本文摘要：我國建筑業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)進步飛快，這篇 建筑與建筑師論文 介紹了建筑業(yè)虛擬施工技術(shù)，通過虛擬施工技術(shù)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(shù)的應用不僅僅局限于設(shè)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(guī)劃和物業(yè)
我國建筑業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)進步飛快，這篇建筑與建筑師論文介紹了建筑業(yè)虛擬施工技術(shù)，通過虛擬施工技術(shù)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(shù)的應用不僅僅局限于設(shè)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(guī)劃和物業(yè)管理等。隨著研究和應用深入，虛擬施工技術(shù)可以產(chǎn)生更大效用，從而真正提高整個建筑業(yè)的生產(chǎn)力水平。
《建筑技術(shù)》1970年創(chuàng)刊于北京，是中國出版時間早、知名度高、發(fā)行量大、覆蓋面廣的專業(yè)科技期刊之一，其內(nèi)容代表了中國建筑科技發(fā)展的先進水平。自1990年以來，《建筑技術(shù)》榮獲歷屆北京市優(yōu)秀期刊稱號，連續(xù)榮獲華北地區(qū)“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(lián)合主持的全國優(yōu)秀期刊評比中，《建筑技術(shù)》獲得全國優(yōu)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(shù)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(tǒng)計源期刊。
隨著中國城市化進程的深入與加快，建筑業(yè)面臨著前所未有的發(fā)展機遇。近年來，建筑業(yè)總產(chǎn)值一直保持快速增長，在未來相當長的一段時間內(nèi)，這種趨勢還將延續(xù)。然而，全球建筑業(yè)生產(chǎn)力水平逐年下降。根據(jù)美國勞動統(tǒng)計局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國建筑業(yè)生產(chǎn)力指數(shù)呈下降趨勢，特別是最近10年來，下降幅度較大;而制造業(yè)的生產(chǎn)力水平則呈上升趨勢。中國建筑業(yè)也不例外，生產(chǎn)力水平較低，并遠遠落后于制造業(yè)。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(shè)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(shè)項目日益復雜化的情況下，設(shè)計和施工的問題也不斷出現(xiàn)，隨之而來的設(shè)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(shè)計和施工過程中出現(xiàn)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(yè)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(chǎn)力水平意味著資源的極大浪費。因此，如何提高建筑業(yè)的生產(chǎn)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(guān)鍵問題出發(fā)，參考制造業(yè)的生產(chǎn)管理經(jīng)驗，將虛擬模型技術(shù)機理引入建筑施工項目管理，即“虛擬施工技術(shù)”，以期望為提升建筑業(yè)的生產(chǎn)力水平提供一個有效的途徑。
1虛擬施工技術(shù)
虛擬模型技術(shù)(Virtual Prototyping，即VP)是一種在虛擬環(huán)境中建模、模擬、分析產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)過程的數(shù)字化、可視化技術(shù)，其在制造業(yè)中得到了較好的應用，如飛機、汽車制造等，但在建筑業(yè)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(shù)(Construccion VP，即CVP)就是基于虛擬模型技術(shù)而提出的用于建筑項目設(shè)計與施工過程模擬與分析的數(shù)字化、可視化技術(shù)，其擴展了4D( 3D+時間)技術(shù)，即不僅考慮了時間維，還考慮了其他維數(shù)，如材料、機械、人力、空間、安全等，因此可稱之為“ND”技術(shù)。當前，建筑領(lǐng)域的可視化研究與應用主要集中在三維( 3D)建模技術(shù)或BIM( Building Information Modelling)技術(shù)、4D技術(shù)。BIM技術(shù)主要集成了建筑項目本身的相關(guān)信息，屬于靜態(tài)信息，主要用于項目設(shè)計分析;4D技術(shù)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(guān)鍵因素。虛擬施工技術(shù)的研究則將可視化技術(shù)在建筑項目中的應用提高到一個新的水平。
虛擬施工技術(shù)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(shè)計方案進行檢測分析，對項目施工方案進行模擬、分析與優(yōu)化，以便提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，直至獲得最佳的設(shè)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(nèi)外對虛擬施工技術(shù)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(qū)者，其技術(shù)水平一直處于世界領(lǐng)先地位。下文將基于該實驗室開發(fā)的相關(guān)技術(shù)，對虛擬施工技術(shù)的“先試后建”理念進行詳細剖析。
