建筑設(shè)備虛擬施工技術(shù)研究與應(yīng)用

（1重慶市建設(shè)崗位培訓(xùn)中心，重慶 400015；2重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015；3綦江區(qū)建筑工程檢測中心，重慶 401420）

0 引言

近年來我國建筑行業(yè)迅猛發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模不斷增加，新型的建筑結(jié)構(gòu)體系和個(gè)性化的標(biāo)志性建筑層出不窮，這必然給施工提出新的技術(shù)難題，促使施工手段和方法進(jìn)一步變革。面對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)施工，施工管理需要通過大量的計(jì)算分析加以論證及預(yù)測，此時(shí)經(jīng)驗(yàn)所起的作用無法有效解決問題，使得工作效率低下，更為嚴(yán)重的是可能對(duì)施工管理的合理性和施工安全性產(chǎn)生不利影響[1-2]。

“虛擬施工技術(shù)”融合了數(shù)字化技術(shù)、可視化技術(shù)及模擬技術(shù)，提供了一個(gè)虛擬平臺(tái)或環(huán)境，基于此平臺(tái)可對(duì)施工過程進(jìn)行模擬、分析與優(yōu)化，從而有效地優(yōu)化資源（包括人、材、機(jī)等）配置、降低成本、縮短工期、保障安全、減少風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合當(dāng)今建筑業(yè)新型復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其在施工技術(shù)、安全方面的發(fā)展現(xiàn)狀，基于BIM的虛擬施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為最終的施工管理提供穩(wěn)定的技術(shù)支持[3-5]。

1 虛擬施工技術(shù)與BIM技術(shù)基礎(chǔ)理論

1.1 虛擬施工概述

虛擬施工的主要思想就是在實(shí)際建造之前進(jìn)行虛擬建造，通過計(jì)算機(jī)模擬施工，得出可行的最優(yōu)化的施工方案，確保整個(gè)施工建造過程的可行性，安全性，以指導(dǎo)實(shí)際施工。當(dāng)前虛擬施工技術(shù)在解決復(fù)雜實(shí)際工程問題時(shí)的應(yīng)用相對(duì)較少，技術(shù)的實(shí)現(xiàn)形式通用性不強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)施工動(dòng)態(tài)過程的模型與力學(xué)仿真模型相互獨(dú)立，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。一般而言，在解決復(fù)雜施工問題時(shí)，運(yùn)用虛擬施工技術(shù)的表現(xiàn)形式有以下三方面。

（1）要有足夠的與施工有關(guān)的理論和技術(shù)，如施工力學(xué)、時(shí)變力學(xué)等理論和液壓整體提升技術(shù)等，形成系統(tǒng)的理論框架。

（2）建立參數(shù)化模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)施工過程的可視化，有效地實(shí)現(xiàn)技術(shù)交底，指導(dǎo)工人施工。

（3）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程模型與結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的對(duì)接，對(duì)結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行力學(xué)仿真，評(píng)估動(dòng)態(tài)施工模擬過程的安全性，出現(xiàn)問題時(shí)調(diào)整優(yōu)化施工方案。

虛擬施工技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：高集成性；數(shù)據(jù)全面；協(xié)作共享性。

1.2 BIM技術(shù)

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的簡稱，其概念最早是由Charles Eastman提出。以建筑工程的各項(xiàng)相關(guān)信息為基礎(chǔ)，通過數(shù)字信息仿真的方式模擬建筑物的真實(shí)信息，并通過三維模型進(jìn)行展示，實(shí)施工程管理、設(shè)備管理、運(yùn)行維護(hù)等功能。

1.3 BIM技術(shù)在項(xiàng)目設(shè)備施工中的應(yīng)用

工程中建筑設(shè)備專業(yè)系統(tǒng)十分復(fù)雜，在項(xiàng)目初期進(jìn)行BIM模型的搭建，在設(shè)備安裝初期完成模型的深化設(shè)計(jì)調(diào)整，在施工過程中直接指導(dǎo)施工。其主要優(yōu)點(diǎn)為：設(shè)計(jì)碰撞檢查，可節(jié)約成本，方便施工；利用BIM技術(shù)優(yōu)化管線排布，可以節(jié)省空間；節(jié)能環(huán)保。

2 建筑工程設(shè)備資源虛擬施工技術(shù)研究

2.1 虛擬施工核心技術(shù)

虛擬施工核心技術(shù)包括參數(shù)化建模技術(shù)、可視化技術(shù)、結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)和施工優(yōu)化技術(shù)。

2.1.1 參數(shù)化建模技術(shù)

虛擬施工技術(shù)是以參數(shù)化模型為基礎(chǔ)得以實(shí)現(xiàn)的。為了更好更精確地進(jìn)行虛擬施工模擬，要求模型具有高精確度、可操作性、便于讀取等特點(diǎn)。

