虛擬仿真技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-3335

基金項(xiàng)目：遼寧省職業(yè)技術(shù)教育學(xué)會(huì)科研規(guī)劃項(xiàng)目《虛擬仿真技術(shù)在高職院校土建類專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用》（項(xiàng)目編號(hào)：LZY22239）。

作者簡介：楊帆（1985—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)閺氖卢F(xiàn)代混凝土外加劑及摻合料、工業(yè)廢渣高性能水泥基復(fù)合材料、新型建筑材料等方面的教學(xué)和科研工作。

摘 ?要：土木工程中使用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)可以對(duì)建筑的施工展開仿真測試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中沒有發(fā)生或存在的問題。將虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)運(yùn)用到施工中，由于計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境是虛擬的，所以人們對(duì)施工環(huán)境、施工流程等的感知都是現(xiàn)實(shí)的，施工人員就能夠利用各種技術(shù)進(jìn)行人與虛擬環(huán)境之間的互動(dòng)，對(duì)虛擬環(huán)境實(shí)時(shí)應(yīng)答。因此，根據(jù)虛擬仿真技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用予以分析。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù) ?土木工程 ?施工質(zhì)量??建筑設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU753

利用虛擬計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)成施工體系的整體虛擬環(huán)境，人們通過利用虛擬環(huán)境進(jìn)行對(duì)施工實(shí)體的分析與管理，人與施工實(shí)體之間的互動(dòng)，可以完全適應(yīng)土木建筑施工、仿真技術(shù)的發(fā)展需要。虛擬仿真技術(shù)可以有效提高施工的整體質(zhì)量。從選擇最優(yōu)或優(yōu)化的施工方案入手，提高對(duì)施工過程、空間和安全的控制，以最大限度地提高建筑的經(jīng)濟(jì)性、科技性。虛擬仿真技術(shù)雖然不能直接有效地模擬人的感知，但對(duì)提高施工質(zhì)量和進(jìn)度仍具有重要意義。

1 ?虛擬仿真技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用意義

虛擬仿真的突出特點(diǎn)就是可視化，其內(nèi)容能以更為直觀的方式呈現(xiàn)，本質(zhì)上為可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬環(huán)境的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中，虛擬環(huán)境由計(jì)算機(jī)生成，是現(xiàn)實(shí)世界的還原與構(gòu)想，體驗(yàn)者通過各種傳感方式，能夠與虛擬環(huán)境產(chǎn)生交互。因此，虛擬仿真技術(shù)下所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，通過對(duì)三維世界的虛擬，能夠讓人們在此環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生更為真實(shí)的感受，在此虛擬的三維世界中，人們能實(shí)時(shí)感受實(shí)體對(duì)象的具體變化，通過目鏡等傳感設(shè)備的使用，體驗(yàn)者與虛擬世界在三維界面上產(chǎn)生交互，給體驗(yàn)者帶來新鮮的感受。而其虛擬仿真技術(shù)在土木工程施工中具有以下意義。

1.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

虛擬建筑仿真技術(shù)的基礎(chǔ)是一種3D的建筑模式，某個(gè)位置的改變就會(huì)引起整個(gè)地方改變，這所帶來的益處并不單單是可以自動(dòng)地減少低級(jí)錯(cuò)誤，也減少設(shè)計(jì)方面的問題，最值得一提的是降低成本。對(duì)于任何在建筑方面的小修改，都能夠及時(shí)地體現(xiàn)到另一端相關(guān)軟件中，從而減少重復(fù)性工作，消耗精力的損失。

1.2 ?溝通效能高

借助虛擬電腦仿真技術(shù)的應(yīng)用，工程建設(shè)者還可以設(shè)立模型端口，使工程設(shè)備人員能夠及時(shí)有效地接收到資訊，便于準(zhǔn)確獲取更新版的模型，從而大大減少以往工程項(xiàng)目中各專業(yè)人員在溝通信息方面的阻礙；同時(shí)，也可以將數(shù)據(jù)信息直接報(bào)告給相關(guān)的建筑管理者，在工程建設(shè)過程中與項(xiàng)目中其他各專業(yè)人員密切聯(lián)系起來，以便于使工程總體在設(shè)計(jì)方案開工之初即實(shí)現(xiàn)有效溝通。

