虛擬設(shè)計與施工(VDC)技術(shù)的應(yīng)用研究*

李巖松 石亞杰 鄭威

(1.上海科技館，上海 200127；2.上海市建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，上海 200080；3.同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092)

虛擬設(shè)計與施工(VDC)技術(shù)的應(yīng)用研究*

李巖松1石亞杰2鄭威3

(1.上?？萍拣^，上海 200127；2.上海市建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，上海 200080；3.同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092)

近年來，全球范圍內(nèi)建筑行業(yè)的生產(chǎn)力呈逐年下降的趨勢，傳統(tǒng)建筑行業(yè)中存在的諸多問題日益凸顯，如信息缺失、表達(dá)模糊、材料損耗嚴(yán)重和效率低下等，主要原因是建筑行業(yè)在技術(shù)和創(chuàng)新上的投入不大。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬設(shè)計與施工的理念逐漸形成，并成為未來建筑領(lǐng)域信息化發(fā)展的方向。結(jié)合POP模型對VDC技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，并以上海天文館項目為例，闡述了VDC技術(shù)在天文館項目設(shè)計階段中的應(yīng)用。

建筑行業(yè)；VDC；POP；信息化

0 引言

自20世紀(jì)以來，建筑行業(yè)經(jīng)過了長足的發(fā)展，為人類社會創(chuàng)造了豐富的物質(zhì)生產(chǎn)生活場所和精神享受空間，但是行業(yè)中還存在著許多問題，生產(chǎn)效率低下和信息化水平不高一直是影響建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。隨著工程項目的規(guī)模越來越大，以及復(fù)雜程度越來越高，傳統(tǒng)的行業(yè)模式造成項目在設(shè)計和施工階段的問題不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致項目在設(shè)計和施工階段的返工和成本增加，相應(yīng)的管理成本也增加。解決這些問題的關(guān)鍵在于加大建筑行業(yè)在技術(shù)和創(chuàng)新方面的投入，不斷推進(jìn)行業(yè)內(nèi)信息化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[1]。美國斯坦福大學(xué)自1988年成立設(shè)施集成化工程中心(Center for Integrated Facility Engineering，CIFE)以來，一直在進(jìn)行關(guān)于提高建筑工程領(lǐng)域生產(chǎn)效率的研究，并于2001年在業(yè)內(nèi)第一次提出了虛擬設(shè)計與施工(Virtual Design and Construction，VDC)的理論。該理論指出VDC是未來建筑行業(yè)信息化發(fā)展和研究的趨勢[2]。

1 VDC概述

1.1 VDC的定義

VDC被定義為綜合多門學(xué)科對項目建設(shè)進(jìn)行集成化設(shè)計和施工的信息技術(shù)模型，包括產(chǎn)品、組織和過程模型，也稱為POP模型，是在設(shè)計-施工-運營過程中實現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)的過程[3]。VDC可以作為項目管理人員進(jìn)行項目交付的工具，其核心是以BIM建立的三維模型為對象的多種軟件構(gòu)建的工作平臺。一旦擁有了BIM模型，在這個VDC的平臺上，可以解決很多問題，比如施工可行性研究、成本估算、沖突檢測、機水電環(huán)境協(xié)調(diào)、可視化調(diào)度、非現(xiàn)場預(yù)制、安全工程等。VDC模型通過一定的邏輯關(guān)系集成在一起，并且數(shù)據(jù)可以進(jìn)行共享，當(dāng)模型的某一個方面被突出或發(fā)生變動，跟它相關(guān)聯(lián)的特征都會自動發(fā)生變動，這些模型一定意義上是反映性能的模型，可以預(yù)測各方面項目的執(zhí)行情況[4]。

