建筑业发展的强大动力：虚拟施工技术

◎ 香港理工大学建筑及房地产学系建筑虚拟模型实验室 李 恒 郭红领 黄霆 陈镜源 陈景进

0 引言

随着中国城市化进程的深入与加快，建筑业面临着前所未有的发展机遇。近年来，建筑业总产值一直保持快速增长，在未来相当长的一段时间内，这种趋势还将延续。然而，全球建筑业生产力水平逐年下降。根据美国劳动统计局的统计数据，美国建筑业生产力指数呈下降趋势，特别是最近10年来，下降幅度较大；而制造业的生产力水平则呈上升趋势。中国建筑业也不例外，生产力水平较低，并远远落后于制造业。究其原因，除了建筑材料、人力、机械成本的上涨之外，另一个主要原因是设计、施工的返工成本（或不可预见成本）和管理成本上涨。在建设项目日益复杂化的情况下，设计和施工的问题也不断出现，随之而来的设计和施工返工率越来越高，这就大大提高了返工成本（约占总建造成本的12-22%[1]）。同时，为了解决设计和施工过程中出现的问题，不得不扩大管理队伍，这就造成管理层极度臃肿、管理成本的提高（约占总建造成本的13-30%[1]）。而制造业的返工成本和管理成本则少之又少。面对庞大的中国建筑市场，低的生产力水平意味着资源的极大浪费。因此，如何提高建筑业的生产力水平，是一个迫在眉睫的问题。本文从解决返工成本和管理成本这两个关键问题出发，参考制造业的生产管理经验，将虚拟模型技术机理引入建筑施工项目管理，即“虚拟施工技术”，以期望为提升建筑业的生产力水平提供一个有效的途径。

1 虚拟施工技术

虚拟模型技术（Virtual Prototyping，即VP）是一种在虚拟环境中建模、模拟、分析产品设计与生产过程的数字化、可视化技术[2,3,4]，其在制造业中得到了较好的应用，如飞机、汽车制造等[5]，但在建筑业中的应用才刚刚起步，尽管如此，其已初步显示出强有力的作用[6]。虚拟施工技术（Construction VP，即CVP）就是基于虚拟模型技术而提出的用于建筑项目设计与施工过程模拟与分析的数字化、可视化技术，其扩展了4D（3D＋时间）技术，即不仅考虑了时间维，还考虑了其他维数，如材料、机械、人力、空间、安全等，因此可称之为“ND”技术。当前，建筑领域的可视化研究与应用主要集中在三维（3D）建模技术或BIM（Building Information Modelling）技术、4D技术。BIM技术主要集成了建筑项目本身的相关信息，属于静态信息，主要用于项目设计分析；4D技术则基于3D模型，引入时间因素，进行施工进度的可视化展示，但没有考虑资源等关键因素。虚拟施工技术的研究则将可视化技术在建筑项目中的应用提高到一个新的水平。

虚拟施工技术的主导思想是“先试后建”，即基于一个虚拟平台，在真实工程开工之前，对建筑项目的设计方案进行检测分析，对项目施工方案进行模拟、分析与优化，以便提前发现问题、解决问题，直至获得最佳的设计和施工方案，从而指导真实的施工。这一理念的实施，将大大降低返工成本和管理成本。目前，国内外对虚拟施工技术的研究仍处于初期阶段，香港理工大学建筑虚拟模型实验室则是这方面研究的先驱者，其技术水平一直处于世界领先地位。下文将基于该实验室开发的相关技术，对虚拟施工技术的“先试后建”理念进行详细剖析。

2 虚拟施工技术的作用

“先试后建”是虚拟施工技术实施的指导思想，也是虚拟施工技术作用的集中体现，其可对建筑工程中的任何需要进行检测、模拟和分析。下面针对建筑项目的不同阶段，对虚拟施工技术的作用进行分析，即优化建筑项目设计、优化施工过程、优化施工管理活动等。

2.1 优化建筑项目设计

图1 某建筑项目的3D模型

图2 设备管线之间的碰撞

完善的设计方案是建筑项目顺利实施的前提和保证。建筑项目设计由建筑设计、结构设计、建筑设备设计等组成。通常，这三方面由多个设计方完成。在施工过程中，这些设计将转变为集成在一起的建筑构件，结果碰撞或冲突时常出现，如建筑设备与结构之间的冲突等。这不仅会增加设计、施工返工成本，浪费资源，还会影响施工的进度。这也是建筑工程经常出现工期延迟的主要原因之一。另外，设计的不可施工性是项目设计的另一个主要问题。特别是对于复杂的建筑项目，经常出现设计的可施工性不强或不可行等问题。这同样增加返工量，影响施工进度。究其主要原因，就是缺乏一个有效的协同工作及检测平台，即设计方、施工方在设计阶段不能有效地沟通与协作，同时在二维（2D）环境下不能对设计方案进行检测与分析。虚拟施工技术为此提供了一个有效的平台，用于设计冲突、可施工性的检测，及多方沟通。