1.3 ?虛擬施工

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)在建筑中的引入，各類建筑百般出現(xiàn)問題，給建設(shè)施工方造成巨大挑戰(zhàn)，但過去的施工技術(shù)也早已無法適應(yīng)當(dāng)今建設(shè)的實(shí)際需要。這樣，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在建設(shè)工程中就得到應(yīng)用[1]。

1.4 ?碰撞檢查

傳統(tǒng)2D模型由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)錯(cuò)、漏、碰、缺以及人工檢測，會(huì)耗費(fèi)大量的代價(jià)。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真技術(shù)創(chuàng)建3D可視化模型，通過使用碰撞檢測軟件并加以測試，能夠直接處理物理空間上的關(guān)系沖突，大大改善設(shè)計(jì)，并減少在施工階段可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤和在建造階段出現(xiàn)的返工現(xiàn)象。運(yùn)用可視化3D模型進(jìn)行工地交底，提升的不僅僅是工地品質(zhì)，還能提升項(xiàng)目的品質(zhì)。

1.5 ?其余方面

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越深入地運(yùn)用在很多領(lǐng)域當(dāng)中，如建筑行業(yè)當(dāng)中，城市的整體規(guī)劃也越發(fā)合理。

2 ?虛擬仿真技術(shù)特點(diǎn)

建筑企業(yè)應(yīng)用新技術(shù)進(jìn)行BIM管理和BIM成果展示符合行業(yè)趨勢發(fā)展需求，同時(shí)也可作為BIM/VR虛擬仿真技術(shù)的先鋒，增強(qiáng)整體實(shí)力，優(yōu)化工程管理流程，節(jié)約企業(yè)成本，實(shí)現(xiàn)信息化工程管理的目的。采取BIM/VR技術(shù)作為工程管理及BIM成果展示的成本更低。BIM/VR虛擬仿真可以實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM進(jìn)度管理、BIM成本管理、BIM安全管理等綜合應(yīng)用，在建筑信息模型設(shè)計(jì)完成后，能在BIM/VR虛擬仿真施工整體建筑物特征，實(shí)際場景感受工程項(xiàng)目建成后的場景，并且能夠在VR中進(jìn)行施工進(jìn)度模擬、施工變更管理和查看、對(duì)已經(jīng)建成的建筑進(jìn)行BIM運(yùn)維。利用BIM/VR技術(shù)進(jìn)行快速技能改造及真實(shí)場景模擬。項(xiàng)目管理人員可以利用BIM/VR虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程細(xì)節(jié)管理過程，能夠在工程實(shí)際施工建設(shè)之前得到項(xiàng)目建設(shè)方想要的和不想要的內(nèi)容，這意味著最大限度地減少工程施工方案變更，節(jié)約工程管理成本。建設(shè)方也實(shí)現(xiàn)在籌建階段通過真實(shí)場景模擬，對(duì)項(xiàng)目技術(shù)改造升級(jí)提出新要求的可能。虛擬仿真技術(shù)與BIM建筑信息模型技術(shù)的高效融合，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與技術(shù)之間的互通，打通建筑工程與虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用之間的壁壘，讓體驗(yàn)者擁有在工程中身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)，并且完全杜絕安全隱患，不出門即能實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場工程的管理，制訂有效的施工方案與優(yōu)化措施，對(duì)即將入場的工作人員進(jìn)行三級(jí)安全教育，對(duì)工程管理有著諸多便利作用[2]。