1.2 POP模型及方法論

針對一個建筑工程項目而言，設(shè)計師所創(chuàng)建的概念設(shè)計模型經(jīng)過深化設(shè)計之后所得到的模型即是產(chǎn)品模型(Product Model)；在施工過程中施工計劃和施工相關(guān)的活動構(gòu)成了過程模型(Process Model)；公司或團(tuán)隊的人員配備和其相關(guān)職責(zé)構(gòu)成了組織模型(Organization Model)，這三種模型統(tǒng)稱POP模型[5]。CIFE中心的研究人員定義了一種基于POP的工程項目方法論，該方法論明確地定義了項目的產(chǎn)品、組織和流程以及相對應(yīng)的預(yù)期功能、形式架構(gòu)和預(yù)期行為，預(yù)期功能、形式架構(gòu)和預(yù)期行為又分為預(yù)測、觀察和期望三個層面，其架構(gòu)見圖1。

圖1 POP方法論框架

1.3 VDC技術(shù)具體實施過程

用戶主要在可視化建模、模型集成化和自動化三個階段應(yīng)用VDC[4]。

在可視化建模階段先創(chuàng)建3D產(chǎn)品模型，再創(chuàng)建組織模型用于設(shè)計、施工和運營中，最后創(chuàng)建過程模型用于預(yù)測模型性能并進(jìn)行過程追蹤。定期對產(chǎn)品、組織和流程中費用較高的部分進(jìn)行建模和可視化分析，整合多學(xué)科VDC模型，根據(jù)項目的價值定位來分析VDC工具、方法和人力資源方面的投資，明確項目的目標(biāo)、價值、責(zé)任和設(shè)計預(yù)期。

在模型集成化階段，為保證不同模型和不同應(yīng)用軟件之間數(shù)據(jù)共享的可靠性和交互過程的順利，供應(yīng)商要保證信息交換擁有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。POP模型之間的數(shù)據(jù)共享以及IFC標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)據(jù)交換提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是目前IFC標(biāo)準(zhǔn)仍然在不斷發(fā)展和完善的過程中，不同軟件之間數(shù)據(jù)的無損傳遞仍是一個亟待解決的問題。

在自動化階段，利用自動化的方法執(zhí)行常規(guī)的設(shè)計任務(wù)，或者在工廠中預(yù)制構(gòu)件。為了促進(jìn)自動化設(shè)計，項目組織需要改進(jìn)工作流程以提高設(shè)計效率，減少時間和資金的投入。為了支持建造過程，以往的“設(shè)計-建造”或“設(shè)計-競標(biāo)-建造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)計-建造-裝配”。

1.4 VDC平臺工具及其功能

在VDC的框架下已經(jīng)開發(fā)了很多工具和軟件，包括[6]：

(1)產(chǎn)品可視化工具，即3D建模工具，如AUTOCAD、revit等，用于建立三維模型，并能夠協(xié)同不同專業(yè)的工作任務(wù)。

(2)產(chǎn)品過程模型及其可視化工具，以CommonPoint Project 4D和NavisWork為代表。這些工具不僅可以直觀地查看3D模型，還可以查看施工過程的模型。

(3)組織過程模型工具，如視頻顯示終端(VDT)和模擬視窗(SimVision)，可以模擬出合適的組織架構(gòu)，識別可能造成項目延誤的風(fēng)險。

(4)在線協(xié)同工具，如iRoom，是一個基于項目的研究站，便于項目參與各方隨時隨地獲取POP模型，并可以集成常用的工程軟件(如Microsoft Excel，Microsoft Project，Architectural Desktop等)進(jìn)行迅速反復(fù)的協(xié)同工作。

(5)其他用于分析多學(xué)科會議效率的技術(shù)，如利用DEEPAND平臺，可以評估多學(xué)科會議的效率，DEEPAND為描述、解釋、評估、預(yù)測、談判等流程提供了評判標(biāo)準(zhǔn)，通過使用VDC工具和技術(shù)可以提高信息共享的效率。

