虚拟设计与施工(VDC)技术的应用研究*

李岩松 石亚杰 郑威

(1.上海科技馆，上海 200127；2.上海市建设工程监理咨询有限公司，上海 200080；3.同济大学经济与管理学院，上海 200092)

虚拟设计与施工(VDC)技术的应用研究*

李岩松1石亚杰2郑威3

(1.上海科技馆，上海 200127；2.上海市建设工程监理咨询有限公司，上海 200080；3.同济大学经济与管理学院，上海 200092)

近年来，全球范围内建筑行业的生产力呈逐年下降的趋势，传统建筑行业中存在的诸多问题日益凸显，如信息缺失、表达模糊、材料损耗严重和效率低下等，主要原因是建筑行业在技术和创新上的投入不大。随着信息技术的发展，虚拟设计与施工的理念逐渐形成，并成为未来建筑领域信息化发展的方向。结合POP模型对VDC技术的应用情况进行介绍，并以上海天文馆项目为例，阐述了VDC技术在天文馆项目设计阶段中的应用。

建筑行业；VDC；POP；信息化

0 引言

自20世纪以来，建筑行业经过了长足的发展，为人类社会创造了丰富的物质生产生活场所和精神享受空间，但是行业中还存在着许多问题，生产效率低下和信息化水平不高一直是影响建筑行业可持续发展的重要因素。随着工程项目的规模越来越大，以及复杂程度越来越高，传统的行业模式造成项目在设计和施工阶段的问题不断涌现，导致项目在设计和施工阶段的返工和成本增加，相应的管理成本也增加。解决这些问题的关键在于加大建筑行业在技术和创新方面的投入，不断推进行业内信息化技术的发展和应用[1]。美国斯坦福大学自1988年成立设施集成化工程中心(Center for Integrated Facility Engineering，CIFE)以来，一直在进行关于提高建筑工程领域生产效率的研究，并于2001年在业内第一次提出了虚拟设计与施工(Virtual Design and Construction，VDC)的理论。该理论指出VDC是未来建筑行业信息化发展和研究的趋势[2]。

1 VDC概述

1.1 VDC的定义

VDC被定义为综合多门学科对项目建设进行集成化设计和施工的信息技术模型，包括产品、组织和过程模型，也称为POP模型，是在设计-施工-运营过程中实现业务目标的过程[3]。VDC可以作为项目管理人员进行项目交付的工具，其核心是以BIM建立的三维模型为对象的多种软件构建的工作平台。一旦拥有了BIM模型，在这个VDC的平台上，可以解决很多问题，比如施工可行性研究、成本估算、冲突检测、机水电环境协调、可视化调度、非现场预制、安全工程等。VDC模型通过一定的逻辑关系集成在一起，并且数据可以进行共享，当模型的某一个方面被突出或发生变动，跟它相关联的特征都会自动发生变动，这些模型一定意义上是反映性能的模型，可以预测各方面项目的执行情况[4]。

1.2 POP模型及方法论

针对一个建筑工程项目而言，设计师所创建的概念设计模型经过深化设计之后所得到的模型即是产品模型(Product Model)；在施工过程中施工计划和施工相关的活动构成了过程模型(Process Model)；公司或团队的人员配备和其相关职责构成了组织模型(Organization Model)，这三种模型统称POP模型[5]。CIFE中心的研究人员定义了一种基于POP的工程项目方法论，该方法论明确地定义了项目的产品、组织和流程以及相对应的预期功能、形式架构和预期行为，预期功能、形式架构和预期行为又分为预测、观察和期望三个层面，其架构见图1。

图1 POP方法论框架

1.3 VDC技术具体实施过程

用户主要在可视化建模、模型集成化和自动化三个阶段应用VDC[4]。

在可视化建模阶段先创建3D产品模型，再创建组织模型用于设计、施工和运营中，最后创建过程模型用于预测模型性能并进行过程追踪。定期对产品、组织和流程中费用较高的部分进行建模和可视化分析，整合多学科VDC模型，根据项目的价值定位来分析VDC工具、方法和人力资源方面的投资，明确项目的目标、价值、责任和设计预期。