3 ?虛擬仿真技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

3.1 ?施工組織設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選

建筑行業(yè)在我國有著較長的發(fā)展周期，在長時(shí)間發(fā)展的過程中，各個(gè)工程企業(yè)在參與土木建筑工程項(xiàng)目的過程中，越發(fā)重視施工組織設(shè)計(jì)方案，在項(xiàng)目中需要綜合各種因素，制訂最優(yōu)的施工組織設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)的工作模式下，施工組織設(shè)計(jì)方案制訂時(shí)，一般是直接總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，在后續(xù)按照此方案開展施工作業(yè)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)技術(shù)、安全等方面的問題。在技術(shù)不斷進(jìn)步的今天，很多建筑呈現(xiàn)出形式個(gè)性化、結(jié)構(gòu)多樣化的特點(diǎn)，在施工組織設(shè)計(jì)方案的制訂上，必須通過虛擬仿真技術(shù)的使用，直觀展示不同作業(yè)方法、施工方案、技術(shù)組織措施的效果，開展量化分析與對(duì)比，選擇出最為科學(xué)的施工組織設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)后續(xù)施工作業(yè)。

3.2 ?土木建筑施工新技術(shù)、新工藝研發(fā)

建筑行業(yè)在長時(shí)間發(fā)展的過程中，很多專業(yè)人員在材料、工藝等方面開展一系列的創(chuàng)新工作，陸續(xù)出現(xiàn)多種的新工藝與新材料。但每一種新工藝與新材料都有各自的適用條件，利用虛擬仿真技術(shù)，有助于新技術(shù)與新工藝的研發(fā)。在傳統(tǒng)的工藝與材料研發(fā)中，往往要開展大量的試驗(yàn)，試驗(yàn)中的人力、物力消耗大，也需要很長時(shí)間才能得出結(jié)論。而虛擬仿真技術(shù)的模擬特性，可在很短的時(shí)間內(nèi)得到結(jié)論，極大程度上節(jié)約成本[3]。

3.3 ?施工質(zhì)量控制

土木建筑工程項(xiàng)目中，進(jìn)度與質(zhì)量是施工過程中的重要部分，施工進(jìn)度關(guān)乎工程的效益，而質(zhì)量控制關(guān)乎工程的安全、功能；在原先的工程質(zhì)量和進(jìn)度要求中，主要為人員組織方面，一般都是在出現(xiàn)進(jìn)度或者質(zhì)量問題后，再針對(duì)性地處理。實(shí)際上，在當(dāng)前建筑行業(yè)發(fā)展中，為促進(jìn)工程各方面目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，針對(duì)進(jìn)度與質(zhì)量控制，應(yīng)開展全過程的工作，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，有助于全過程的推行，在項(xiàng)目實(shí)施之前通過工程模型的構(gòu)建，可在模型中整合信息，由模型自動(dòng)制定進(jìn)度、質(zhì)量控制的對(duì)策，即使在后續(xù)施工中出現(xiàn)進(jìn)度或者質(zhì)量方面的問題，可直接從模型中調(diào)取有關(guān)的數(shù)據(jù)，將實(shí)際數(shù)據(jù)與計(jì)劃數(shù)據(jù)加以對(duì)比，找出偏差，通過相應(yīng)方式改進(jìn)和施工調(diào)整。

3.4安全防范

當(dāng)工程企業(yè)在項(xiàng)目實(shí)施中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)后，可在正式的施工作業(yè)之前，根據(jù)對(duì)工程信息的掌握，在所構(gòu)建的工程模型中直觀展示現(xiàn)場可能出現(xiàn)的安全隱患，而虛擬模型中的安全虛擬子系統(tǒng)，可對(duì)現(xiàn)場的安全事故進(jìn)行模擬，讓施工人員有更為直觀的感受，提前針對(duì)現(xiàn)場施工作業(yè)，制定安全防護(hù)措施、管理方案[4]。

3.5工程設(shè)計(jì)

在當(dāng)前工程市場中，出現(xiàn)很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，這些復(fù)雜的建筑物中，前期的設(shè)計(jì)難度較大，如果依舊采用傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)方案確定時(shí)需進(jìn)行很多的計(jì)算工作，工作量大且經(jīng)常出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，所得到的設(shè)計(jì)方案存在一定誤差，難以滿足工程的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。而將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于這些大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中后，能利用建模、模擬的方式展開設(shè)計(jì)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效減小設(shè)計(jì)偏差[5]。

