開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-3335

基金項目：遼寧省職業(yè)技術(shù)教育學(xué)會科研規(guī)劃項目《虛擬仿真技術(shù)在高職院校土建類專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用》（項目編號：LZY22239）。

作者簡介：楊帆（1985—），女，碩士，副教授，研究方向為從事現(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)實仿真技術(shù)可以對建筑的施工展開仿真測試，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中沒有發(fā)生或存在的問題。將虛擬計算機仿真技術(shù)運用到施工中，由于計算機生成的環(huán)境是虛擬的，所以人們對施工環(huán)境、施工流程等的感知都是現(xiàn)實的，施工人員就能夠利用各種技術(shù)進行人與虛擬環(huán)境之間的互動，對虛擬環(huán)境實時應(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

中圖分類號：TU753

利用虛擬計算機仿真技術(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)境進行對施工實體的分析與管理，人與施工實體之間的互動，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，但對提高施工質(zhì)量和進度仍具有重要意義。

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)建和體驗虛擬環(huán)境的計算機系統(tǒng)，其中，虛擬環(huán)境由計算機生成，是現(xiàn)實世界的還原與構(gòu)想，體驗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)生更為真實的感受，在此虛擬的三維世界中，人們能實時感受實體對象的具體變化，通過目鏡等傳感設(shè)備的使用，體驗者與虛擬世界在三維界面上產(chǎn)生交互，給體驗者帶來新鮮的感受。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，某個位置的改變就會引起整個地方改變，這所帶來的益處并不單單是可以自動地減少低級錯誤，也減少設(shè)計方面的問題，最值得一提的是降低成本。對于任何在建筑方面的小修改，都能夠及時地體現(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)備人員能夠及時有效地接收到資訊，便于準確獲取更新版的模型，從而大大減少以往工程項目中各專業(yè)人員在溝通信息方面的阻礙；同時，也可以將數(shù)據(jù)信息直接報告給相關(guān)的建筑管理者，在工程建設(shè)過程中與項目中其他各專業(yè)人員密切聯(lián)系起來，以便于使工程總體在設(shè)計方案開工之初即實現(xiàn)有效溝通。

1.3 ?虛擬施工

由于計算機技術(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)的實際需要。這樣，計算機仿真技術(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)計錯、漏、碰、缺以及人工檢測，會耗費大量的代價。運用虛擬現(xiàn)實的仿真技術(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，并減少在施工階段可能出現(xiàn)的錯誤和在建造階段出現(xiàn)的返工現(xiàn)象。運用可視化3D模型進行工地交底，提升的不僅僅是工地品質(zhì)，還能提升項目的品質(zhì)。

1.5 ?其余方面

隨著大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)越來越深入地運用在很多領(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

建筑企業(yè)應(yīng)用新技術(shù)進行BIM管理和BIM成果展示符合行業(yè)趨勢發(fā)展需求，同時也可作為BIM/VR虛擬仿真技術(shù)的先鋒，增強整體實力，優(yōu)化工程管理流程，節(jié)約企業(yè)成本，實現(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虛擬仿真可以實現(xiàn)對BIM進度管理、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)計完成后，能在BIM/VR虛擬仿真施工整體建筑物特征，實際場景感受工程項目建成后的場景，并且能夠在VR中進行施工進度模擬、施工變更管理和查看、對已經(jīng)建成的建筑進行BIM運維。利用BIM/VR技術(shù)進行快速技能改造及真實場景模擬。項目管理人員可以利用BIM/VR虛擬技術(shù)實現(xiàn)工程細節(jié)管理過程，能夠在工程實際施工建設(shè)之前得到項目建設(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)方也實現(xiàn)在籌建階段通過真實場景模擬，對項目技術(shù)改造升級提出新要求的可能。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，讓體驗者擁有在工程中身臨其境的真實體驗，并且完全杜絕安全隱患，不出門即能實現(xiàn)對施工現(xiàn)場工程的管理，制訂有效的施工方案與優(yōu)化措施，對即將入場的工作人員進行三級安全教育，對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，在長時間發(fā)展的過程中，各個工程企業(yè)在參與土木建筑工程項目的過程中，越發(fā)重視施工組織設(shè)計方案，在項目中需要綜合各種因素，制訂最優(yōu)的施工組織設(shè)計方案。傳統(tǒng)的工作模式下，施工組織設(shè)計方案制訂時，一般是直接總結(jié)工程經(jīng)驗，在后續(xù)按照此方案開展施工作業(yè)時，經(jīng)常出現(xiàn)技術(shù)、安全等方面的問題。在技術(shù)不斷進步的今天，很多建筑呈現(xiàn)出形式個性化、結(jié)構(gòu)多樣化的特點，在施工組織設(shè)計方案的制訂上，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，開展量化分析與對比，選擇出最為科學(xué)的施工組織設(shè)計方案，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，試驗中的人力、物力消耗大，也需要很長時間才能得出結(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