在模型集成化阶段，为保证不同模型和不同应用软件之间数据共享的可靠性和交互过程的顺利，供应商要保证信息交换拥有统一的标准。POP模型之间的数据共享以及IFC标准为数据交换提供了统一的标准，但是目前IFC标准仍然在不断发展和完善的过程中，不同软件之间数据的无损传递仍是一个亟待解决的问题。

在自动化阶段，利用自动化的方法执行常规的设计任务，或者在工厂中预制构件。为了促进自动化设计，项目组织需要改进工作流程以提高设计效率，减少时间和资金的投入。为了支持建造过程，以往的“设计-建造”或“设计-竞标-建造”转变为“设计-建造-装配”。

1.4 VDC平台工具及其功能

在VDC的框架下已经开发了很多工具和软件，包括[6]：

(1)产品可视化工具，即3D建模工具，如AUTOCAD、revit等，用于建立三维模型，并能够协同不同专业的工作任务。

(2)产品过程模型及其可视化工具，以CommonPoint Project 4D和NavisWork为代表。这些工具不仅可以直观地查看3D模型，还可以查看施工过程的模型。

(3)组织过程模型工具，如视频显示终端(VDT)和模拟视窗(SimVision)，可以模拟出合适的组织架构，识别可能造成项目延误的风险。

(4)在线协同工具，如iRoom，是一个基于项目的研究站，便于项目参与各方随时随地获取POP模型，并可以集成常用的工程软件(如Microsoft Excel，Microsoft Project，Architectural Desktop等)进行迅速反复的协同工作。

(5)其他用于分析多学科会议效率的技术，如利用DEEPAND平台，可以评估多学科会议的效率，DEEPAND为描述、解释、评估、预测、谈判等流程提供了评判标准，通过使用VDC工具和技术可以提高信息共享的效率。

2 VDC技术在建筑工程项目中的应用

2.1 VDC技术的协同设计应用

Atul Khanzode于2010年报道了关于VDC技术在机电协同设计中的应用[7]，并指出在很多复杂的工程项目中，机电系统占据了40%～60%的造价，但是机电系统的协同仍然是点对点的，缺乏一致的、落地的、可重复性的机电协同设计方案和追踪协同进度的方法，从而导致团队工作效率低下。精益集成化的VDC技术提供了保证机电协同一致性的方法，在协同过程中项目团队为机电设计协同系统制定技术流程和进度计划，有效组织团队进行机电系统协同设计，并使用统一的标准来追踪工作进展。以加利福尼亚北部的一个项目为例，该项目使用了VDC技术进行机电协同设计，项目完成后的统计结果表明，不同的系统之间实现了0碰撞0冲突，项目的返工量少于0.2%，整个工程项目的生产效率提高了30%。

Garcia于2003年发表了关于VDC应用在工程项目建设早期的协同设计的研究文章[5]。在项目过程中利用VDC技术创建了一个实体模型，形成了项目的通用模型。该模型包含了功能需求、设计表单，并且可以模拟出项目的产品、组织和流程。通过VDC技术的协同，完成方案设计的时间比传统方法大大缩减。研究认为VDC、高度协同作业、通用项目模型三者之间形成了一个三角的流程关系，可以确保项目团队更快速地为新项目设计出新的模型，并且可以为之后的深化设计和施工计划制订提供支持。VDC管理方法建立了POP模型，可以实现最大限度的协同工作，提高项目的质量并减少重复工作。依据高度协同化理念，POP模型可投射在三个屏幕上进行展示，让项目人员从多方位的角度对项目的实时信息进行对比和管控，极大地提高了管理的效率。此外，建模过程中利用VDC逐步建立设计和施工模型，能够使设计师考虑到施工的可行性并进行设计方案的优选。

2.2 VDC技术的虚拟施工应用

计算机技术的发展使得现代建筑的设计越来越异形化和曲面化，这对施工单位的施工技术提出了更高的要求，传统的施工技术难以解决复杂结构施工工艺的重难点问题。随着虚拟可视化技术的推广应用，虚拟施工的技术逐渐得到发展。虚拟施工技术利用虚拟现实技术构造了一个可视化的施工环境，可以将3D模型和进度计划、工程量以及造价等信息关联进行施工过程的模拟。并且可以针对重点复杂区域的施工工艺进行模拟，检查施工方案中不合理的地方，最终确定最优施工方案[8]。