3.6建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)作階段

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以直接塑造設(shè)計(jì)人員直接體驗(yàn)的建筑設(shè)計(jì)空間，甚至可以使設(shè)計(jì)人員靈活地對(duì)空間比例、環(huán)境等進(jìn)行感知，這對(duì)設(shè)計(jì)要素的利用、設(shè)計(jì)創(chuàng)造力的激發(fā)均具有重要作用。虛擬仿真技術(shù)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過虛擬環(huán)境模塊、數(shù)據(jù)模塊和設(shè)計(jì)分析三層結(jié)構(gòu)的相互作用，既可以結(jié)合建筑專業(yè)知識(shí)和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)，又可以對(duì)設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估；而虛擬仿真技術(shù)中的生態(tài)建筑模擬技術(shù)可以對(duì)建筑環(huán)境中的太陽輻射、采光照明、建筑通風(fēng)等方面進(jìn)行模擬分析，使建筑設(shè)計(jì)的整體效果更加符合現(xiàn)實(shí)需要，建筑設(shè)計(jì)環(huán)境的真實(shí)感更加強(qiáng)烈[6]。并針對(duì)設(shè)計(jì)的細(xì)部在三維空間中進(jìn)行針對(duì)性的推敲，切實(shí)感知建筑的灰空間、中性空間的合理性等，設(shè)計(jì)人員通過真人模型可以直接在設(shè)計(jì)空間中進(jìn)行擬人化的活動(dòng)，這對(duì)提升建筑空間的質(zhì)量、合理利用建筑室外空間環(huán)境、合理地設(shè)置建筑室內(nèi)的格局、感知建筑室內(nèi)的光照強(qiáng)度等均提供可能，使建筑室內(nèi)的熱工環(huán)境更加滿足人們對(duì)建筑舒適度的需要。

3.7建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)階段虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

基于BIM及VR新技術(shù)，通過先進(jìn)的硬件設(shè)備，讓工程管理從視覺到感官模式發(fā)生新的變化，將傳統(tǒng)的事后施工管理創(chuàng)新為事前施工模擬，直觀展現(xiàn)工程項(xiàng)目成果、優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，并對(duì)方案進(jìn)行實(shí)時(shí)的優(yōu)化調(diào)整，以及獲得實(shí)時(shí)的虛擬空間體驗(yàn)。在虛擬仿真技術(shù)中，設(shè)計(jì)人員不僅可以靜止的狀態(tài)對(duì)建筑進(jìn)行感知，還能夠以運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)體驗(yàn)建筑，建筑的造型、結(jié)構(gòu)、裝飾、環(huán)境等各方面均可以在虛擬仿真系統(tǒng)中統(tǒng)一呈現(xiàn)，這對(duì)提升建筑設(shè)計(jì)的說服力、感染力、真實(shí)性、全面性等具有積極作用。另外，在虛擬仿真技術(shù)中，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)建筑的安全性、可靠性等各方面加以驗(yàn)證，如建筑的防排煙控制可行性、建筑疏散線路設(shè)計(jì)科學(xué)性等?？梢?，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提升建筑設(shè)計(jì)的表現(xiàn)性效果明顯。在設(shè)計(jì)前設(shè)計(jì)人員可以利用Ecotect生態(tài)建筑設(shè)計(jì)軟件對(duì)建筑當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?、設(shè)計(jì)策略等展開分析，為建筑設(shè)計(jì)提供依據(jù)，然后利用VRP虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和Ecotect生態(tài)建筑設(shè)計(jì)軟件分別對(duì)建筑定性和定量分析設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)的結(jié)果直接綜合表現(xiàn)，業(yè)主即使對(duì)建筑設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)掌握有限，但其通過真實(shí)感強(qiáng)烈、體驗(yàn)性突出的虛擬仿真設(shè)計(jì)效果圖也可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的感知，這對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)人員與業(yè)主之間的溝通，提升設(shè)計(jì)施工的可操作性等方面意義突出。

4 ?結(jié)語

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用能夠優(yōu)化建筑工程質(zhì)量。在此過程中，相關(guān)人員需要提高重視，通過采取科學(xué)的方式對(duì)虛擬仿真技術(shù)深入分析，以此充分掌握此技術(shù)，并將其完美落實(shí)，從而促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，提高整體施工質(zhì)量。

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