2 VDC技術(shù)在建筑工程項目中的應(yīng)用

2.1 VDC技術(shù)的協(xié)同設(shè)計應(yīng)用

Atul Khanzode于2010年報道了關(guān)于VDC技術(shù)在機電協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用[7]，并指出在很多復(fù)雜的工程項目中，機電系統(tǒng)占據(jù)了40%～60%的造價，但是機電系統(tǒng)的協(xié)同仍然是點對點的，缺乏一致的、落地的、可重復(fù)性的機電協(xié)同設(shè)計方案和追蹤協(xié)同進(jìn)度的方法，從而導(dǎo)致團(tuán)隊工作效率低下。精益集成化的VDC技術(shù)提供了保證機電協(xié)同一致性的方法，在協(xié)同過程中項目團(tuán)隊為機電設(shè)計協(xié)同系統(tǒng)制定技術(shù)流程和進(jìn)度計劃，有效組織團(tuán)隊進(jìn)行機電系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計，并使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來追蹤工作進(jìn)展。以加利福尼亞北部的一個項目為例，該項目使用了VDC技術(shù)進(jìn)行機電協(xié)同設(shè)計，項目完成后的統(tǒng)計結(jié)果表明，不同的系統(tǒng)之間實現(xiàn)了0碰撞0沖突，項目的返工量少于0.2%，整個工程項目的生產(chǎn)效率提高了30%。

Garcia于2003年發(fā)表了關(guān)于VDC應(yīng)用在工程項目建設(shè)早期的協(xié)同設(shè)計的研究文章[5]。在項目過程中利用VDC技術(shù)創(chuàng)建了一個實體模型，形成了項目的通用模型。該模型包含了功能需求、設(shè)計表單，并且可以模擬出項目的產(chǎn)品、組織和流程。通過VDC技術(shù)的協(xié)同，完成方案設(shè)計的時間比傳統(tǒng)方法大大縮減。研究認(rèn)為VDC、高度協(xié)同作業(yè)、通用項目模型三者之間形成了一個三角的流程關(guān)系，可以確保項目團(tuán)隊更快速地為新項目設(shè)計出新的模型，并且可以為之后的深化設(shè)計和施工計劃制訂提供支持。VDC管理方法建立了POP模型，可以實現(xiàn)最大限度的協(xié)同工作，提高項目的質(zhì)量并減少重復(fù)工作。依據(jù)高度協(xié)同化理念，POP模型可投射在三個屏幕上進(jìn)行展示，讓項目人員從多方位的角度對項目的實時信息進(jìn)行對比和管控，極大地提高了管理的效率。此外，建模過程中利用VDC逐步建立設(shè)計和施工模型，能夠使設(shè)計師考慮到施工的可行性并進(jìn)行設(shè)計方案的優(yōu)選。

2.2 VDC技術(shù)的虛擬施工應(yīng)用

計算機技術(shù)的發(fā)展使得現(xiàn)代建筑的設(shè)計越來越異形化和曲面化，這對施工單位的施工技術(shù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的施工技術(shù)難以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工工藝的重難點問題。隨著虛擬可視化技術(shù)的推廣應(yīng)用，虛擬施工的技術(shù)逐漸得到發(fā)展。虛擬施工技術(shù)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造了一個可視化的施工環(huán)境，可以將3D模型和進(jìn)度計劃、工程量以及造價等信息關(guān)聯(lián)進(jìn)行施工過程的模擬。并且可以針對重點復(fù)雜區(qū)域的施工工藝進(jìn)行模擬，檢查施工方案中不合理的地方，最終確定最優(yōu)施工方案[8]。

虛擬施工結(jié)合了4D和5D技術(shù)對施工進(jìn)度和造價過程進(jìn)行可視化模擬。其中4D模型屬于過程模型的一種，集成了3D模型和進(jìn)度模型，可以幫助項目人員識別進(jìn)度沖突和安全風(fēng)險。通過把3D模型和施工進(jìn)度聯(lián)系起來，4D模型傳達(dá)出了計劃工作的次序，輔助項目人員發(fā)現(xiàn)加快進(jìn)度的辦法[9]；5D模型在4D模型的基礎(chǔ)上增加了工程量信息和工程造價信息，通過5D施工模擬可以讓項目管理人員在施工之前預(yù)測所需的資金、材料、勞動力等情況，對施工過程進(jìn)行成本控制[10]。5D模型集成了進(jìn)度、預(yù)算等關(guān)鍵信息，項目管理人員通過形象進(jìn)度查看，可以實時調(diào)整施工過程中資金與資源的計劃，確保資金和資源的使用平衡。5D施工模擬應(yīng)用于項目建造的全過程，可以對施工過程進(jìn)行前期指導(dǎo)、過程把控和結(jié)果校核，達(dá)到項目精細(xì)化管理的目標(biāo)。

