虛擬施工建筑技術建筑師論文

　　我國建筑業發展迅速，技術進步飛快，這篇建筑與建筑師論文介紹了建筑業虛擬施工技術，通過虛擬施工技術的應用，施工時間和成本可以有效地降低。但是，虛擬施工技術的應用不僅僅局限于設計和施工兩個階段，其適用于建筑項目的整個生命周期，包括規劃和物業管理等。隨著研究和應用深入，虛擬施工技術可以產生更大效用，從而真正提高整個建筑業的生產力水平。

　　《建筑技術》1970年創刊于北京，是中國出版時間早、知名度高、發行量大、覆蓋面廣的專業科技期刊之一，其內容代表了中國建筑科技發展的先進水平。自1990年以來，《建筑技術》榮獲歷屆北京市優秀期刊稱號，連續榮獲華北地區“十佳”期刊稱號。在中宣部、國家科技部和國家新聞出版總署聯合主持的全國優秀期刊評比中，《建筑技術》獲得全國優秀科技期刊一等獎和首屆國家期刊獎，同時，被授予中國期刊“雙高”(高學術水平、高知名度)榮譽稱號，是中國建筑科學類的重要核心期刊和中國科技論文統計源期刊。

　　隨著中國城市化進程的深入與加快，建筑業面臨著前所未有的發展機遇。近年來，建筑業總產值一直保持快速增長，在未來相當長的一段時間內，這種趨勢還將延續。然而，全球建筑業生產力水平逐年下降。根據美國勞動統計局的統計數據，美國建筑業生產力指數呈下降趨勢，特別是最近10年來，下降幅度較大;而制造業的生產力水平則呈上升趨勢。中國建筑業也不例外，生產力水平較低，并遠遠落后于制造業。究其原因，除了建筑材料、人力、機械成本的上漲之外，另一個主要原因是設計、施工的返工成本(或不可預見成本)和管理成本上漲。在建設項目日益復雜化的情況下，設計和施工的問題也不斷出現，隨之而來的設計和施工返工率越來越高，這就大大提高了返工成本(約占總建造成本的12-22%，同時，為了解決設計和施工過程中出現的問題，不得不擴大管理隊伍，這就造成管理層極度臃腫、管理成本的提高(約占總建造成本的13-30%)。而制造業的返工成本和管理成本則少之又少，面對龐大的中國建筑市場，低的生產力水平意味著資源的極大浪費。因此，如何提高建筑業的生產力水平，是一個迫在眉睫的問題。本文從解決返工成本和管理成本這兩個關鍵問題出發，參考制造業的生產管理經驗，將虛擬模型技術機理引入建筑施工項目管理，即“虛擬施工技術”，以期望為提升建筑業的生產力水平提供一個有效的途徑。

　　1虛擬施工技術

　　虛擬模型技術(Virtual Prototyping，即VP)是一種在虛擬環境中建模、模擬、分析產品設計與生產過程的數字化、可視化技術，其在制造業中得到了較好的應用，如飛機、汽車制造等，但在建筑業中的應用才剛剛起步，盡管如此，其已初步顯示出強有力的作用，虛擬施工技術(Construccion VP，即CVP)就是基于虛擬模型技術而提出的用于建筑項目設計與施工過程模擬與分析的數字化、可視化技術，其擴展了4D( 3D+時間)技術，即不僅考慮了時間維，還考慮了其他維數，如材料、機械、人力、空間、安全等，因此可稱之為“ND”技術。當前，建筑領域的可視化研究與應用主要集中在三維( 3D)建模技術或BIM( Building Information Modelling)技術、4D技術。BIM技術主要集成了建筑項目本身的相關信息，屬于靜態信息，主要用于項目設計分析;4D技術則基于3D模型，引入時間因素，進行施工進度的可視化展示，但沒有考慮資源等關鍵因素。虛擬施工技術的研究則將可視化技術在建筑項目中的應用提高到一個新的水平。

　　虛擬施工技術的主導思想是“先試后建”，即基于一個虛擬平臺，在真實工程開工之前，對建筑項目的設計方案進行檢測分析，對項目施工方案進行模擬、分析與優化，以便提前發現問題、解決問題，直至獲得最佳的設計和施工方案，從而指導真實的施工。這一理念的實施，將大大降低返工成本和管理成本。目前，國內外對虛擬施工技術的研究仍處于初期階段，香港理工大學建筑虛擬模型實驗室則是這方面研究的先驅者，其技術水平一直處于世界領先地位。下文將基于該實驗室開發的相關技術，對虛擬施工技術的“先試后建”理念進行詳細剖析。

　　2虛擬施工技術的作用

　　“先試后建”是虛擬施工技術實施的指導思想，也是虛擬施工技術作用的集中體現，其可對建筑工程中的任何需要進行檢測、模擬和分析。下面針對建筑項目的不同階段，對虛擬施工技術的作用進行分析，即優化建筑項目設計、優化施工過程、優化施工管理活動等。

