数字化施工浅议

建设工程施工是一个高度动态的过程，施工管理极为复杂，如何应用先进的技术手段提高管理的现代化水平已成为施工管理人员的共识。随着计算机技术的飞速发展和互联网技术的日益普及，以互联网技术为基础，借助于系统仿真技术，实现工程项目的可视化、信息化和智能化施工管理，已成为工程项目施工管理的一个重要研究课题与发展方向。本文从“数字化施工管理”的提出背景出发，重点讨论了数字化施工管理的内涵,以及可能实现的手段。笔者抛砖引玉，以期引来同仁积极探讨，并带来数字化施工的繁荣。

1数字化施工的概念及核心思想

数字化施工是在“数字地球”这一大课题背景下提出的。美国于 1998 年率先提出了“数字地球”（Digital Earth）的概念[1]。严格地讲，“数字地球”是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量。

与“数字地球”的概念相似，“数字化施工”就是将施工过程数字化，它包括工程全部施工资料的数字化、网络化、智能化和可视化的过程。其核心思想是用数字化手段整体性地解决工程施工问题并最大限度地利用信息资源。

数字化施工包含的内容十分广泛，涉及到众多领域的知识和技术。它不仅仅指由计算机代替传统的手工制作报表，而是有更为广阔应用范畴。如以高速宽带互联网为依托，实现施工过程信息的共享；借助于计算机仿真技术，进行更加准确高效地配置各生产要素和预测工程的未来进展；以数字化为基础，利用可视化技术将施工过程有文字和图表转换为立体图形，以更为直观的形式辅助决策；与飞速发展的人工智能相结合，实现施工过程的智能化管理和决策等。

2数字化施工的内涵

本文认为，数字化施工的内涵应包括空间信息与可视化，系统仿真计算，虚拟现实和多智能体施工 4 个部分。

2.1空间信息与可视化

空间信息是数字化施工管理的首要前提，它包括施工场地的地形、地貌、建筑物、施工项目等一切空间的信息。空间信息技术是处理空间信息最为有力的工具，它主要包括遥感技术（ RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS），即 3S。其中，地理信息系统在建设工程施工中具有重要作用。

地理信息系统[2]（GIS，Geographic Information System）是近年来迅速发展起来的、一门介于地球科学与信息科学之间的交叉学科，亦是地学空间数据与计算机技术相结合的新型空间信息技术。它是以采集、存储、管理、分析、描述和应用整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的计算机系统。目前，国际上具有代表性 GIS 软件有：ESRI 公司的 ARC/ INFO，它是目前世界上功能最强最齐全的多平台 GIS 软件，具有空间拓扑和网络拓扑，可进行各种空间叠加分析和网络路径分析；INTEGRAPH 公司的 GeoMedia Web Map，它的地理数据具有空间拓扑结构，属性数据和空间数据采用 DBMS 管理，由于没有统计专题图的功能，目前还没有被广大用户广泛接受；MapInfo公司的 MapXstreme 系统，它的地理数据没有空间拓扑关系，采用文件方式管理，具有统计专题图功能，是成熟的地理信息系统，也是目前流行的 GIS 工具平台，属性数据采用 DBMS 管理；AutoDesk 公司的AutoDesk MapGuide 系统，它的地理数据采用文件管理，具有空间拓扑关系，但没有空间分析和网络路径分析功能，属性数据采用 DBMS 管理。

GIS 技术在我国起步较晚，但发展仍然很快，在应用研究方面尤其是通用软件开发方面相对落后。目前较有影响的软件有：北大遥感所的 Citystar、武汉测绘科技大学的 GeoStar、中国地质大学的 MapGIS等。GIS 具有存储、处理、传输和显示海量地理信息或空间数据的功能，可以对信息进行空间分析和可视化表达，丰富的查询功能也是 GIS 的一大显著特点，因而适合用于规模越来越庞大的工程建设系统的管理[3]。近年来随三维、四维的数据模型日趋成熟，三维、四维的 GIS 也逐渐得到研究和应用。天津大学等将 GIS 技术与系统仿真技术相结合，并广泛应用于水利水电工程的施工领域中，如坝区地质三维可视化、地下洞室和大坝施工过程三维动态演示、施工导截流施工管理、施工场地总布置等，在行业内取得不小的反响[4]。另外，与人工智能、面向对象、万维网、虚拟现实等技术的结合的新型地理信息系统不断的出现，这与施工管理数字化的趋势相符合，因此，也必将在工程建设领域得到更加深入和广泛的应用。

