虛擬仿真技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用分析

韋素青

【摘 要】隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)逐步自成體系。計算機技術(shù)和信息技術(shù)的快速融合，推動了建筑業(yè)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。文章介紹了虛擬仿真技術(shù)的原理及特點，論述了虛擬仿真技術(shù)在建筑工程施工中應(yīng)用的現(xiàn)狀，并對當(dāng)前建筑行業(yè)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)面臨的實際問題及發(fā)展前景做了分析。

【關(guān)鍵詞】建筑；虛擬仿真；技術(shù)應(yīng)用

【中圖分類號】TU74 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）12-0074-03

計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及信息化、智能化在建筑工程施工中的應(yīng)用，促進(jìn)了施工技術(shù)和管理水平的顯著提高，并有效地推動了建筑行業(yè)的發(fā)展。實踐證明，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，分析研究建筑工程施工中的重點、難點問題，對促進(jìn)施工新技術(shù)、新工藝的研發(fā)，降低施工風(fēng)險，保證施工進(jìn)度和質(zhì)量，促進(jìn)建筑信息化技術(shù)的進(jìn)步等效果顯著。

1 虛擬仿真技術(shù)原理

虛擬仿真自20世紀(jì)90年代以來，已為科學(xué)界和工程界所關(guān)注，其可視化的特性為各類工程的大規(guī)模數(shù)據(jù)提供了新的描述方法。虛擬技術(shù)是多媒體技術(shù)發(fā)展的更高境界，虛擬仿真是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬環(huán)境的計算機系統(tǒng)。該虛擬環(huán)境由計算機生成，可為現(xiàn)實世界的再現(xiàn)，亦可為構(gòu)想中的世界，體驗者可借助視、聽及觸摸等多種傳感途徑與虛擬世界進(jìn)行交互。它以仿真的形式，給人們創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的虛擬三維世界，并通過輔助傳感設(shè)備，如頭盔顯示器、目鏡等，提供體驗者與該虛擬世界交互的三維界面，感知仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，使體驗者產(chǎn)生沉浸感。

2 虛擬仿真技術(shù)主要特點

虛擬仿真技術(shù)主要有以下4個基本特點。

2.1 沉浸感

在虛擬仿真環(huán)境中，體驗者可通過視、聽、嗅、觸覺及運動感覺等多種感知，獲得身臨其境的感受。最理想的虛擬仿真系統(tǒng)是可以提供給人所有感知信息的功能特性。

2.2 交互性

體驗者可以在模擬環(huán)境下，作用于虛擬環(huán)境，并可以感知到環(huán)境的反饋，其自然性、真實性近似于人們的日常行為。例如，在室內(nèi)裝飾虛擬環(huán)境中，體驗者可以根據(jù)自己的喜好來移動室內(nèi)家具擺放位置，所移動的家具近乎真實地按照需求就位。

2.3 虛幻性

仿真系統(tǒng)中模擬環(huán)境是虛幻的，它是人利用計算機等技術(shù)模擬出來的。它既可以模擬客觀世界中從前存在過的或是現(xiàn)在真實存在的環(huán)境，也可以模擬出客觀世界中，當(dāng)前并不存在的但將來有可能出現(xiàn)的環(huán)境，更可以模擬出客觀世界中不可能存在的僅屬人們幻想或理想中的環(huán)境。

2.4 感知性

虛擬仿真系統(tǒng)其逼真性除了與一般的計算機一樣有視聽感知之外，還可以有力覺、觸覺、運動等感知。例如：假設(shè)給虛幻物體一個作用力，則該物體受力后的運動就會符合力學(xué)定律，并會沿著作用力的方向產(chǎn)生相應(yīng)的加速度；當(dāng)它遇到障礙物時，則會受阻。未來的虛擬仿真技術(shù)可以向具有一切人所具有的感知功能發(fā)展。