　　2.1優化建筑項目設計

　　完善的設計方案是建筑項目順利實施的前提和保證。建筑項目設計由建筑設計、結構設計、建筑設備設計等組成。通常，這三方面由多個設計方完成。在施工過程中，這些設計將轉變為集成在一起的建筑構件，結果碰撞或沖突時常出現，如建筑設備與結構之間的沖突等。這不僅會增加設計、施工返工成本，浪費資源，還會影響施工的進度。這也是建筑工程經常出現工期延遲的主要原因之一。另外，設計的不可施工性是項目設計的另一個主要問題。特別是對于復雜的建筑項目，經常出現設計的可施工性不強或不可行等問題。這同樣增加返工量，影響施工進度。究其主要原因，就是缺乏一個有效的協同工作及檢測平臺，即設計方、施工方在設計階段不能有效地溝通與協作，同時在二維( 2D)環境下不能對設計方案進行檢測與分析。虛擬施工技術為此提供了一個有效的平臺，用于設計沖突、可施工性的檢測，及多方溝通。

　　采用虛擬施工技術優化設計，首先要建立相關3D模型，包括建筑、結構及建筑設備等。給出了某建筑項目的3D設計模型。基于建立的3D模型，可進行設計檢測、協同修改。設計檢測可根據需要設定相關參數，確定檢測范圍，從而檢測設計沖突問題、可施工性問題。基于上述3D模型進行檢測時發現的其中一例沖突，即設備管線之間的碰撞。檢測到設計問題后，相關各方基于此虛擬平臺和3D模型可及時進行分析與溝通，從而及時、有效地解決問題。設計檢測在設計之初已經開始，是一個“設計一檢測一設計”的循環過程，直至在施工之前解決所有設計問題，盡而消除返工成本、減少施工時間。盡管檢測跟蹤時間較長，但檢測、修改過程可以自動化操作，因此設計優化過程非常方便。，同時，可行的設計方案是施工過程優化的前提，否則施工優化無從談起。

　　2.2優化施工過程

　　施工過程的順利實施是在有效的施工方案指導下進行的。當前，施工方案的編制主要基于項目經理及項目組的經驗來實施。然而，面對越來越龐大且復雜的建筑工程項目，僅憑項目經理的經驗來編制施工方案已顯得力不從心。施工方案的可行性一直受到業界的關注.，同時，由于建筑項目的單一性和不可重復性，施工方案同樣具有不可重復性，即不可能如制造業那樣，同一生產方案可用于某產品的批量生產。通常是，當某個工程即將結束時，一套完善的施工方案才展現于面前，結果為時已晚。施工進度拖延、安全問題頻頻出現、返工率高、建造成本超支等已成為現有建筑工程項目的通病。因此，在施工開始之前，找出完善的施工方案是十分必要的、重要的.，在虛擬施工技術出現之前，這～問題幾乎找不到有效的解決方案。虛擬施工技術不僅可以測試和比較不同的施工方案，還可以優化施工方案。

　　基于上述建立的3D模型，采用虛擬施工技術可模擬和分析相關施工方案。簡要展示了一個非典型柱體安裝方案的模擬過程。整個模擬過程包括了施工程序、設備調用、資源(包括建筑材料及人員等)配置等。通過模擬，可發現不合理的施工程序、設備調用程度與沖突、資源的不合理利用、安全隱患(如碰撞等)、作業空間不充足等問題，也可以及時更新施工方案，以解決相關問題。施工過程優化也是一個重復的過程，即“初步方案一模擬一更新方案”，直至在真實施工之前找到一個最佳的施工方案，盡最大可能實現“零碰撞、零沖突、零返工”。從而大大降低返工成本，減少資源浪費與沖突及安全問題。同時，虛擬施工技術也為總承建商、分承建商、設計單位及業主提供了一個溝通與協作平臺，幫助各方及時、快捷地解決各種問題，從而大大提高了工作效率，節省了大量的時間。

　　2.3優化施工管理活動

　　為了解決施工過程中的相關問題，特別是復雜的項目工程，需要配備大量的管理人員，這大大增加了管理成本。通過上述施工過程的優化，除了在施工開始之前建立一個完善的施工方案外，虛擬施工技術還可以清晰地展示整個施工過程。此模擬過程提供了一個栩栩如生的“施工操作說明書”(如圖3所示)，可為分包商或工人進行開工前的培訓，或為工人實際操作提供參考，從而減少實際操作失誤。由于減少了實際施工中的問題，管理活動也得到簡化，項目對管理人員的需求自然減少，或合并相關職位、或減少相關職位，盡而管理成本將大大降低。

　　3虛擬施工技術的應用成效

　　虛擬施工技術的研究與應用是一個較為前沿的課題，在中國內地的研究與應用較少，相對而言，在國外及香港等地應用較多。目前，虛擬施工技術已應用于香港等地多個建筑工程項目，包括住宅、酒店、辦公樓、商用樓、體育場、橋梁等大型復雜工程。基于對部分項目的調查分析，本文初步總結了虛擬施工技術的成效，主要分析了其對項目工期與成本的影響。可以看出，虛擬施工技術對建筑工程項目的執行有著顯著的影響，可以有效地降低成本與工期。這在某種程度上將提高建筑企業的競爭力水平，同時也將提高建筑業的生產力水平。

