虚拟施工技术应用实践和研究开发展望

下面是鲁班乐标给大家带来关于虚拟施工技术应用实践和研究开发的相关内容，以供参考。

1 虚拟施工的概念

虚拟施工(Virtual Construction，简称VC)，是实际施工过程在计算机上的虚拟实现。它采用虚拟现实和结构仿真等技术，在高性能计算机等设备的支持下，在计算机上群组协同工作，对施工活动中的人、财、物、信息流动过程进行全面的仿真再现，以发现施工中可能出现的问题，以便在实际投资、设计或施工活动之前就采取预防措施，从而达到项目的可控性，并降低成本、缩短工期、减少风险，增强施工过程中的决策、优化与控制能力。虚拟施工不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，因而能为工程施工提供有益的经验(见中建二局、华中科技大学有关资料)。通过虚拟施工技术，业主、设计者和施工方在策划、投资、设计和施工之前能够首先看到并了解施工的过程和结果。

从形式上看，虚拟现实分为桌面虚拟现实(Desktop)和沉浸虚拟现实(Immersive)，从目前在施工中的应用过程看，大都为桌面系统。国外在建筑施工中开发应用虚拟施工系统首选的是开发漫游系统(Walkthrough)主要表现为:1)现场外形和设计计划;2)施工过程的计划和管理;3)施工方案的预算。可见，虚拟施工系统在施工中不仅表现为一种技术手段(进行干涉分析、内力计算、可靠性论证、施工顺序确定等)，更多地表现为一种管理手段，以可视化施工中的进度、质量、成本、安全等管理内容为工程管理提供帮助，是一种全新的管理方式。

2 虚拟施工的技术支撑体系

虚拟施工涉及到多个学科领域，其主要支撑技术包括虚拟现实技术、计算机仿真技术、建模与优化技术以及相关的软硬件技术。

2.1虚拟现实技术

虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种学科的优势，它为人机交互对话提供了更直接和真实的三维界面，并能在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，使用户具有身临其境的沉浸感。虚拟现实技术为虚拟施工开发提供了直接的可视化的交互环境。

2.2计算机仿真技术

仿真技术在土木工程中主要应用在结构计算、施工技术与管理领域。仿真技术是虚拟施工的核心。对于结构工程施工来说，内力仿真分析对工程施工的安全进行将提供直接保证。

2.3优化与建模技术

应用优化原理进行建筑工程的规划、设计、施工、管理能全面综合地考虑在技术、经济和时间上的最优，实现最大的效益。优化方法是虚拟施工系统的一个重要支撑技术。

产品建模方法是虚拟施工的另一个支撑技术。虚拟施工的系统模型包括基础模型、设计模型及施工模型。其中施工模型将工艺参数与影响施工的属性联系起来，以反映施工模型与设计模型之间的交互作用。施工模型必须具备以下功能:计算机工艺仿真、施工数据表、施工规划、统计模型以及物理和数学模型等。

2.4软硬件基础

虚拟施工体系是已有的CAD技术与计算机仿真技术、数据库技术、计算机网络技术、人工智能技术、虚拟现实技术等学科技术的综合系统集成，因此其相关软件也是多方面的，如EAI公司的PDV产品、Realax、Division、MultiGen、Deneb等。相关硬件主要有各种型号的SGI工作站、SUN工作站、HP工作站和IRIX工作站等，以及各种立体眼睛、显示器、头盔手套等。在网络应用方面主要有VRML( Virtual Reality Modeling Language)语言等。

3 虚拟施工技术的应用实践

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大学信息科学和土木工程系进行的研究项目是研究一种方法来共享协同施工过程的可视计划。这个研究包括一个非沉浸虚拟现实接口，它允许对模拟的进程进行可视监控并与其交互，允许用户以交互协同方式调查研究几种不同的施工顺序和现场组织，同时验证和精练施工计划，动态地把施工过程与现场活动和设备集成起来(见中国建筑科学研究院有关资料)。

Bartlestt建筑学校和University College London计算机科学系的研究人员，研发了一种Pangea系统和一个3D粗样软件包，用于测试建筑设计和城市设计的早期原型。CAD center。有限公司和Mancheste:大学先进接口组(AIG)开始了一个协同项目，探索利用虚拟现实技术去建立复杂流程工厂的CAD模型，下一步接着研究对它们的使用。主要目的是了解和解决将这些技术应用于大型真实系统时的问题，并且研究软件的体系结构和算法，这些将加强未来研究虚拟现实设计和应用的基础。

Dundee大学正在进行Naives项目。它允许用户可视化一个构件元素在任何方向的挠度或内力。Naives用户可以提取软件中的一个复杂段，用相对短的时间产生出一组沉浸输出，工程师可以很快提取出构件的合理的临界点和参数的临界值。研究者们相信可以提供一个实体机械分析的新颖模板，并且希望提供一个结果可视化系统作为它的组成部分，可以允许设计者在结构中漫游，观察某种作用的表现，并模拟这种作用的执行，同时在这个过程中连续地提示正在观察的信息。

