虛擬仿真技術在土木工程中的應用

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

基金項目：遼寧省職業技術教育學會科研規劃項目《虛擬仿真技術在高職院校土建類專業實訓教學中的應用》（項目編號：LZY22239）。

作者簡介：楊帆（1985—），女，碩士，副教授，研究方向為從事現代混凝土外加劑及摻合料、工業廢渣高性能水泥基復合材料、新型建筑材料等方面的教學和科研工作。

摘 ?要：土木工程中使用虛擬現實仿真技術可以對建筑的施工展開仿真測試，及時發現施工過程中沒有發生或存在的問題。將虛擬計算機仿真技術運用到施工中，由于計算機生成的環境是虛擬的，所以人們對施工環境、施工流程等的感知都是現實的，施工人員就能夠利用各種技術進行人與虛擬環境之間的互動，對虛擬環境實時應答。因此，根據虛擬仿真技術在土木工程中的應用予以分析。

關鍵詞：虛擬仿真技術 ?土木工程 ?施工質量??建筑設計

中圖分類號：TU753

利用虛擬計算機仿真技術構成施工體系的整體虛擬環境，人們通過利用虛擬環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，可以完全適應土木建筑施工、仿真技術的發展需要。虛擬仿真技術可以有效提高施工的整體質量。從選擇最優或優化的施工方案入手，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濟性、科技性。虛擬仿真技術雖然不能直接有效地模擬人的感知，但對提高施工質量和進度仍具有重要意義。

1 ?虛擬仿真技術在土木工程中的應用意義

虛擬仿真的突出特點就是可視化，其內容能以更為直觀的方式呈現，本質上為可創建和體驗虛擬環境的計算機系統，其中，虛擬環境由計算機生成，是現實世界的還原與構想，體驗者通過各種傳感方式，能夠與虛擬環境產生交互。因此，虛擬仿真技術下所創建的虛擬環境，通過對三維世界的虛擬，能夠讓人們在此環境內產生更為真實的感受，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，通過目鏡等傳感設備的使用，體驗者與虛擬世界在三維界面上產生交互，給體驗者帶來新鮮的感受。而其虛擬仿真技術在土木工程施工中具有以下意義。

1.1 設計優化

虛擬建筑仿真技術的基礎是一種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，都能夠及時地體現到另一端相關軟件中，從而減少重復性工作，消耗精力的損失。

1.2 ?溝通效能高

借助虛擬電腦仿真技術的應用，工程建設者還可以設立模型端口，使工程設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人員在溝通信息方面的阻礙；同時，也可以將數據信息直接報告給相關的建筑管理者，在工程建設過程中與項目中其他各專業人員密切聯系起來，以便于使工程總體在設計方案開工之初即實現有效溝通。

1.3 ?虛擬施工

由于計算機技術在建筑中的引入，各類建筑百般出現問題，給建設施工方造成巨大挑戰，但過去的施工技術也早已無法適應當今建設的實際需要。這樣，計算機仿真技術在建設工程中就得到應用[1]。

1.4 ?碰撞檢查

傳統2D模型由于產品設計錯、漏、碰、缺以及人工檢測，會耗費大量的代價。運用虛擬現實的仿真技術創建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系沖突，大大改善設計，并減少在施工階段可能出現的錯誤和在建造階段出現的返工現象。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，還能提升項目的品質。

1.5 ?其余方面

隨著大數據時代的發展，將虛擬現實技術越來越深入地運用在很多領域當中，如建筑行業當中，城市的整體規劃也越發合理。

2 ?虛擬仿真技術特點

建筑企業應用新技術進行BIM管理和BIM成果展示符合行業趨勢發展需求，同時也可作為BIM/VR虛擬仿真技術的先鋒，增強整體實力，優化工程管理流程，節約企業成本，實現信息化工程管理的目的。采取BIM/VR技術作為工程管理及BIM成果展示的成本更低。BIM/VR虛擬仿真可以實現對BIM進度管理、BIM成本管理、BIM安全管理等綜合應用，在建筑信息模型設計完成后，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、對已經建成的建筑進行BIM運維。利用BIM/VR技術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虛擬技術實現工程細節管理過程，能夠在工程實際施工建設之前得到項目建設方想要的和不想要的內容，這意味著最大限度地減少工程施工方案變更，節約工程管理成本。建設方也實現在籌建階段通過真實場景模擬，對項目技術改造升級提出新要求的可能。虛擬仿真技術與BIM建筑信息模型技術的高效融合，實現技術與技術之間的互通，打通建筑工程與虛擬仿真技術應用之間的壁壘，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，不出門即能實現對施工現場工程的管理，制訂有效的施工方案與優化措施，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 ?虛擬仿真技術在土木工程中的應用

3.1 ?施工組織設計方案的優選

建筑行業在我國有著較長的發展周期，在長時間發展的過程中，各個工程企業在參與土木建筑工程項目的過程中，越發重視施工組織設計方案，在項目中需要綜合各種因素，制訂最優的施工組織設計方案。傳統的工作模式下，施工組織設計方案制訂時，一般是直接總結工程經驗，在后續按照此方案開展施工作業時，經常出現技術、安全等方面的問題。在技術不斷進步的今天，很多建筑呈現出形式個性化、結構多樣化的特點，在施工組織設計方案的制訂上，必須通過虛擬仿真技術的使用，直觀展示不同作業方法、施工方案、技術組織措施的效果，開展量化分析與對比，選擇出最為科學的施工組織設計方案，指導后續施工作業。