土木建筑工程項目中，進度與質(zhì)量是施工過程中的重要部分，施工進度關(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)量和進度要求中，主要為人員組織方面，一般都是在出現(xiàn)進度或者質(zhì)量問題后，再針對性地處理。實際上，在當(dāng)前建筑行業(yè)發(fā)展中，為促進工程各方面目標的實現(xiàn)，針對進度與質(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，在項目實施之前通過工程模型的構(gòu)建，可在模型中整合信息，由模型自動制定進度、質(zhì)量控制的對策，即使在后續(xù)施工中出現(xiàn)進度或者質(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)，將實際數(shù)據(jù)與計劃數(shù)據(jù)加以對比，找出偏差，通過相應(yīng)方式改進和施工調(diào)整。

3.4安全防范

當(dāng)工程企業(yè)在項目實施中應(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)，可對現(xiàn)場的安全事故進行模擬，讓施工人員有更為直觀的感受，提前針對現(xiàn)場施工作業(yè)，制定安全防護措施、管理方案[4]。

3.5工程設(shè)計

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)計難度較大，如果依舊采用傳統(tǒng)的人工設(shè)計方式，設(shè)計方案確定時需進行很多的計算工作，工作量大且經(jīng)常出現(xiàn)計算錯誤，所得到的設(shè)計方案存在一定誤差，難以滿足工程的結(jié)構(gòu)標準。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)計中后，能利用建模、模擬的方式展開設(shè)計，由計算機自動完成結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效減小設(shè)計偏差[5]。

3.6建筑設(shè)計創(chuàng)作階段

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以直接塑造設(shè)計人員直接體驗的建筑設(shè)計空間，甚至可以使設(shè)計人員靈活地對空間比例、環(huán)境等進行感知，這對設(shè)計要素的利用、設(shè)計創(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)實技術(shù)通過虛擬環(huán)境模塊、數(shù)據(jù)模塊和設(shè)計分析三層結(jié)構(gòu)的相互作用，既可以結(jié)合建筑專業(yè)知識和數(shù)據(jù)實現(xiàn)建筑設(shè)計，又可以對設(shè)計的效果進行驗證和評估；而虛擬仿真技術(shù)中的生態(tài)建筑模擬技術(shù)可以對建筑環(huán)境中的太陽輻射、采光照明、建筑通風(fēng)等方面進行模擬分析，使建筑設(shè)計的整體效果更加符合現(xiàn)實需要，建筑設(shè)計環(huán)境的真實感更加強烈[6]。并針對設(shè)計的細部在三維空間中進行針對性的推敲，切實感知建筑的灰空間、中性空間的合理性等，設(shè)計人員通過真人模型可以直接在設(shè)計空間中進行擬人化的活動，這對提升建筑空間的質(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)境更加滿足人們對建筑舒適度的需要。

3.7建筑設(shè)計表現(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)工程項目成果、優(yōu)化方案設(shè)計，并對方案進行實時的優(yōu)化調(diào)整，以及獲得實時的虛擬空間體驗。在虛擬仿真技術(shù)中，設(shè)計人員不僅可以靜止的狀態(tài)對建筑進行感知，還能夠以運動的狀態(tài)體驗建筑，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)，這對提升建筑設(shè)計的說服力、感染力、真實性、全面性等具有積極作用。另外，在虛擬仿真技術(shù)中，設(shè)計人員可以對建筑的安全性、可靠性等各方面加以驗證，如建筑的防排煙控制可行性、建筑疏散線路設(shè)計科學(xué)性等?？梢?，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用對提升建筑設(shè)計的表現(xiàn)性效果明顯。在設(shè)計前設(shè)計人員可以利用Ecotect生態(tài)建筑設(shè)計軟件對建筑當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣鳌⒃O(shè)計策略等展開分析，為建筑設(shè)計提供依據(jù)，然后利用VRP虛擬現(xiàn)實技術(shù)和Ecotect生態(tài)建筑設(shè)計軟件分別對建筑定性和定量分析設(shè)計，將設(shè)計的結(jié)果直接綜合表現(xiàn)，業(yè)主即使對建筑設(shè)計的專業(yè)知識掌握有限，但其通過真實感強烈、體驗性突出的虛擬仿真設(shè)計效果圖也可以對設(shè)計進行系統(tǒng)的感知，這對優(yōu)化設(shè)計人員與業(yè)主之間的溝通，提升設(shè)計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，從而促進虛擬仿真技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，提高整體施工質(zhì)量。

參考文獻

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