英国IES公司推出了建筑设计虚拟环境系统。日本清水建设公司在1995年利用三维CAD技术，使施工生产情报，如施工中的作业计划，能够在计算机屏幕上主体显示，其实质就是虚拟系统。通过对日本某核电站建设工程和海老名市保险公司26层钢一混凝土组合结构工程以及新东京火力电厂地上结构拆除工程的应用，该系统极大地方便了结构工程施工的管理。

从目前国内的应用实践看，相关工程实践尚不多，上海正大商业广场钢结构施工则是一个尝试。上海正大商业广场的钢结构工程具有构件数量多、类型复杂运输通道和吊装空间狭窄、吊装难度大等技术难点。虚拟施工技术成功地应用于该工程施工，为优质、安全和高效地完成该工程的钢结构安装提供了可靠的保障。其工作主要包括三部分:1)钢结构施工方案及其优化。在钢结构施工虚拟仿真中，应用虚拟现实及结构仿真技术等，实现了由二维设计图纸生成三维模型.较大规模模型的快谏显示以及运动过程的记录和回放。特别是创造性地解决了双机抬吊的反运动学模拟和多点吊装的实时干涉检测及显示问题等，建立了部分虚拟设备库。在钢结构施工之前，在计算机上已经完成了各种构件装配、吊装的多种试验和优化工作，通过施工前大量的试验和优化，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。软件同时利用多点决策优化理论，采用两榀屋架同时装配的方案，使装配和吊装过程连续进行，节省了时间，充分显示了虚拟施工系统作为一种先进的模拟试验手段对施工过程具有的价值，为施工方案优化提供了基础。2)桅杆起重机和钢构件内力及焊接变形分析。主要是对吊装过程起重机及相关构件的内力进行全面仿真分析，保障了吊装的安全。同时对厚板焊接也进行了温度场、应力场和应变场的分析，保证了厚板的焊接质量。3)建筑外观与城市场景虚拟漫游。即在建筑物建成之前，虚拟显现建筑物建成后周围的环境，获得直观的视觉效果。该项目的开发研究为虚拟施工的应用提供了重要的经验。

4 虚拟施工技术的研究和开发展望

虚拟施工技术研究和开发的最终成果应是一个对运行硬件要求较低、面向一般建筑工程施工、具有良好通用性的软件系统。从目标上分析，我们设想其软件体系的开发应包含几种模块和功能。

4.1施工组装模型设计系统

将二维图纸变化成实体，并且可视化施工过程。施工组装模型系统应具备设计参数查询功能，并尽量具有造价计算功能。可以依据实际要求对各种构件、组件等进行变更和再生成，并且可以进行设计优化和生成设计交底等文档。

4.2施工方案制定系统

主要用于对不同施工方案的比较、显示和分析。要求系统能对施工过程进行模拟，分析技术经济指标和关键工序等，最终根据工程特点和外部条件并结合相关专家的经验促成施工方案的完善，并直观显示出施工方案的主要工序过程。系统的主要模块包括工序的操作过程和干扰情况分析，主要构件和设备施工的力学分析，危险情况下的报警显示等。同时具备技术库和定额库，为施工方案的制定提供基础。

4.3施工管理系统

主要用于模拟项目管理人员的生产组织、试验、分析并寻找最佳的施工管理措施，辅助解决施工过程中的“四控制、四管理和一协调”。系统模块主要应包括施工进度生成、成本控制和质量保证，以及对施工现场各要素进行的协调和管理等。

虚拟施工系统的开发以利用一些先进的软件为基础，以二次开发为主。当然系统的研究是一个复杂的过程，需要多方的协作。根据目前实际情况，虚拟施工技术的研究开发大体可以分为三个阶段:1)试验阶段:主要目的是通过一些工程实践寻找一些适合虚拟施工体系开发的相关软件，同时探索二次开发的软件设计方案和软件的接口方式。2)研究开发阶段:主要目的是通过逐步建立符合建筑施工实际过程的各种外挂模块和素材库，初步形成一定的应用平台，为实际工程的快速应用和具体设计提供基础。3)完善和商业化阶段:主要是对已成体系的软件进行完善，同时实现向低档工作站或高档微机移植使其能够成为商品软件和通用软件。

5 结语

虚拟施工技术是一门新兴学科，尚未形成体系。国外对理论的研究主要集中在三个方面:首先，是对施工自身理论的研究，它奠定了虚拟施工的理论基础;其次，是施工领域的可视化仿真、精益建造、敏捷建造等相关研究工作，它们构成了虚拟施工的技术支撑体系;第三，是虚拟现实技术在建筑行业的应用，这主要涉及软件研制和系统开发。

从技术发展看，虚拟施工技术的广泛应用将从根本上改变现行的施工模式，对相关行业也将产生巨大影响。为此需要不断进行研究，逐步建立起理论和技术体系，使其成为建筑业信息化的一个重要方面。应用虚拟施工技术是一个必然趋势，它将开创一个全新的数字化施工新时代。