3.2 ?土木建筑施工新技術、新工藝研發

建筑行業在長時間發展的過程中，很多專業人員在材料、工藝等方面開展一系列的創新工作，陸續出現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，有助于新技術與新工藝的研發。在傳統的工藝與材料研發中，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論。而虛擬仿真技術的模擬特性，可在很短的時間內得到結論，極大程度上節約成本[3]。

3.3 ?施工質量控制

土木建筑工程項目中，進度與質量是施工過程中的重要部分，施工進度關乎工程的效益，而質量控制關乎工程的安全、功能；在原先的工程質量和進度要求中，主要為人員組織方面，一般都是在出現進度或者質量問題后，再針對性地處理。實際上，在當前建筑行業發展中，為促進工程各方面目標的實現，針對進度與質量控制，應開展全過程的工作，虛擬仿真技術的應用，有助于全過程的推行，在項目實施之前通過工程模型的構建，可在模型中整合信息，由模型自動制定進度、質量控制的對策，即使在后續施工中出現進度或者質量方面的問題，可直接從模型中調取有關的數據，將實際數據與計劃數據加以對比，找出偏差，通過相應方式改進和施工調整。

3.4安全防范

當工程企業在項目實施中應用虛擬仿真技術后，可在正式的施工作業之前，根據對工程信息的掌握，在所構建的工程模型中直觀展示現場可能出現的安全隱患，而虛擬模型中的安全虛擬子系統，可對現場的安全事故進行模擬，讓施工人員有更為直觀的感受，提前針對現場施工作業，制定安全防護措施、管理方案[4]。

3.5工程設計

在當前工程市場中，出現很多結構復雜的建筑物，這些復雜的建筑物中，前期的設計難度較大，如果依舊采用傳統的人工設計方式，設計方案確定時需進行很多的計算工作，工作量大且經常出現計算錯誤，所得到的設計方案存在一定誤差，難以滿足工程的結構標準。而將虛擬仿真技術應用于這些大型、復雜結構的設計中后，能利用建模、模擬的方式展開設計，由計算機自動完成結構設計，可有效減小設計偏差[5]。

3.6建筑設計創作階段

虛擬仿真技術的應用可以直接塑造設計人員直接體驗的建筑設計空間，甚至可以使設計人員靈活地對空間比例、環境等進行感知，這對設計要素的利用、設計創造力的激發均具有重要作用。虛擬仿真技術中的虛擬現實技術通過虛擬環境模塊、數據模塊和設計分析三層結構的相互作用，既可以結合建筑專業知識和數據實現建筑設計，又可以對設計的效果進行驗證和評估；而虛擬仿真技術中的生態建筑模擬技術可以對建筑環境中的太陽輻射、采光照明、建筑通風等方面進行模擬分析，使建筑設計的整體效果更加符合現實需要，建筑設計環境的真實感更加強烈[6]。并針對設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，設計人員通過真人模型可以直接在設計空間中進行擬人化的活動，這對提升建筑空間的質量、合理利用建筑室外空間環境、合理地設置建筑室內的格局、感知建筑室內的光照強度等均提供可能，使建筑室內的熱工環境更加滿足人們對建筑舒適度的需要。

3.7建筑設計表現階段虛擬仿真技術的應用

基于BIM及VR新技術，通過先進的硬件設備，讓工程管理從視覺到感官模式發生新的變化，將傳統的事后施工管理創新為事前施工模擬，直觀展現工程項目成果、優化方案設計，并對方案進行實時的優化調整，以及獲得實時的虛擬空間體驗。在虛擬仿真技術中，設計人員不僅可以靜止的狀態對建筑進行感知，還能夠以運動的狀態體驗建筑，建筑的造型、結構、裝飾、環境等各方面均可以在虛擬仿真系統中統一呈現，這對提升建筑設計的說服力、感染力、真實性、全面性等具有積極作用。另外，在虛擬仿真技術中，設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、建筑疏散線路設計科學性等。可見，虛擬仿真技術的應用對提升建筑設計的表現性效果明顯。在設計前設計人員可以利用Ecotect生態建筑設計軟件對建筑當地的氣候特征、設計策略等展開分析，為建筑設計提供依據，然后利用VRP虛擬現實技術和Ecotect生態建筑設計軟件分別對建筑定性和定量分析設計，將設計的結果直接綜合表現，業主即使對建筑設計的專業知識掌握有限，但其通過真實感強烈、體驗性突出的虛擬仿真設計效果圖也可以對設計進行系統的感知，這對優化設計人員與業主之間的溝通，提升設計施工的可操作性等方面意義突出。

4 ?結語

綜上所述，虛擬仿真技術在土木工程中的應用能夠優化建筑工程質量。在此過程中，相關人員需要提高重視，通過采取科學的方式對虛擬仿真技術深入分析，以此充分掌握此技術，并將其完美落實，從而促進虛擬仿真技術在土木工程中的應用，提高整體施工質量。

參考文獻

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[4]張雷，王勝，楊希，等.現代建筑工程施工管理的創新舉措研究[J].工業建筑，2023，53（S2）：844-846.

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[6]劉寧，楊艷敏，徐麗娜.虛擬仿真技術在土木工程結構實驗中的應用[J].科技視界，2022（28）：162-164.