虚拟施工结合了4D和5D技术对施工进度和造价过程进行可视化模拟。其中4D模型属于过程模型的一种，集成了3D模型和进度模型，可以帮助项目人员识别进度冲突和安全风险。通过把3D模型和施工进度联系起来，4D模型传达出了计划工作的次序，辅助项目人员发现加快进度的办法[9]；5D模型在4D模型的基础上增加了工程量信息和工程造价信息，通过5D施工模拟可以让项目管理人员在施工之前预测所需的资金、材料、劳动力等情况，对施工过程进行成本控制[10]。5D模型集成了进度、预算等关键信息，项目管理人员通过形象进度查看，可以实时调整施工过程中资金与资源的计划，确保资金和资源的使用平衡。5D施工模拟应用于项目建造的全过程，可以对施工过程进行前期指导、过程把控和结果校核，达到项目精细化管理的目标。

3 VDC技术在上海天文馆项目设计阶段的应用

以上海天文馆项目为例，该项目以“地球、月亮、太阳”这三体和“行星运行轨道”“行星之间引力”为概念进行设计，整个场地的轨道弧线构造奇特、设计复杂，土建及机电设计、景观设计、室内设计三者之间相互影响又相互制约，整体性要求高。运用VDC技术，通过建立POP模型获得几乎所有的数据和信息，辅助可视化设计过程，极大地提高了设计效率。上海天文馆设计过程中VDC技术的主要应用点有风模拟、日照模拟和碰撞检测等。通过可视化的模拟分析，发现设计过程中出现的问题，为优化设计提供有力的支持。

3.1 风环境模拟

上海天文馆的风环境模拟分为室外风环境模拟和室内风环境模拟两个方面。

室外风环境模拟以产品模型为基础，建立风环境模拟计算模型。室外风环境模拟针对不同季节条件的风向和风速模拟出不同建筑高度的风速云图和建筑风压图，反映出整个建筑区域内的风速分布情况和迎背风面的风压。以冬季工况的模拟为例，风速设置为西北风、平均风速3.10m/s，1.5m高人行活动区域风速计算结果和建筑表面风压计算结果分别见图2、图3。结果分析表明，在冬季工况主导风向平均风速条件下，整个区域内的最大风速约为3m/s，小于5m/s，符合舒适性能要求；建筑迎背风面的平均风压压差为5Pa左右，符合风压差要求。

图2 冬季工况整个计算域1.5m处风速原始云图(软件截图)

图3 冬季工况迎背风面风压图(软件截图)

室内风环境模拟选择了自然通风最适宜的过渡季，主要对1.5m高处风速分布和空气龄分布进行模拟，见图4、图5。模拟结果表明，在过渡季主导风向下，室内1.5m高风速在0.1～0.2m/s的范围，符合自然通风的基本要求，但同时室内空气龄较大，需调整开口位置及面积，增加自然通风量。

图4 1.5m高处风速分布(软件截图)

图5 1.5m高处空气龄分布(软件截图)

3.2 采光及太阳辐射模拟

建筑采光模型与建筑室外风环境采用相同的产品模型，根据软件计算的需要对模型进行处理后得到采光计算模型。模拟过程中主要对天窗的采光效果进行分析，判断其给采光带来的影响。根据计算结果可知，0.75m高度处采光系数分布见图6，模拟结果表明天窗带来的室内采光效果明显，在全阴天模型情况下，极大改善了下方空间的自然采光情况。1.5m高度太阳辐射得热分布见图7，模拟结果表明在自然采光得到改善的同时，天窗的采用会大幅增加太阳辐射的热量，根据计算结果，7月份在未采取遮阳措施的情况下，天窗造成的室内太阳辐射直射热量的峰值为40kwh/m2，因此结合建筑造型合理设置外遮阳或内遮阳有利于降低夏季空调负荷。

图6 0.75m高度采光系数分布(软件截图)

图7 1.5m高度太阳辐射得热分布(软件截图)

3.3 碰撞检测

上海天文馆结构复杂、体量巨大，在设计过程中建筑构件之间难免形成冲突。利用BIM模型进行碰撞检测，可以在设计过程中提前发现并解决问题，碰撞检测对设计模型进行可视化的展现，让设计人员清晰直观地看到发生冲突的部位，提高设计工作的效率，减少现场返工的工作量。结构碰撞实验中发现了不少的问题，主要分为以下几类：