2.1.2 可視化技術(shù)

可視化技術(shù)是將虛擬模型直觀進(jìn)行表達(dá)和展現(xiàn)。它是以計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)，通過信息數(shù)據(jù)梳理技術(shù)和計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)，將各種數(shù)據(jù)以不同的方式在屏幕上呈現(xiàn)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)信息交互的技術(shù)。

2.1.3 結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)

結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬，為參數(shù)化模型模仿與真實(shí)環(huán)境一樣的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

2.1.4 施工優(yōu)化技術(shù)

施工優(yōu)化技術(shù)通常是與仿真技術(shù)同時(shí)使用的，其目的是對(duì)仿真技術(shù)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化處理，達(dá)到虛擬施工的最終目的。

2.2 施工設(shè)備模擬的基本要素

欲在虛擬環(huán)境中對(duì)施工設(shè)備（如塔吊、吊車等）進(jìn)行可視化模擬，應(yīng)該首先考慮以下基本要素：設(shè)備 3D模型、設(shè)備空間定位和設(shè)備模擬機(jī)制。3D模型是設(shè)備模擬的基本元素 （主體），空間定位是設(shè)備模擬的空間支撐因素（位置），而模擬機(jī)制是實(shí)現(xiàn)設(shè)備模擬的基本手段和方法（操作）。

2.2.1 設(shè)備3D模型

設(shè)備3D模型是設(shè)備可視化模擬的基礎(chǔ)，與建筑物構(gòu)件的3D模型同等重要。設(shè)備構(gòu)件的3D建模與建筑物構(gòu)件3D建模一樣，只需構(gòu)建其空間關(guān)鍵點(diǎn)即可。目前，多數(shù)BIM應(yīng)用軟件可實(shí)現(xiàn)設(shè)備構(gòu)件的3D可視化，本研究將不再詳述。

2.2.2 設(shè)備空間定位

施工現(xiàn)場有多種機(jī)械設(shè)備，有些設(shè)備空間位置固定（如塔吊），有些設(shè)備位置不固定（如移動(dòng)吊車）。對(duì)于前者，在模擬過程中只需考慮其空間操作即可，而對(duì)于后者，還需考慮其空間定位問題，即位置移動(dòng)。空間操作問題將在設(shè)備模擬機(jī)制中進(jìn)行詳述，而空間定位問題將在施工過程模擬技術(shù)中進(jìn)行詳述，即采用“移動(dòng)”功能即可實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 設(shè)備模擬機(jī)制

設(shè)備模擬機(jī)制是指模擬施工設(shè)備的基本原理，即在施工過程模擬中，如何模擬設(shè)備的功能和操作時(shí)間等。設(shè)備模擬機(jī)制主要由兩部分組成：一是基于設(shè)備3D模型的構(gòu)件模擬配置（如構(gòu)件的自由度設(shè)置或?qū)傩栽O(shè)置），二是設(shè)備的空間操作機(jī)制（即如何操作設(shè)備）。

2.3 設(shè)備構(gòu)件模擬配置

2.3.1 約束設(shè)置

任何施工設(shè)備都有不同的構(gòu)件組成，這些構(gòu)件基于不同的約束或自由度組合在一起，即為設(shè)備主體。在操作時(shí)，設(shè)備主體將依據(jù)這些約束或自由度進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)轉(zhuǎn)。在虛擬環(huán)境下，欲實(shí)施設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，同樣需要設(shè)置其構(gòu)件的約束或自由度。設(shè)備構(gòu)件約束歸類為幾何約束，主要包括固定約束和連接約束。

2.3.2 屬性參數(shù)配置

屬性參數(shù)是設(shè)備模擬配置的另一重要內(nèi)容，即將設(shè)備的基礎(chǔ)參數(shù)集成于設(shè)備3D模型中。至少應(yīng)包括以下參數(shù)：設(shè)備出廠設(shè)定的相關(guān)參數(shù)或信息（如起重機(jī)的最大起重量、最大工作幅度等）和設(shè)備約束設(shè)置參數(shù)的限值設(shè)定（如起重機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的最大或最小值等）。前者可為設(shè)備模型使用者提供設(shè)備的基礎(chǔ)信息，以便選擇合適設(shè)備模型進(jìn)行模擬，同時(shí)可提供報(bào)警功能（如實(shí)際起重量超過了預(yù)設(shè)起重量）；后者則為使用者提供了設(shè)備模擬的預(yù)設(shè)范圍，以達(dá)到真實(shí)模擬的效果，同時(shí)也提供了模擬修改的空間，以增加模擬的適用性。

2.3.3 設(shè)備空間操作機(jī)制

在固定笛卡爾坐標(biāo)系XYZ中，用三位矢量函數(shù)p(t)表示施工設(shè)備的相對(duì)位置，用三位矢量函數(shù)o(t)表示相對(duì)于笛卡爾坐標(biāo)系的方向，其中t表示時(shí)間，可表示為：