2.2系统仿真计算

系统仿真技术是 20 世纪 40 年代末随着计算机技术的发展逐步形成的一门新兴学科，它以相似性原理、系统工程方法、信息技术及应用领域相关专业技术为基础，以计算机等设备为工具，利用系统模型对真实的、或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合技术[5]。仿真就是通过建立系统模型对实际系统进行试验研究的过程。随着仿真技术的发展，现代仿真技术已经成为任何复杂系统不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。

国外从 70 年代开始将仿真技术应用到工程施工过程仿真，以循环网络仿真软件为代表的一系列软件已广泛地应用在隧洞施工、土石方开挖、桥梁施工、管道施工等工程施工领域，如 Halpin 用于工程施工过程仿真的 CYCLONE，Moavenzadeh 用于费用预测的隧道施工仿真软件 TCM，Clemmins 用于土方工程施工仿真的 SCRAPESIM，Kavanagh 用于代替 CPM 的循环网络仿真系统 SIREN，Odeh 基于知识的施工计划仿真系统 CIPROS，以及 Huang 用于施工过程动态交互仿真的 DISCO 等[6]。20 世纪 90年代以来，系统仿真的研究主要集中在：分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation）、面向对象仿真（Object-Oriented Simulation）、智能仿真（Intelligent Simulation）、可视化仿真（Visual Simulation）、多媒体仿真（Multimedia Simulation）和虚拟现实（Virtual Reality）等[7]。

可视化与仿真相结合生成可视化施工管理过程，80 年代初天津大学首先把仿真技术引入水电工程施工领域，随后对大型地下洞室群、混凝土坝的施工过程进行仿真研究，尤其是近期大量富有开拓性的研究成果，在众多大型实际工程中得到了成功地应用。目前，其他高等院校及科研单位也在隧道施工、水利水电施工、港口工艺方案设计和土方运输等方面，进行了仿真研究。

2.3虚拟现实

所谓虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR），就是采用以计算机技术为核心的现代高新科技生成逼真的集视觉、听觉、触觉与嗅觉为一体的特定范围的模拟环境，通过多种传感设备（如头盔显示器、立体眼镜、数据手套、数据衣等）使用户以自然的方式与模拟环境中的物体进行交互，从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实有重要的 3 I 特性：

（1）Immersion（沉浸度）。VR 系统不再像传统的计算机接口技术一样，用户与计算机的交互方式已经是自然的，就像现实中人与自然的交互一样。

（2）Interaction（交互性）。VR 系统区别于传统三维动画的特征是用户不再被动地接受计算机所给予的信息，或者是旁观者，而是能够使用交互输入设备来操纵虚拟物体，以改变虚拟世界的。

（3）Imagination（想象性）。用户利用 VR 系统可以从定性和定量综合集成的环境中获得感性和理性的认识，从而深化概念和萌发新意。

虚拟现实从提出到现在经历了一个发展的过程，其建模的工具也越趋于多样化：一是 Rend386 是一个免费的程序库和世界播放器，功能较弱，适于 DOS 环境。二是 World toolkit for windows 是以Windows 动态链接库的形式发布的虚拟现实程序库。在标准 SVGA 下运行，可以在窗口中显示带纹理映射的虚拟世界，也可全屏显示。三是虚拟现实建模语言 VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一种网络上使用的描述三维环境的场景描述语言，目前已有多种版本。VRML 虚拟空间生成系统可以使用户通过可视化拖放的方法，人机交互生成 VRML 虚拟空间，而用户完全不需要掌握 VRML 的语法和规范。四是 OpenGL（开放式图形语言）是一种建立图形库的语言，该语言功能强大，是实现虚拟现实的较好工具，但由于其编程量大，且较难掌握。五是 CAD、3DSMax、Visual C++、GIS、Matlab simulink工具箱等。

虚拟现实系统首先在军事、航天等高科技领域及娱乐和漫游等方面获得成功的应用，现在工程建设领域也得到应用，如利用 VR的可视化特性，检验施工组织设计方案的可行性，或者通过实时交互修改参数来对不同施工方案进行比较；VR 的交互性也是学校教学或培训员工的有效工具。