3 VDC技術(shù)在上海天文館項目設(shè)計階段的應(yīng)用

以上海天文館項目為例，該項目以“地球、月亮、太陽”這三體和“行星運行軌道”“行星之間引力”為概念進(jìn)行設(shè)計，整個場地的軌道弧線構(gòu)造奇特、設(shè)計復(fù)雜，土建及機電設(shè)計、景觀設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計三者之間相互影響又相互制約，整體性要求高。運用VDC技術(shù)，通過建立POP模型獲得幾乎所有的數(shù)據(jù)和信息，輔助可視化設(shè)計過程，極大地提高了設(shè)計效率。上海天文館設(shè)計過程中VDC技術(shù)的主要應(yīng)用點有風(fēng)模擬、日照模擬和碰撞檢測等。通過可視化的模擬分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題，為優(yōu)化設(shè)計提供有力的支持。

3.1 風(fēng)環(huán)境模擬

上海天文館的風(fēng)環(huán)境模擬分為室外風(fēng)環(huán)境模擬和室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬兩個方面。

室外風(fēng)環(huán)境模擬以產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)，建立風(fēng)環(huán)境模擬計算模型。室外風(fēng)環(huán)境模擬針對不同季節(jié)條件的風(fēng)向和風(fēng)速模擬出不同建筑高度的風(fēng)速云圖和建筑風(fēng)壓圖，反映出整個建筑區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速分布情況和迎背風(fēng)面的風(fēng)壓。以冬季工況的模擬為例，風(fēng)速設(shè)置為西北風(fēng)、平均風(fēng)速3.10m/s，1.5m高人行活動區(qū)域風(fēng)速計算結(jié)果和建筑表面風(fēng)壓計算結(jié)果分別見圖2、圖3。結(jié)果分析表明，在冬季工況主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速條件下，整個區(qū)域內(nèi)的最大風(fēng)速約為3m/s，小于5m/s，符合舒適性能要求；建筑迎背風(fēng)面的平均風(fēng)壓壓差為5Pa左右，符合風(fēng)壓差要求。

圖2 冬季工況整個計算域1.5m處風(fēng)速原始云圖(軟件截圖)

圖3 冬季工況迎背風(fēng)面風(fēng)壓圖(軟件截圖)

室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬選擇了自然通風(fēng)最適宜的過渡季，主要對1.5m高處風(fēng)速分布和空氣齡分布進(jìn)行模擬，見圖4、圖5。模擬結(jié)果表明，在過渡季主導(dǎo)風(fēng)向下，室內(nèi)1.5m高風(fēng)速在0.1～0.2m/s的范圍，符合自然通風(fēng)的基本要求，但同時室內(nèi)空氣齡較大，需調(diào)整開口位置及面積，增加自然通風(fēng)量。

圖4 1.5m高處風(fēng)速分布(軟件截圖)

圖5 1.5m高處空氣齡分布(軟件截圖)

3.2 采光及太陽輻射模擬

建筑采光模型與建筑室外風(fēng)環(huán)境采用相同的產(chǎn)品模型，根據(jù)軟件計算的需要對模型進(jìn)行處理后得到采光計算模型。模擬過程中主要對天窗的采光效果進(jìn)行分析，判斷其給采光帶來的影響。根據(jù)計算結(jié)果可知，0.75m高度處采光系數(shù)分布見圖6，模擬結(jié)果表明天窗帶來的室內(nèi)采光效果明顯，在全陰天模型情況下，極大改善了下方空間的自然采光情況。1.5m高度太陽輻射得熱分布見圖7，模擬結(jié)果表明在自然采光得到改善的同時，天窗的采用會大幅增加太陽輻射的熱量，根據(jù)計算結(jié)果，7月份在未采取遮陽措施的情況下，天窗造成的室內(nèi)太陽輻射直射熱量的峰值為40kwh/m2，因此結(jié)合建筑造型合理設(shè)置外遮陽或內(nèi)遮陽有利于降低夏季空調(diào)負(fù)荷。