其中，x(t)，y(t)，z(t)分別表示時(shí)刻 t時(shí)，施工設(shè)備（或構(gòu)件）在 XYZ坐標(biāo)系中的位置；ox(t)、oy(t)、oz(t)分別表示時(shí)刻 t時(shí)，施工設(shè)備（或構(gòu)件）繞 X、Y、Z坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度。

為了方便，本研究定義一個(gè)矢量函數(shù) a(t)來代表施工設(shè)備（或構(gòu)件）的方向和位置，表示為：

當(dāng)施工設(shè)備或其構(gòu)件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)質(zhì)上是其位置隨時(shí)間t變化的顯示。由時(shí)刻t1至?xí)r刻t2，施工設(shè)備（或構(gòu)件）的方向和位置則由 a(t1)變化到a(t2)。而這一過程通常需要多次變換才可實(shí)現(xiàn)，主要有兩類變換：旋轉(zhuǎn)變換和平移變換。此兩類變換分別采用旋轉(zhuǎn)變換矩陣R3x3和平移變換矩陣R3x1來實(shí)現(xiàn)。R3x3由旋轉(zhuǎn)的角度決定，而 R3x1由移動(dòng)的距離決定。由此，矢量 p(t2)可由矢量 p(t1)及變換矩陣 T表示為：

其中，k表示由時(shí)刻t1至?xí)r刻t2需k次變換；

T表示變換矩陣，定義為：

通過此函數(shù)定義，設(shè)備（或構(gòu)件）的實(shí)時(shí)位置可以確定。至此，施工設(shè)備或其任何部件在模擬過程中可進(jìn)行相應(yīng)操作模擬。

3 建筑工程設(shè)備資源虛擬施工技術(shù)應(yīng)用

基于BIM的虛擬施工設(shè)備資源的操作流程主要分為以下幾個(gè)部分：收集設(shè)備信息、了解施工現(xiàn)場、建立塔吊模型、設(shè)置現(xiàn)場模型、模型整合、動(dòng)態(tài)設(shè)置、虛擬施工、設(shè)備調(diào)整。

（1）收集設(shè)備信息。收集施工所需要的設(shè)備信息模型，例如塔吊型號(hào)，塔吊各部件大小、高度、臂長等信息，為建立模型做準(zhǔn)備。在制作模型時(shí)，盡可能地反應(yīng)出設(shè)備的特點(diǎn)屬性。

（2）了解施工現(xiàn)場。了解施工現(xiàn)場布置情況，各區(qū)域分布情況，設(shè)備的運(yùn)作方式，施工的具體實(shí)施方案，如塔吊的數(shù)量、位置、運(yùn)行方式等特點(diǎn)，為施工模擬做準(zhǔn)備，盡可能還原真實(shí)的、實(shí)際的施工現(xiàn)場。

（3）建立塔吊模型。以固定式上回轉(zhuǎn)式塔吊為例，利用BIM模型制作軟件Revit進(jìn)行制作。用Revit進(jìn)行建模，其建模過程相對(duì)簡單。在Revit的使用中，可以用到族功能。

（4）設(shè)置現(xiàn)場模型。根據(jù)前期收集的施工現(xiàn)場信息，利用Revit的三維建模，建立施工場地模型，并導(dǎo)出vrt格式文件。

（5）模型整合。利用NavisWorks的不能建模，但是能兼容幾乎所有的主流的三維設(shè)計(jì)軟件模型文件格式這一特點(diǎn)，將上述塔吊模型的nwc文件和場地模型的vrt文件導(dǎo)入，經(jīng)過整合，得到塔吊-施工場地一體模型。

（6）動(dòng)態(tài)設(shè)置。在Navisworks中，首先建立各種選擇集，如吊臂、木方（作為重物）、鉤。通過捕捉關(guān)鍵幀按鈕將不同時(shí)間點(diǎn)下物體的位置進(jìn)行記錄，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果。動(dòng)畫流程為，群塔擺臂——碰撞沖突檢查——群塔沖突避讓——降落重物。

（7）施工模擬。將設(shè)置完成的動(dòng)畫效果進(jìn)行輸出，得到施工模擬動(dòng)畫，在動(dòng)畫中可以得到三個(gè)塔吊進(jìn)行群塔擺臂、碰撞沖突檢查、群塔沖突避讓、降落重物等流程。

4 結(jié)語

我國建筑行業(yè)飛速發(fā)展，同時(shí)工程項(xiàng)目也越來越復(fù)雜，通過建筑工程設(shè)備資源施工虛擬管理技術(shù)的研究與應(yīng)用，可以有效地對(duì)現(xiàn)場設(shè)備資源進(jìn)行科學(xué)管理，大大降低成本，節(jié)省資源。

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