3 虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)的互動性和逼真性帶來了娛樂的革命性升級，尤其是在體驗式游戲領(lǐng)域，帶給人們一種前所未有的娛樂刺激，身臨其境的存在感。互動多媒體技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展從商業(yè)、生活、娛樂、工業(yè)制造、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計施工等都卷起了一場場技術(shù)與藝術(shù)的雙性創(chuàng)新，虛擬仿真產(chǎn)品詮釋著科技改變生活的理念。比如，虛擬駕駛，它能夠真實模擬車輛駕駛的路況及行使特性，并能在主要性能上獲得等同于實車駕駛的效果；工程力學(xué)（虛擬仿真工程）、虛擬現(xiàn)實平臺系統(tǒng)依靠其精美絕倫的三維視覺環(huán)境及表現(xiàn)力，以及近似于照片級的真實效果，使得設(shè)計中的建筑體直觀地呈現(xiàn)在人們面前，讓人們可以在實體工程實施前對其視覺效果和使用效率進(jìn)行評估，有效降低建筑設(shè)計和工程施工風(fēng)險，大大提高了設(shè)計和施工效率。在地質(zhì)災(zāi)害防治方面，通過虛擬的環(huán)境，可以實現(xiàn)地震應(yīng)急救援仿真、地震應(yīng)急推演仿真、地質(zhì)災(zāi)害仿真、水利工程仿真，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害虛擬環(huán)境功能與展示的完美結(jié)合。通過虛擬仿真平臺，進(jìn)行預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的模擬演練，可達(dá)到防災(zāi)、避災(zāi)科技能力的提升，加強安全意識防范等目的。

4 虛擬仿真技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）施工組織設(shè)計方案的優(yōu)選。傳統(tǒng)工藝技術(shù)下，建筑工程施工組織中的施工方法及施工組織方案的選擇和優(yōu)化，主要是建立在日常工作經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，存在很大的局限性。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代建筑越來越追求建筑形式個性化、建筑結(jié)構(gòu)的多樣性，使得建筑工程施工方案也朝著個性化發(fā)展。虛擬仿真技術(shù)融合到建筑施工過程中，可以直觀、科學(xué)地展現(xiàn)不同作業(yè)方法、施工方案、技術(shù)組織措施的效果，并能將施工方案進(jìn)行量化比對，幫助項目管理者進(jìn)行施工組織設(shè)計方案的優(yōu)選，實現(xiàn)最優(yōu)化施工。

（2）建筑施工新技術(shù)、新工藝研發(fā)。我國正處于萬眾創(chuàng)新的良好大環(huán)境，建筑技術(shù)、工藝、工法都需要不斷創(chuàng)新研發(fā)。研發(fā)過程中需要進(jìn)行反復(fù)的試驗，傳統(tǒng)的實驗方法既耗費財力、物力，有些試驗還具有一定的危險性，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，用模擬的設(shè)備及材料進(jìn)行試驗，既安全高效又節(jié)約成本，同時增加了試驗的趣味性。虛擬仿真試驗系統(tǒng)的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了企業(yè)員工創(chuàng)新創(chuàng)造能力的提升。

（3）施工進(jìn)度、質(zhì)量管理。虛擬仿真施工全過程系統(tǒng)可以將建筑施工按分部、分項獨立拆解，并可模擬分部、分項施工過程，通過仿真模擬真實施工環(huán)境和條件，可以防控施工過程中可能出現(xiàn)的質(zhì)量隱患，并可據(jù)此在事前有針對性地采取防控措施，避免質(zhì)量事故的發(fā)生。對影響工期的關(guān)鍵工序進(jìn)行模擬施工比對，對進(jìn)度控制、保證工程按期完成具有很現(xiàn)實的意義。

（4）安全防范、危險源排查分析。建筑行業(yè)是高危行業(yè)，參與建設(shè)者對安全生產(chǎn)都負(fù)有監(jiān)管責(zé)任。虛擬仿真施工技術(shù)可以將生產(chǎn)過程中存在的安全隱患在施工前直觀地展示出來，安全虛擬系統(tǒng)還可以模擬真實場景，如觸電、物體打擊、高空墜落等，項目參建者均可親身體驗，與傳統(tǒng)的安全教育相比，虛擬仿真系統(tǒng)有身在其中的感覺，更具有真實感。

