應(yīng)用推廣建筑施工新方法——虛擬施工技術(shù)

【摘 要】虛擬施工技術(shù)是一種新的管理方法，運(yùn)用該方法可優(yōu)化建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)、優(yōu)化施過(guò)程、優(yōu)化施工管理活動(dòng)，提升管理水平。

【關(guān)鍵詞】虛擬施工；3D模型；成本

一、虛擬施工技術(shù)的基本概念

虛擬施工技術(shù)是一種在虛擬環(huán)境中建模、模擬、分析建筑設(shè)計(jì)與與施工過(guò)程的數(shù)字化、可視化技術(shù)。 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(wèn)題、解決問(wèn)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。虛擬施工技術(shù)是對(duì)建造過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一建模，形成一個(gè)可運(yùn)行的虛擬建造環(huán)境，以軟件技術(shù)為支撐，借助于高性能的硬件，在計(jì)算機(jī)局網(wǎng)絡(luò)上，生成數(shù)字化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)、性能分析、施工方案決策和質(zhì)量檢驗(yàn)、管理。它是數(shù)字化形式的廣義建造系統(tǒng)，是對(duì)實(shí)際施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬?；旧喜幌馁Y源和能源，也不生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品，而是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)的是建造系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的計(jì)算機(jī)化。

二、虛擬施工技術(shù)內(nèi)容

1、技術(shù)內(nèi)容

工程施工過(guò)程是一項(xiàng)將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為實(shí)際建筑的復(fù)雜工作，利用計(jì)算機(jī)，擇適當(dāng)?shù)能浖脚_(tái)，采用參數(shù)化的方式建立建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械設(shè)備的虛擬模型，對(duì)不需要模擬施工過(guò)程的部位，則將單個(gè)的模型靜態(tài)地組裝起來(lái)；對(duì)那些需要模擬的施工過(guò)程，則采用正、反運(yùn)動(dòng)鏈的定義，通過(guò)編程，實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程的運(yùn)動(dòng)模擬。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜工程施工的結(jié)構(gòu)、方案設(shè)計(jì)，通過(guò)三維圖形的形式動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地顯示施工方案實(shí)施的全過(guò)程，讓方案設(shè)計(jì)人員置身在虛擬的環(huán)境中，隨時(shí)調(diào)整、優(yōu)化施工方案，對(duì)實(shí)際建造施工過(guò)程進(jìn)行全面的仿真再現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行跟蹤模擬，從而實(shí)現(xiàn)施工中的事前控制和動(dòng)態(tài)管理.

（1）建模技術(shù)

虛擬產(chǎn)品建模特別強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，施工模型要將工藝參數(shù)與影響施工的屬性聯(lián)系起來(lái)，以反應(yīng)施工模型與設(shè)計(jì)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(chǎn)品主模型描述框架，隨著產(chǎn)品開發(fā)的推進(jìn)，模型描述日益詳細(xì)，但應(yīng)保持模型的一致性及模型信息的可繼承性，實(shí)現(xiàn)虛擬施工過(guò)程各階段和各方面的有效集成。

（2）仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)抽象和簡(jiǎn)化形成系統(tǒng)模型，然后在分析的基礎(chǔ)上運(yùn)行此模型，從而得到系統(tǒng)一系列的統(tǒng)計(jì)性能。仿真的基本步驟為；研究系統(tǒng)——收集數(shù)據(jù)——建立系統(tǒng)模型——確定仿真算法一建立仿真模型——運(yùn)行仿真模型——輸出結(jié)果，包括數(shù)值仿真、可視化仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)。

（3）優(yōu)化技術(shù)

優(yōu)化技術(shù)將現(xiàn)實(shí)的物理模型經(jīng)過(guò)仿真過(guò)程轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型以后，通過(guò)設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)和運(yùn)算方法，在制定的約束條件下，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，從而為決策者提供科學(xué)的、定量的依據(jù)。它使用的方法包括：線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、運(yùn)籌學(xué)、決策論和對(duì)策論等等。

（4）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬建造是在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)當(dāng)然是虛擬建造系統(tǒng)的核心技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是一門融合了人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體工業(yè)建筑技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等高新技術(shù)的綜合信息技術(shù)。目的是利用計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器創(chuàng)造出一個(gè)融合視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺，讓人身臨其境的虛擬環(huán)境。操作者沉浸其中并與之交互作用，通過(guò)多種媒體對(duì)感官的刺激，獲得對(duì)所需解決問(wèn)題的清晰和直觀的認(rèn)識(shí)。

2. 適用范圍

大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑工程、大型土木工程。

三、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)化施過(guò)程、優(yōu)化施工管理活動(dòng)等。

1、優(yōu)化建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)

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(guò)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(wèn)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(wèn)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。基于建立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(wèn)題、可施工性問(wèn)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(guò)程，直至在施工之前解決所有設(shè)計(jì)問(wèn)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(guò)程可以自動(dòng)化操作，因此設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程非常方便。同時(shí)，可行的設(shè)計(jì)方案是施工過(guò)程優(yōu)化的前提，否則施工優(yōu)化無(wú)從談起。

2、優(yōu)化施工過(guò)程

施工過(guò)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(lái)實(shí)施。然而，面對(duì)越來(lái)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(lái)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現(xiàn)于面前，結(jié)果為時(shí)已晚。施工進(jìn)度拖延、安全問(wèn)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。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(wèn)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。通過(guò)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(wèn)題，也可以及時(shí)更新施工方案，以解決相關(guān)問(wèn)題。施工過(guò)程優(yōu)化也是一個(gè)重復(fù)的過(guò)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(wèn)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(wèn)題，從而大大提高了工作效率，節(jié)省了大量的時(shí)間。

3、優(yōu)化施工管理活動(dòng)

為了解決施工過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題，特別