(1)结构柱与墙体、楼梯的冲突。如图8所示的是结构柱与人防通道、人防墙和人防门有碰撞，与楼梯及部分功能房间也有碰撞，解决方案是与人防及楼梯间冲突的柱子，建议当前层删除，上层柱子可梁上起柱。

(2)结构梁与楼梯、建筑表皮的冲突。如图9所示的是结构梁穿入楼梯间的冲突，解决方案是结构梁做调整。

(3)墙体与墙体、门等构件的冲突。如图10所示的是餐厅一楼与屋顶墙体发生碰撞，解决方案是待建筑专业人员进行协调。

图8 结构柱与人防通道、人防墙、人防门、楼梯、房间的碰撞冲突(软件截图)

图9 结构梁穿入楼梯间的碰撞冲突(软件截图)

图10 餐厅一楼与屋顶墙体的碰撞冲突(软件截图)

4 结语

通过对上述研究内容的总结，发现目前VDC技术的应用可以为项目各参与方带来巨大的效益，是未来建筑行业信息化发展的方向，但是同时VDC技术很多方面有待于进一步发展成熟，结论如下：

(1)VDC可以帮助企业取得突破性的目标，提高工作质量、加快工作进度，减少未列入预算的费用变更。不同项目参与方职责明确，提高了设计工作的效率，使设计师考虑到施工的可行性，还能够进行设计方案的优选。项目参与方共享可视化模型，深度有效协同工作，减少了施工过程中的返工。

(2)VDC可以辅助项目管理，提供交互式平台框架以更好地发现、追踪和处理变更。例如iRoom研究站，提供了三个屏幕进行POP模型展示，让项目人员从多方位的角度对项目的实时信息进行对比和管控，极大地提高了管理的效率。

(3)VDC技术的应用需要较大的资金投入。现阶段，VDC工具使用起来有一定难度，和其他工具集成协同难度大且数据交互标准不统一，因此能够带来的商业价值有限。许多业主基于对项目成本的考虑并未对VDC技术持太大兴趣，对VDC的应用价值持观望态度。

(4)业主、设计单位和总包单位都有固定的工作模式和习惯，VDC的工作流程和他们传统的工作模式不匹配，实际操作过程中会遇到很多困难。VDC模型和基于模型的VDC分析方法还在研究和发展过程中，相关理论基础和应用标准还有待完善，应用过程可能存在未知的风险。

[1]王广斌,张洋,杨学英,等.工程项目建设信息化发展方向：虚拟设计与施工[J].武汉大学学报：工学版,2008,41(2):90-93.

[2]徐海峰.VDC技术在工程施工可视化模拟中的应用研究[J].工程建设,2015,47(3):56-58，62.

[3]Ho P,Fischer M,Kam C.Prospective validation of virtual design and construction methods:framework,application,and implementation guidelines[R].San Francisco：Stanford University，2009.

[4]Kunz J,Fischer M.Virtual design and construction:themes,case studies and implementation suggestions[R].San Francisco：Stanford University，2012.

[5]Garcia A C B,Kunz J,Ekstrom M,et al.Building a project ontology with extreme collaboration and virtual design and construction[J].Advanced Engineering Informatics,2004,18(2)：71-83.

[6]Khanzode A,Fischer M,Reed D,et al.A guide to applying the principles of virtual design and construction(VDC)to the lean project delivery process[R].San Francisco：Stanford University，2006.

[7] Khanzode,A.An Integrated,virtual design and construction and lean(IVL)method for coordination of MEP[R].San Francisco：Stanford University，2010.

[8]刘琰,李世蓉.虚拟建造在工程项目施工阶段中的应用及其4D/5D LOD研究[J].施工技术,2014,43(3):62-66.

[9]C Kam M.Fischer,Product model and the fourth dimension：final report[R].San Francisco：Stanford University,2002.

[10]Migilinskas D,Ustinovichius L.Computer-aided modelling evaluation and management of construction project according PLM concept[J].Lecture Notes in Computer Science，2006(9):242-250.PMT

上海市科委课题“上海天文馆工程建设技术研究与应用(15dz1207900)”。

2016-05-10