圖6 0.75m高度采光系數(shù)分布(軟件截圖)

圖7 1.5m高度太陽輻射得熱分布(軟件截圖)

3.3 碰撞檢測

上海天文館結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體量巨大，在設(shè)計過程中建筑構(gòu)件之間難免形成沖突。利用BIM模型進(jìn)行碰撞檢測，可以在設(shè)計過程中提前發(fā)現(xiàn)并解決問題，碰撞檢測對設(shè)計模型進(jìn)行可視化的展現(xiàn)，讓設(shè)計人員清晰直觀地看到發(fā)生沖突的部位，提高設(shè)計工作的效率，減少現(xiàn)場返工的工作量。結(jié)構(gòu)碰撞實驗中發(fā)現(xiàn)了不少的問題，主要分為以下幾類：

(1)結(jié)構(gòu)柱與墻體、樓梯的沖突。如圖8所示的是結(jié)構(gòu)柱與人防通道、人防墻和人防門有碰撞，與樓梯及部分功能房間也有碰撞，解決方案是與人防及樓梯間沖突的柱子，建議當(dāng)前層刪除，上層柱子可梁上起柱。

(2)結(jié)構(gòu)梁與樓梯、建筑表皮的沖突。如圖9所示的是結(jié)構(gòu)梁穿入樓梯間的沖突，解決方案是結(jié)構(gòu)梁做調(diào)整。

(3)墻體與墻體、門等構(gòu)件的沖突。如圖10所示的是餐廳一樓與屋頂墻體發(fā)生碰撞，解決方案是待建筑專業(yè)人員進(jìn)行協(xié)調(diào)。

圖8 結(jié)構(gòu)柱與人防通道、人防墻、人防門、樓梯、房間的碰撞沖突(軟件截圖)

圖9 結(jié)構(gòu)梁穿入樓梯間的碰撞沖突(軟件截圖)

圖10 餐廳一樓與屋頂墻體的碰撞沖突(軟件截圖)

4 結(jié)語

通過對上述研究內(nèi)容的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前VDC技術(shù)的應(yīng)用可以為項目各參與方帶來巨大的效益，是未來建筑行業(yè)信息化發(fā)展的方向，但是同時VDC技術(shù)很多方面有待于進(jìn)一步發(fā)展成熟，結(jié)論如下：

(1)VDC可以幫助企業(yè)取得突破性的目標(biāo)，提高工作質(zhì)量、加快工作進(jìn)度，減少未列入預(yù)算的費用變更。不同項目參與方職責(zé)明確，提高了設(shè)計工作的效率，使設(shè)計師考慮到施工的可行性，還能夠進(jìn)行設(shè)計方案的優(yōu)選。項目參與方共享可視化模型，深度有效協(xié)同工作，減少了施工過程中的返工。

(2)VDC可以輔助項目管理，提供交互式平臺框架以更好地發(fā)現(xiàn)、追蹤和處理變更。例如iRoom研究站，提供了三個屏幕進(jìn)行POP模型展示，讓項目人員從多方位的角度對項目的實時信息進(jìn)行對比和管控，極大地提高了管理的效率。

(3)VDC技術(shù)的應(yīng)用需要較大的資金投入?，F(xiàn)階段，VDC工具使用起來有一定難度，和其他工具集成協(xié)同難度大且數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，因此能夠帶來的商業(yè)價值有限。許多業(yè)主基于對項目成本的考慮并未對VDC技術(shù)持太大興趣，對VDC的應(yīng)用價值持觀望態(tài)度。

(4)業(yè)主、設(shè)計單位和總包單位都有固定的工作模式和習(xí)慣，VDC的工作流程和他們傳統(tǒng)的工作模式不匹配，實際操作過程中會遇到很多困難。VDC模型和基于模型的VDC分析方法還在研究和發(fā)展過程中，相關(guān)理論基礎(chǔ)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)還有待完善，應(yīng)用過程可能存在未知的風(fēng)險。

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上海市科委課題“上海天文館工程建設(shè)技術(shù)研究與應(yīng)用(15dz1207900)”。

2016-05-10