来源：第三维度
    作者：张希黔,张利

   [作者简介]

    张希黔(1939 —) ,男,湖南新化人,中国建筑三局总工程师,博士生导师,英国皇家特许建造师,教授级高级工程师

    随着计算机技术的普及和发展,在建筑工程施工中采用智能方法极大地促进了施工技术和管理水平的提高,从而推动着施工学科的不断进步和发展。目前施工领域应用较成熟的软件系统有:CAD 辅助设计技术、专家系统、智能管理系统、办公自动化系统等,这些计算机技术的应用改造了传统的施工方法和理论,带来了新的理念。通过在建筑工程施工中引入虚拟技术的工程实践证明,建筑工程施工应用虚拟技术已成为可能,用虚拟技术研究建筑工程施工,将创造极大的经济性和促进技术的进步。

    1 　虚拟仿真技术

    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,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,使用户身临其境。虚拟现实技术不但具有仿真技术的优点还能提供真实的环境效果,在许多应用领域取得飞速发展。国内外的土木工程界在“大坝安全在线监控系统”和建筑消防研究方面也有一些尝试。

    仿真技术是对系统动态模型的一种实验手段,在安全性和经济性方面有较大的优越性,使其广泛地被航空、航天、军事、电力、交通等行业采用,在化工、煤炭、冶金等方面也有较好应用。

    2 　建筑施工中应用虚拟仿真系统的意义

    使用虚拟现实技术对施工过程进行模拟,在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置及相互关系,实验多种施工方法,计算相应工况应力,对方案进行优化,这对以下几方面将产生重大意义。

    (1) 建筑工程施工方案的选择和优化　建筑工程施工的施工方法及施工组织的选择和优化主要是建立在施工经验的基础上,存在一定局限性。同时,现代建筑基本都具有鲜明的个性,建筑工程施工成为不可完全重复的过程。使用施工虚拟仿真技术将可以直观、科学地展示不同施工方法和施工组织措施的效果,可以定量地完成方案的对比,有助于施工方案的选择和优化,真正实现最优施工。

    (2) 施工技术革新和新技术引入　施工虚拟仿真技术一方面能使广大施工技术人员低成本地试验施工新工艺和革新思路,有助于创造性的充分发挥,同时能真切展示新技术的成效,缩短建筑业新技术的引入期和推广期,降低新技术、新工艺的实验风险。

    (3) 施工管理　施工虚拟仿真技术能事先模拟施工全过程,能提前发现施工管理中质量、安全等方面存在的隐患,因而可以采取有效的预防和强化措施,提高工程施工质量和施工现场管理效果。

    (4) 安全、生产培训　施工虚拟仿真技术能实时、直观地显示施工过程的实际情况,有助于操作人员全面了解操作流程,优质安全地完成施工任务。

    (5) 大型工程设计　施工虚拟仿真技术可以考察建筑设计是否合理,可以方便地对拟改进部位进行修改,从而得到满意的设计结果。设计的仿真也有利于设计单位与业主、施工单位进行设计交底。

    (6) 建筑市场管理　施工虚拟技术在招投标过程中能直观对比各方的施工方法和成效,增加评标的透明度和公正性,有利于建筑市场的规范管理。

    (7) 其它方面　开发施工虚拟仿真技术必然带动虚拟现实技术广泛地应用于建筑业其它方面,带动以下几方面的进步: ①城市和市政规划的优化; ②投资者的投资意图及市场推销; ③建筑机械设计; ④仿真和虚拟现实技术。

    3 　虚拟仿真系统在建筑施工中的研究和应用现状

    虚拟现实是一门新兴学科,虚拟建造更是尚未成体系,甚至没有一个明确的提法,现阶段国外对理论的研究主要集中在3 个方面: ①对建造理论的研究,奠定了虚拟建造的理论基础; ②建造领域的可视化仿真、精益建造、敏捷建造等相关研究工作,构成了虚拟建造的核心技术和支撑体系; ③虚拟现实技术在建筑业的应用,主要涉及软件研制和系统开发。

    1999 年5 月,在上海同济大学召开的第四届亚洲计算机辅助建筑设计研究国际会议上,讨论了建筑工程CAD 技术中应用虚拟现实的专题,介绍了VR 技术在建筑设计、仿真、模拟和教学中的研究和应用。上述讨论主要偏重于设计方面,国内真正把虚拟仿真技术用于工程施工的实例是上海正大广场。

    上海正大商业广场施工虚拟仿真系统主要包括3 大部分: (1) 上海正大商业广场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; (2) 钢结构施工方案及其优化;(3) 桅杆起重机和钢构件内力及焊接变形分析。其中(2) 、(3) 是虚拟仿真系统的核心部分。该项目2000 年5 月在上海组织了技术评审,到会专家给予此项目很高的评价。该项目的开发研制为虚拟仿真技术在工程施工中的应用提供了重要的经验和尝试。

    4 　虚拟仿真技术在工程施工中的研究和应用展望

    仿真技术能否在建筑工程施工领域得以推广和应用取决于计算机硬件和仿真软件本身的发展方面。目前应用虚拟仿真施工系统存在以下问题:

    (1) 虚拟仿真系统开发和应用要求的硬件平台较高,需要在较高的专用工作站或实验室上进行,企业自行开发系统时,要建造专用虚拟实验室,购买国外进口设备和软件,这需投入一定的资金和人力。

    另外系统的演示受设备的限制,移动不方便。

    (2) 在对单项工程进行开发时,需从国外进口VR 软件平台。由于虚拟仿真系统在工程施工中集成型软件几乎没有,再加上工程施工中影响因素较多,客观上造成开发一个项目所需成本较高,努力开发出一套面向建筑工程施工的专用集成型软件系统,为单项工程的开发提供一个方便的开发平台(模块) 是重要的前提。目前中国建筑三局与华中科技大学正在着手进行此项工作。

    (3) 施工企业要引进专业软件人才,培养自己的开发骨干,会增加施工企业的开支。

    目前,我国一些大型建筑企业集团建立了自己的设计研究院,这为施工企业的技术人才培养和蓄纳创造了条件。我国施工企业的工程技术人员已具有一定的软件研发能力和应用水平,省、市级建筑施工集团已成为开发和应用施工定额软件、施工管理软件的主力。高等院校和科研机构也积极开发各种工程施工中所需的计算机辅助设计软件,另外在工程实践方面对计算机的工艺集成控制技术也有不少探索和应用,并取得了丰硕的成果。整个施工学科领域应用计算机辅助软件正逐步形成,完成完整的、适用的人工智能方法研究和实际推广已具备可能性。

    仿真技术的应用使仿真软件取得了飞速发展,新的并行计算方法、新的仿真平台和编程技术使其具有更好的可扩展性,因而能被更多的领域所使用。

    同时仿真系统的微机化探索已经取得进展,虚拟现实在微机上实现已有可能。通过开发通用和集成型施工软件(模块) ,必将降低单项工程的开发造价和加快软件的普及。

    实行校企(研) 联合是加快建筑业科技进步,推进施工现代化的一个重要捷径。建筑企业采用与专门科研院所合作的方式,充分利用高等院校的科研实力和人才优势,建立起长期的合作伙伴关系,积极开发和应用虚拟仿真系统。

    面对信息革命和日益发展的高新技术,建筑业必须勇于吸纳新技术并积极改造,以努力促进施工技术的进步和发展,实现现代化,这是建筑施工企业适应知识经济、增强竞争力的唯一途径。