（5）大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程設(shè)計。施工虛擬仿真系統(tǒng)在設(shè)計方案評審中已有廣泛的應(yīng)用。通過虛擬建筑，將建筑直觀地展現(xiàn)在評審專家面前，其合理性、功能性都可以讓專家以漫游的方式進(jìn)入建筑中感知，在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)問題并能及時修改，通過評審?fù)晟?，設(shè)計成果更令人滿意。設(shè)計階段利用虛擬仿真技術(shù)，在設(shè)計單位與業(yè)主、施工單位進(jìn)行設(shè)計交底過程中，設(shè)計理念將得以真實、具體、直觀地表達(dá)。

（6）工程交易市場管理。在建設(shè)工程招投標(biāo)過程中，利用施工虛擬仿真技術(shù)，能直觀比對投標(biāo)人的施工方案、經(jīng)濟效益成本控制，使工程評標(biāo)過程中的透明度、公平性、公正性得以有效體現(xiàn)，有利于工程交易市場的規(guī)范化、科學(xué)化管理。

（7）地質(zhì)災(zāi)害防治。例如，基坑沉降、塌方、滲水等的防治。

（8）復(fù)雜空間、結(jié)構(gòu)施工等其他結(jié)構(gòu)方面的跟蹤分析，找出存在風(fēng)險的階段，最后針對風(fēng)險階段采取有效的防范措施。

5 虛擬仿真技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用前景

隨著國家對建筑信息模型（BIM）技術(shù)的推廣應(yīng)用，推動了虛擬仿真技術(shù)在建筑工程施工全過程的應(yīng)用，很多大型企業(yè)都實行校企（研）聯(lián)合的方式，其目的是通過建立長期的合作關(guān)系，利用高等院校的科研實力，以及高校的人才優(yōu)勢，促進(jìn)企業(yè)開發(fā)和應(yīng)用建筑工程虛擬仿真系統(tǒng)的積極性，促進(jìn)施工技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》的通知（教技〔2012〕5號）中，在加快建設(shè)職業(yè)教育信息化發(fā)展環(huán)境章節(jié)中指出：“建設(shè)仿真實訓(xùn)基地等信息化教學(xué)設(shè)施，建設(shè)實習(xí)實訓(xùn)等關(guān)鍵業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理信息系統(tǒng)，建成支撐學(xué)生、教師和員工自主學(xué)習(xí)和科學(xué)管理的數(shù)字化環(huán)境?！蹦蠈幝殬I(yè)技術(shù)學(xué)院是國家示范院校，非常注重院校發(fā)展與產(chǎn)業(yè)融合信息化教學(xué)。筆者在2015—2016年期間，立項創(chuàng)建了南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院的施工技術(shù)虛擬仿真綜合實訓(xùn)室，把建筑施工全過程利用虛擬仿真技術(shù)，以施工信息轉(zhuǎn)換為依托的建筑與施工工藝仿真設(shè)計，建筑空間漫游，模擬施工全過程。該實訓(xùn)室對拓展大學(xué)生能力培養(yǎng)具有重要作用，引領(lǐng)建筑制圖識圖、施工技術(shù)、建筑材料、房屋構(gòu)造、工程造價、建筑測量、施工安全等一系列相關(guān)課程的教材、教學(xué)方法的改革與突破。加強實踐教學(xué)，創(chuàng)新仿真實訓(xùn)資源應(yīng)用模式，提高使用效益，實訓(xùn)室建成投入使用，為合作企業(yè)提供了虛擬仿真實訓(xùn)平臺。虛擬仿真技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用將更加深入和廣泛，前景廣闊。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]趙能.虛擬仿真技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2009.

[2]鄭亞文.虛擬仿真技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用研究[J].施工技術(shù)，2009（4）.

[3]孫立雷.虛擬仿真技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用研究[J].基層建設(shè)，2015（5）.

[4]教技〔2012〕5號，教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》的通知[S].

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]