2虛擬施工技術(shù)的作用
“先試后建”是虛擬施工技術(shù)實施的指導思想，也是虛擬施工技術(shù)作用的集中體現(xiàn)，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(shù)的作用進行分析，即優(yōu)化建筑項目設(shè)計、優(yōu)化施工過程、優(yōu)化施工管理活動等。
2.1優(yōu)化建筑項目設(shè)計
完善的設(shè)計方案是建筑項目順利實施的前提和保證。建筑項目設(shè)計由建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、建筑設(shè)備設(shè)計等組成。通常，這三方面由多個設(shè)計方完成。在施工過程中，這些設(shè)計將轉(zhuǎn)變?yōu)榧稍谝黄鸬慕ㄖ䴓?gòu)件，結(jié)果碰撞或沖突時常出現(xiàn)，如建筑設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的沖突等。這不僅會增加設(shè)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(jīng)常出現(xiàn)工期延遲的主要原因之一。另外，設(shè)計的不可施工性是項目設(shè)計的另一個主要問題。特別是對于復雜的建筑項目，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)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(xié)同工作及檢測平臺，即設(shè)計方、施工方在設(shè)計階段不能有效地溝通與協(xié)作，同時在二維( 2D)環(huán)境下不能對設(shè)計方案進行檢測與分析。虛擬施工技術(shù)為此提供了一個有效的平臺，用于設(shè)計沖突、可施工性的檢測，及多方溝通。
采用虛擬施工技術(shù)優(yōu)化設(shè)計，首先要建立相關(guān)3D模型，包括建筑、結(jié)構(gòu)及建筑設(shè)備等。給出了某建筑項目的3D設(shè)計模型。基于建立的3D模型，可進行設(shè)計檢測、協(xié)同修改。設(shè)計檢測可根據(jù)需要設(shè)定相關(guān)參數(shù)，確定檢測范圍，從而檢測設(shè)計沖突問題、可施工性問題�；谏鲜�3D模型進行檢測時發(fā)現(xiàn)的其中一例沖突，即設(shè)備管線之間的碰撞。檢測到設(shè)計問題后，相關(guān)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(shè)計檢測在設(shè)計之初已經(jīng)開始，是一個“設(shè)計一檢測一設(shè)計”的循環(huán)過程，直至在施工之前解決所有設(shè)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(shè)計優(yōu)化過程非常方便。，同時，可行的設(shè)計方案是施工過程優(yōu)化的前提，否則施工優(yōu)化無從談起。
2.2優(yōu)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(jīng)理及項目組的經(jīng)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(jīng)理的經(jīng)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(yè)界的關(guān)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(yè)那樣，同一生產(chǎn)方案可用于某產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。通常是，當某個工程即將結(jié)束時，一套完善的施工方案才展現(xiàn)于面前，結(jié)果為時已晚。施工進度拖延、安全問題頻頻出現(xiàn)、返工率高、建造成本超支等已成為現(xiàn)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(shù)出現(xiàn)之前，這～問題幾乎找不到有效的解決方案。虛擬施工技術(shù)不僅可以測試和比較不同的施工方案，還可以優(yōu)化施工方案。
基于上述建立的3D模型，采用虛擬施工技術(shù)可模擬和分析相關(guān)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(shè)備調(diào)用、資源(包括建筑材料及人員等)配置等。通過模擬，可發(fā)現(xiàn)不合理的施工程序、設(shè)備調(diào)用程度與沖突、資源的不合理利用、安全隱患(如碰撞等)、作業(yè)空間不充足等問題，也可以及時更新施工方案，以解決相關(guān)問題。施工過程優(yōu)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(xiàn)“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(shù)也為總承建商、分承建商、設(shè)計單位及業(yè)主提供了一個溝通與協(xié)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(jié)省了大量的時間。
2.3優(yōu)化施工管理活動
為了解決施工過程中的相關(guān)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(yōu)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(shù)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(guān)職位、或減少相關(guān)職位，盡而管理成本將大大降低。
3虛擬施工技術(shù)的應用成效