采用虚拟施工技术优化设计，首先要建立相关3D模型，包括建筑、结构及建筑设备等。图1给出了某建筑项目的3D设计模型。基于建立的3D模型，可进行设计检测、协同修改。设计检测可根据需要设定相关参数，确定检测范围，从而检测设计冲突问题、可施工性问题。图2是基于上述3D模型进行检测时发现的其中一例冲突，即设备管线之间的碰撞。检测到设计问题后，相关各方基于此虚拟平台和3D模型可及时进行分析与沟通，从而及时、有效地解决问题。设计检测在设计之初已经开始，是一个“设计－检测－设计”的循环过程，直至在施工之前解决所有设计问题，尽而消除返工成本、减少施工时间。尽管检测跟踪时间较长，但检测、修改过程可以自动化操作，因此设计优化过程非常方便。同时，可行的设计方案是施工过程优化的前提，否则施工优化无从谈起。

2.2 优化施工过程

施工过程的顺利实施是在有效的施工方案指导下进行的。当前，施工方案的编制主要基于项目经理及项目组的经验来实施。然而，面对越来越庞大且复杂的建筑工程项目，仅凭项目经理的经验来编制施工方案已显得力不从心。施工方案的可行性一直受到业界的关注。同时，由于建筑项目的单一性和不可重复性，施工方案同样具有不可重复性，即不可能如制造业那样，同一生产方案可用于某产品的批量生产。通常是，当某个工程即将结束时，一套完善的施工方案才展现于面前，结果为时已晚。施工进度拖延、安全问题频频出现、返工率高、建造成本超支等已成为现有建筑工程项目的通病。因此，在施工开始之前，找出完善的施工方案是十分必要的、重要的。在虚拟施工技术出现之前，这一问题几乎找不到有效的解决方案。虚拟施工技术不仅可以测试和比较不同的施工方案，还可以优化施工方案。

基于上述建立的3D模型，采用虚拟施工技术可模拟和分析相关施工方案。图3简要展示了一个非典型柱体安装方案的模拟过程。整个模拟过程包括了施工程序、设备调用、资源（包括建筑材料及人员等）配置等。通过模拟，可发现不合理的施工程序、设备调用程度与冲突、资源的不合理利用、安全隐患（如碰撞等）、作业空间不充足等问题，也可以及时更新施工方案，以解决相关问题。施工过程优化也是一个重复的过程，即“初步方案－模拟－更新方案”，直至在真实施工之前找到一个最佳的施工方案，尽最大可能实现“零碰撞、零冲突、零返工”。从而大大降低返工成本，减少资源浪费与冲突及安全问题。同时，虚拟施工技术也为总承建商、分承建商、设计单位及业主提供了一个沟通与协作平台，帮助各方及时、快捷地解决各种问题，从而大大提高了工作效率，节省了大量的时间。

2.3 优化施工管理活动

为了解决施工过程中的相关问题，特别是复杂的项目工程，需要配备大量的管理人员，这大大增加了管理成本。通过上述施工过程的优化，除了在施工开始之前建立一个完善的施工方案外，虚拟施工技术还可以清晰地展示整个施工过程。此模拟过程提供了一个栩栩如生的“施工操作说明书”（如图3所示），可为分包商或工人进行开工前的培训，或为工人实际操作提供参考，从而减少实际操作失误。由于减少了实际施工中的问题，管理活动也得到简化，项目对管理人员的需求自然减少，或合并相关职位、或减少相关职位，尽而管理成本将大大降低。

3 虚拟施工技术的应用成效

虚拟施工技术的研究与应用是一个较为前沿的课题，在中国内地的研究与应用较少，相对而言，在国外及香港等地应用较多。目前，虚拟施工技术已应用于香港等地多个建筑工程项目，包括住宅、酒店、办公楼、商用楼、体育场、桥梁等大型复杂工程。基于对部分项目的调查分析，本文初步总结了虚拟施工技术的成效，主要分析了其对项目工期与成本的影响（见表1）。由表1可以看出，虚拟施工技术对建筑工程项目的执行有着显著的影响，可以有效地降低成本与工期。这在某种程度上将提高建筑企业的竞争力水平，同时也将提高建筑业的生产力水平。

图3 柱安装方案模拟过程

表1 虚拟施工技术对项目时间与成本的影响

4 虚拟施工技术的引入与建议

尽管虚拟施工技术已应用于多个建筑工程项目，并取得了较好的效果，但建筑业界对其认知还不足够，特别是如何引入该技术是建筑业界比较关心的问题。基于对多个应用项目经验的总结，本文给出以下几方面的建议，供业界参考。