　　4虛擬施工技術的引入與建議

　　盡管虛擬施工技術已應用于多個建筑工程項目，并取得了較好的效果，但建筑業界對其認知還不足夠，特別是如何引入該技術是建筑業界比較關心的問題。基于對多個應用項目經驗的總結，本文給出以下幾方面的建議，供業界參考。

　　4.1引入方式一與虛擬施工技術咨詢單位合作

　　虛擬施工技術是高新技術在建筑業中的應用，這關系到建筑項目管理知識與信息技術知識的融合。當前，由于建筑業界對虛擬施工技術缺乏一定的了解，開發商或承建商欲引入此技術，則需要與經驗豐富的虛擬施工技術咨詢單位密切合作。有經驗的咨詢單位，通常擁有復合型的人才，其既掌握建筑管理知識，也掌握計算機及信息技術知識，同時擁有豐富的虛擬施工技術實踐經驗。與其合作，一方面，向咨詢單位充分了解虛擬施工技術的相關知識及作用，及對本公司項目的適用性;另一方面，邀請咨詢單位為本公司員工，特別是項目經理、結構工程師、建筑師、設備工程師等，進行虛擬施工技術知識的培訓，進而為引入虛擬施工技術做好準備。同時挑選一兩個建筑項目，在咨詢單位的介入下進行虛擬施工技術試用與評價。在此過程中，公司可以加強虛擬施工技術人才的培養，盡而將其推廣至多個建筑項目。另外，在條件成熟時，根據本公司的需要，也可組建自己的虛擬施工技術團隊。

　　42引入最佳時機一建筑項目早期

　　根據作者多年的虛擬施工技術研究與應用經驗，表明虛擬施工技術引入的時間越早，就越有利于其功能的發揮，效用也越大。設計是施工的前提，只有擁有良好的設計方案，施工才能順利進行。因此，虛擬施工技術的引入至少從設計階段開始，以便及早發現設計問題、解決問題。這也加快了設計方案的完善過程，節約時間。只有在這樣的前提下，虛擬施工技術才能對施工過程進行最有效地模擬與優化。否則，不僅會降低虛擬施工技術的應用效率，也會浪費大量的時間和成本來彌補設計的不足。

　　4.3引入項目類型一大型或復雜項目

　　就虛擬施工技術本身而言，其適用于任何類型、任何規模的建筑項目;而就其效益而言，規模越大、越復雜的工程項目，采用虛擬施工技術的效益也越大、越明顯.這是因為大型復雜工程項目，無論在設計方面、還是在施工方面，都存在著較大挑戰，如設計復雜、施工程序復雜、資源調配復雜等，僅依靠經驗或2D圖紙很難發現或解決其中存在的問題，而虛擬施工技術提供的可視化平臺，則可以較好地解決這些問題。相對來說，常規的建筑項目，設計和施工已趨向“標準化”，對虛擬施工技術的需求較小。因此，考慮到效益問題，本文建議在引入虛擬施工技術時，首選大型復雜工程項目或特殊工程項目。

　　4.4引入的成敗關鍵一領導牽頭

　　建筑業是一個傳統的行業，盡管近年來信息技術發展迅速，但是其對建筑業的影響遠遠不及制造業。目前，建筑業大部分的作業方式已經趨向“定向化”。例如建筑設計、施工規劃一直采用2D圖紙，對3D操作方式有較強的抵觸性，而制造業基本上都采用了3D方式作業。同時：由于項目人員對虛擬施工技術缺乏認識，認為引入虛擬施工技術只是為了宣傳或市場推廣，并增加了其工作量，故不給予足夠重視或合作。因此，將虛擬施工技術引入建筑業，意味著多方面的變革，如思維方式、合作方式、設計手段、施工指導方式等都需要改變。這些是虛擬施工技術咨詢單位不能完全解決的問題，也是直接影響虛擬施工技術應用成敗的關鍵問題，這就需要開發商或承建商的高層領導給予強力的支持，特別是在初期，要強行推進，及時總結成效，加大培訓力度。在虛擬施工技術實施的過程中，逐步讓項目人員看到虛擬施工技術的效用，改變其一貫的作業方式，最后轉“被動”為“主動”。只有這樣，才能成功地引入虛擬施工技術。需要說明的是，當前建筑業的很多習慣難以一次性改變，如2D設計方式，在這種情況下，需要虛擬施工技術咨詢單位基于其豐富的經驗，針對每個項目找到一個“切入點”，在不改變一些傳統習慣的前提下，幫助企業引入虛擬施工技術。

　　5結束語

　　近年來，由于建筑業存在的問題越來越突出，虛擬施工技術已引起了建筑業界及學術界人士的關注。特別是中國建筑業正處在高速發展階段，國家對建筑業信息化的問題十分關注。盡管虛擬施工技術的應用還不廣泛，但其潛力和效用已初步顯示，特別是在設計優化、施工過程優化和施工管理優化等方面，已得到了驗證。

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