划、设计、施工、管理等方面，应用优化原理，使得建筑项目质量高、工期短、造价低，实现企业的利益最大化。

（3）虚拟现实技术

虚拟现实技术能够为人机交互对话提供三维界面，使用户能够沉浸在一个创建在多维信息空间上的虚拟信息环境里，具有身临其境的感觉，这为虚拟施工开发提供可视化的交互环境。

3 虚拟施工作用

虚拟施工技术实施的指导思想以及作用的集中体现是“先试后建”。“先试后建”能够保证项目在理论上成功，而且能够保证结构物的稳定与安全，可以检测任何阶段的性能，模拟任何荷载情况下结构物的抵抗能力。虚拟施工的主要作用归根到底是优化建筑项目设计、施工过程以及施工管理活动等。

3.1 优化建筑项目设计

建筑项目能够顺利实施的前提和保证是要有一个完善的设计方案。由多个设计方参与完成的建筑项目设计即建筑设计、结构设计、建筑设备设计等，在施工过程中成为聚在一起的建筑构件，由于由多方设计所以经常发生冲突比如建筑结构和设备之间的冲突等。这直接导致返工不仅增加成本而且延误工期。另外，好多项目从设计角度可行，但实际施工当中不可实施，导致设计失败，必须变更设计，同样会增加成本和延误工期。以上问题的原因就是设计方、施工方在设计阶段缺少沟通和协作，缺少一个检测平台。针对这些问题应用虚拟施工技术可以得到解决，采用虚拟施工技术优化设计，建立相关3D模型提供了一个有效的平台，包括建筑、结构及建筑设备等用于设计冲突、可施工性的检测，及多方沟通。

3.2 优化施工过程

施工过程的顺利实施的保证是有一个正确的施工方案作为指导。当前，主要由项目经理及项目组凭借施工经验来编制施工方案。但是由于工程的复杂性和项目经理经验的不足，施工方案的编制存在很多漏洞。而且它的可行性有时候也会受到质疑。施工方案必须保证项目实施的可行性、低成本，高质量、短工期同时环保安全也很重要。在虚拟施工技术出现之前，这一问题几乎找不到有效的解决方案。虚拟施工技术可以实现多方案比选，对不同方案进行检测，选择一种最优的施工方案。基于上述建立的3D模型，采用虚拟施工技术可模拟和分析相关施工方案。建筑业在施工当中的返工率越来越高，将虚拟施工技术应用于建筑业施工过程中，通过虚拟现实和计算机仿真以实现对施工过程的事前控制和动态管理达到施工方案优化和降低成本的目的。

3.3 优化施工管理活动

管理成本占据建筑项目成本的很大一部分。为了降低管理成本，配备少量管理人员，采用虚拟施工技术，它可以清晰地展示整个施工过程就像栩栩如生的“施工操作说明书”。

4 虚拟施工技术在建筑业的应用实践

在国外对于虚拟施工技术一系列相关的研究和试验正在进行。Clasgow Strathclyde大学土木工程系和信息科学系联合研究一种能够协同施工的可视计划。它包括一个可以对全程进行监视并且可以交互的进行的非沉浸虚拟现实接口。针对几种不同的施工顺序和现场组织它允许用户以交互协同方式进行调查研究，同时优化施工过程。一个3D粗样软件包和一种Pangea系统由Bartlestt建筑学校和University College London计算机科学系的研究人员共同开发研究，是测试城市设计和建筑设计的早期原型。Dundee大学正在进行Naives项目，能够将一个构件元素在任何方向的挠度或内力可视化。建筑设计虚拟环境系统在英国IES公司推出了。在1995年日本清水建设公司采用虚拟系统使施工生产情报例如在计算机屏幕上显示施工组织计划。

从国内看应用虚拟施工技术的工程实例不是很多。有一个业内人士都知道的例子那就是上海正大商业广场。上海正大商业广场属于钢结构施工。它结构庞大，有着类型复杂的构件而且数量非常多，还有一点就是个吊装空间以及运输通道都不宽，所以施工难度比较大。为了保证优质、安全和高效地完成该工程的钢结构安装，大胆采用了虚拟施工技术，而且非常成功。虚拟施工技术分三个阶段进行：

（1）优化钢结构施工方案。应用虚拟现实和结构仿真成功实现了结构图由二维向三维跨越。在钢结构施工之前，在计算机上模拟构件装配、吊装，将施工过程可能出现的各种问题充分暴露出来，并经过优化得以解决。（2）模拟分析钢构件内力焊接变形以及桅杆起重机。为了保障吊装的安全，利用虚拟施工技术模拟吊装过程，并分析相关构件的内力。另外对焊接时的应力场和应变场以及温度场进行模拟，保证焊接的质量。（3）模拟建筑场地和周围的环境。就是在计算机模拟当建筑物建成后周围会出现怎样情景。这项技术的成功应用，能够清楚的了解到建筑物对周围环境的影响，为此我们提前做好防护措施。

参考文献

[1] 张希黔，张利.虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用现状和展望[J].施工技术，2001（8）.

[2] 张帅.大型建筑钢结构虚拟施工建模关键技术研究[J].中国建筑金属结构，2013（12）.endprint