虛擬施工技術(shù)的研究與應用是一個較為前沿的課題，在中國內(nèi)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(shù)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�；趯Σ糠猪椖康恼{(diào)查分析，本文初步總結(jié)了虛擬施工技術(shù)的成效，主要分析了其對項目工期與成本的影響�？梢钥闯�，虛擬施工技術(shù)對建筑工程項目的執(zhí)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(yè)的競爭力水平，同時也將提高建筑業(yè)的生產(chǎn)力水平。
4虛擬施工技術(shù)的引入與建議
盡管虛擬施工技術(shù)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(yè)界對其認知還不足夠，特別是如何引入該技術(shù)是建筑業(yè)界比較關(guān)心的問題�；趯Χ鄠�應用項目經(jīng)驗的總結(jié)，本文給出以下幾方面的建議，供業(yè)界參考。
4.1引入方式一與虛擬施工技術(shù)咨詢單位合作
虛擬施工技術(shù)是高新技術(shù)在建筑業(yè)中的應用，這關(guān)系到建筑項目管理知識與信息技術(shù)知識的融合。當前，由于建筑業(yè)界對虛擬施工技術(shù)缺乏一定的了解，開發(fā)商或承建商欲引入此技術(shù)，則需要與經(jīng)驗豐富的虛擬施工技術(shù)咨詢單位密切合作。有經(jīng)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(shù)知識，同時擁有豐富的虛擬施工技術(shù)實踐經(jīng)驗。與其合作，一方面，向咨詢單位充分了解虛擬施工技術(shù)的相關(guān)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(jīng)理、結(jié)構(gòu)工程師、建筑師、設(shè)備工程師等，進行虛擬施工技術(shù)知識的培訓，進而為引入虛擬施工技術(shù)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(shù)試用與評價。在此過程中，公司可以加強虛擬施工技術(shù)人才的培養(yǎng)，盡而將其推廣至多個建筑項目。另外，在條件成熟時，根據(jù)本公司的需要，也可組建自己的虛擬施工技術(shù)團隊。
42引入最佳時機一建筑項目早期
根據(jù)作者多年的虛擬施工技術(shù)研究與應用經(jīng)驗，表明虛擬施工技術(shù)引入的時間越早，就越有利于其功能的發(fā)揮，效用也越大。設(shè)計是施工的前提，只有擁有良好的設(shè)計方案，施工才能順利進行。因此，虛擬施工技術(shù)的引入至少從設(shè)計階段開始，以便及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題、解決問題。這也加快了設(shè)計方案的完善過程，節(jié)約時間。只有在這樣的前提下，虛擬施工技術(shù)才能對施工過程進行最有效地模擬與優(yōu)化。否則，不僅會降低虛擬施工技術(shù)的應用效率，也會浪費大量的時間和成本來彌補設(shè)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(shù)本身而言，其適用于任何類型、任何規(guī)模的建筑項目;而就其效益而言，規(guī)模越大、越復雜的工程項目，采用虛擬施工技術(shù)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(shè)計方面、還是在施工方面，都存在著較大挑戰(zhàn)，如設(shè)計復雜、施工程序復雜、資源調(diào)配復雜等，僅依靠經(jīng)驗或2D圖紙很難發(fā)現(xiàn)或解決其中存在的問題，而虛擬施工技術(shù)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(guī)的建筑項目，設(shè)計和施工已趨向“標準化”，對虛擬施工技術(shù)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(shù)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(guān)鍵一領(lǐng)導牽頭
建筑業(yè)是一個傳統(tǒng)的行業(yè)，盡管近年來信息技術(shù)發(fā)展迅速，但是其對建筑業(yè)的影響遠遠不及制造業(yè)。目前，建筑業(yè)大部分的作業(yè)方式已經(jīng)趨向“定向化”。例如建筑設(shè)計、施工規(guī)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(yè)基本上都采用了3D方式作業(yè)。同時：由于項目人員對虛擬施工技術(shù)缺乏認識，認為引入虛擬施工技術(shù)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(shù)引入建筑業(yè)，意味著多方面的變革，如思維方式、合作方式、設(shè)計手段、施工指導方式等都需要改變。這些是虛擬施工技術(shù)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(shù)應用成敗的關(guān)鍵問題，這就需要開發(fā)商或承建商的高層領(lǐng)導給予強力的支持，特別是在初期，要強行推進，及時總結(jié)成效，加大培訓力度。在虛擬施工技術(shù)實施的過程中，逐步讓項目人員看到虛擬施工技術(shù)的效用，改變其一貫的作業(yè)方式，最后轉(zhuǎn)“被動”為“主動”。只有這樣，才能成功地引入虛擬施工技術(shù)。需要說明的是，當前建筑業(yè)的很多習慣難以一次性改變，如2D設(shè)計方式，在這種情況下，需要虛擬施工技術(shù)咨詢單位基于其豐富的經(jīng)驗，針對每個項目找到一個“切入點”，在不改變一些傳統(tǒng)習慣的前提下，幫助企業(yè)引入虛擬施工技術(shù)。
5結(jié)束語
近年來，由于建筑業(yè)存在的問題越來越突出，虛擬施工技術(shù)已引起了建筑業(yè)界及學術(shù)界人士的關(guān)注。特別是中國建筑業(yè)正處在高速發(fā)展階段，國家對建筑業(yè)信息化的問題十分關(guān)注。盡管虛擬施工技術(shù)的應用還不廣泛，但其潛力和效用已初步顯示，特別是在設(shè)計優(yōu)化、施工過程優(yōu)化和施工管理優(yōu)化等方面，已得到了驗證。
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