4.1 引入方式－与虚拟施工技术咨询单位合作

虚拟施工技术是高新技术在建筑业中的应用，这关系到建筑项目管理知识与信息技术知识的融合。当前，由于建筑业界对虚拟施工技术缺乏一定的了解，开发商或承建商欲引入此技术，则需要与经验丰富的虚拟施工技术咨询单位密切合作。有经验的咨询单位，通常拥有复合型的人才，其既掌握建筑管理知识，也掌握计算机及信息技术知识，同时拥有丰富的虚拟施工技术实践经验。与其合作，一方面，向咨询单位充分了解虚拟施工技术的相关知识及作用，及对本公司项目的适用性；另一方面，邀请咨询单位为本公司员工，特别是项目经理、结构工程师、建筑师、设备工程师等，进行虚拟施工技术知识的培训，进而为引入虚拟施工技术做好准备。同时挑选一两个建筑项目，在咨询单位的介入下进行虚拟施工技术试用与评价。在此过程中，公司可以加强虚拟施工技术人才的培养，尽而将其推广至多个建筑项目。另外，在条件成熟时，根据本公司的需要，也可组建自己的虚拟施工技术团队。

4.2 引入最佳时机－建筑项目早期

根据作者多年的虚拟施工技术研究与应用经验，表明虚拟施工技术引入的时间越早，就越有利于其功能的发挥，效用也越大。设计是施工的前提，只有拥有良好的设计方案，施工才能顺利进行。因此，虚拟施工技术的引入至少从设计阶段开始，以便及早发现设计问题、解决问题。这也加快了设计方案的完善过程，节约时间。只有在这样的前提下，虚拟施工技术才能对施工过程进行最有效地模拟与优化。否则，不仅会降低虚拟施工技术的应用效率，也会浪费大量的时间和成本来弥补设计的不足。

4.3 引入项目类型－大型或复杂项目

就虚拟施工技术本身而言，其适用于任何类型、任何规模的建筑项目；而就其效益而言，规模越大、越复杂的工程项目，采用虚拟施工技术的效益也越大、越明显。这是因为大型复杂工程项目，无论在设计方面、还是在施工方面，都存在着较大挑战，如设计复杂、施工程序复杂、资源调配复杂等，仅依靠经验或2D图纸很难发现或解决其中存在的问题，而虚拟施工技术提供的可视化平台，则可以较好地解决这些问题。相对来说，常规的建筑项目，设计和施工已趋向“标准化”，对虚拟施工技术的需求较小。因此，考虑到效益问题，本文建议在引入虚拟施工技术时，首选大型复杂工程项目或特殊工程项目。

4.4 引入的成败关键－领导牵头

建筑业是一个传统的行业，尽管近年来信息技术发展迅速，但是其对建筑业的影响远远不及制造业。目前，建筑业大部分的作业方式已经趋向“定向化”。例如建筑设计、施工规划一直采用2D图纸，对3D操作方式有较强的抵触性，而制造业基本上都采用了3D方式作业。同时，由于项目人员对虚拟施工技术缺乏认识，认为引入虚拟施工技术只是为了宣传或市场推广，并增加了其工作量，故不给予足够重视或合作。因此，将虚拟施工技术引入建筑业，意味着多方面的变革，如思维方式、合作方式、设计手段、施工指导方式等都需要改变。这些是虚拟施工技术咨询单位不能完全解决的问题，也是直接影响虚拟施工技术应用成败的关键问题。这就需要开发商或承建商的高层领导给予强力的支持，特别是在初期，要强行推进，及时总结成效，加大培训力度。在虚拟施工技术实施的过程中，逐步让项目人员看到虚拟施工技术的效用，改变其一贯的作业方式，最后转“被动”为“主动”。只有这样，才能成功地引入虚拟施工技术。需要说明的是，当前建筑业的很多习惯难以一次性改变，如2D设计方式，在这种情况下，需要虚拟施工技术咨询单位基于其丰富的经验，针对每个项目找到一个“切入点”，在不改变一些传统习惯的前提下，帮助企业引入虚拟施工技术。

5 结束语

近年来，由于建筑业存在的问题越来越突出，虚拟施工技术已引起了建筑业界及学术界人士的关注。特别是中国建筑业正处在高速发展阶段，国家对建筑业信息化的问题十分关注。尽管虚拟施工技术的应用还不广泛，但其潜力和效用已初步显示，特别是在设计优化、施工过程优化和施工管理优化等方面，已得到了验证。通过虚拟施工技术的应用，施工时间和成本可以有效地降低。但是，虚拟施工技术的应用不仅仅局限于设计和施工两个阶段，其适用于建筑项目的整个生命周期，包括规划和物业管理等。随着研究和应用深入，虚拟施工技术可以产生更大效用，从而真正提高整个建筑业的生产力水平。