建筑设备虚拟施工技术研究与应用

（1重庆市建设岗位培训中心，重庆 400015；2重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015；3綦江区建筑工程检测中心，重庆 401420）

0 引言

近年来我国建筑行业迅猛发展，工程建设规模不断增加，新型的建筑结构体系和个性化的标志性建筑层出不穷，这必然给施工提出新的技术难题，促使施工手段和方法进一步变革。面对复杂的结构施工，施工管理需要通过大量的计算分析加以论证及预测，此时经验所起的作用无法有效解决问题，使得工作效率低下，更为严重的是可能对施工管理的合理性和施工安全性产生不利影响[1-2]。

“虚拟施工技术”融合了数字化技术、可视化技术及模拟技术，提供了一个虚拟平台或环境，基于此平台可对施工过程进行模拟、分析与优化，从而有效地优化资源（包括人、材、机等）配置、降低成本、缩短工期、保障安全、减少风险。

结合当今建筑业新型复杂结构及其在施工技术、安全方面的发展现状，基于BIM的虚拟施工技术应运而生，为最终的施工管理提供稳定的技术支持[3-5]。

1 虚拟施工技术与BIM技术基础理论

1.1 虚拟施工概述

虚拟施工的主要思想就是在实际建造之前进行虚拟建造，通过计算机模拟施工，得出可行的最优化的施工方案，确保整个施工建造过程的可行性，安全性，以指导实际施工。当前虚拟施工技术在解决复杂实际工程问题时的应用相对较少，技术的实现形式通用性不强，实现施工动态过程的模型与力学仿真模型相互独立，没有统一的数据接口。一般而言，在解决复杂施工问题时，运用虚拟施工技术的表现形式有以下三方面。

（1）要有足够的与施工有关的理论和技术，如施工力学、时变力学等理论和液压整体提升技术等，形成系统的理论框架。

（2）建立参数化模型，在此基础上对施工过程进行动态模拟，实现施工过程的可视化，有效地实现技术交底，指导工人施工。

（3）实现动态过程模型与结构力学模型的对接，对结构施工过程进行力学仿真，评估动态施工模拟过程的安全性，出现问题时调整优化施工方案。

虚拟施工技术主要有以下特点：高集成性；数据全面；协作共享性。

1.2 BIM技术

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的简称，其概念最早是由Charles Eastman提出。以建筑工程的各项相关信息为基础，通过数字信息仿真的方式模拟建筑物的真实信息，并通过三维模型进行展示，实施工程管理、设备管理、运行维护等功能。

1.3 BIM技术在项目设备施工中的应用

工程中建筑设备专业系统十分复杂，在项目初期进行BIM模型的搭建，在设备安装初期完成模型的深化设计调整，在施工过程中直接指导施工。其主要优点为：设计碰撞检查，可节约成本，方便施工；利用BIM技术优化管线排布，可以节省空间；节能环保。

2 建筑工程设备资源虚拟施工技术研究

2.1 虚拟施工核心技术

虚拟施工核心技术包括参数化建模技术、可视化技术、结构仿真技术和施工优化技术。

2.1.1 参数化建模技术

虚拟施工技术是以参数化模型为基础得以实现的。为了更好更精确地进行虚拟施工模拟，要求模型具有高精确度、可操作性、便于读取等特点。

2.1.2 可视化技术

可视化技术是将虚拟模型直观进行表达和展现。它是以计算机科学为基础，通过信息数据梳理技术和计算机显示技术，将各种数据以不同的方式在屏幕上呈现，同时能够实现信息交互的技术。

2.1.3 结构仿真技术

结构仿真技术是通过计算机数据模拟，为参数化模型模仿与真实环境一样的结构形态。

2.1.4 施工优化技术

施工优化技术通常是与仿真技术同时使用的，其目的是对仿真技术中出现的问题进行优化处理，达到虚拟施工的最终目的。

2.2 施工设备模拟的基本要素

欲在虚拟环境中对施工设备（如塔吊、吊车等）进行可视化模拟，应该首先考虑以下基本要素：设备 3D模型、设备空间定位和设备模拟机制。3D模型是设备模拟的基本元素 （主体），空间定位是设备模拟的空间支撑因素（位置），而模拟机制是实现设备模拟的基本手段和方法（操作）。

2.2.1 设备3D模型

设备3D模型是设备可视化模拟的基础，与建筑物构件的3D模型同等重要。设备构件的3D建模与建筑物构件3D建模一样，只需构建其空间关键点即可。目前，多数BIM应用软件可实现设备构件的3D可视化，本研究将不再详述。

2.2.2 设备空间定位

施工现场有多种机械设备，有些设备空间位置固定（如塔吊），有些设备位置不固定（如移动吊车）。对于前者，在模拟过程中只需考虑其空间操作即可，而对于后者，还需考虑其空间定位问题，即位置移动。空间操作问题将在设备模拟机制中进行详述，而空间定位问题将在施工过程模拟技术中进行详述，即采用“移动”功能即可实现。

2.2.3 设备模拟机制

设备模拟机制是指模拟施工设备的基本原理，即在施工过程模拟中，如何模拟设备的功能和操作时间等。设备模拟机制主要由两部分组成：一是基于设备3D模型的构件模拟配置（如构件的自由度设置或属性设置），二是设备的空间操作机制（即如何操作设备）。

2.3 设备构件模拟配置

2.3.1 约束设置

任何施工设备都有不同的构件组成，这些构件基于不同的约束或自由度组合在一起，即为设备主体。在操作时，设备主体将依据这些约束或自由度进行适当的运转。在虚拟环境下，欲实施设备的运转，同样需要设置其构件的约束或自由度。设备构件约束归类为几何约束，主要包括固定约束和连接约束。

2.3.2 属性参数配置

属性参数是设备模拟配置的另一重要内容，即将设备的基础参数集成于设备3D模型中。至少应包括以下参数：设备出厂设定的相关参数或信息（如起重机的最大起重量、最大工作幅度等）和设备约束设置参数的限值设定（如起重机旋转角度的最大或最小值等）。前者可为设备模型使用者提供设备的基础信息，以便选择合适设备模型进行模拟，同时可提供报警功能（如实际起重量超过了预设起重量）；后者则为使用者提供了设备模拟的预设范围，以达到真实模拟的效果，同时也提供了模拟修改的空间，以增加模拟的适用性。

2.3.3 设备空间操作机制

在固定笛卡尔坐标系XYZ中，用三位矢量函数p(t)表示施工设备的相对位置，用三位矢量函数o(t)表示相对于笛卡尔坐标系的方向，其中t表示时间，可表示为：

其中，x(t)，y(t)，z(t)分别表示时刻 t时，施工设备（或构件）在 XYZ坐标系中的位置；ox(t)、oy(t)、oz(t)分别表示时刻 t时，施工设备（或构件）绕 X、Y、Z坐标轴的旋转角度。

为了方便，本研究定义一个矢量函数 a(t)来代表施工设备（或构件）的方向和位置，表示为：

当施工设备或其构件运转时，实质上是其位置随时间t变化的显示。由时刻t1至时刻t2，施工设备（或构件）的方向和位置则由 a(t1)变化到a(t2)。而这一过程通常需要多次变换才可实现，主要有两类变换：旋转变换和平移变换。此两类变换分别采用旋转变换矩阵R3x3和平移变换矩阵R3x1来实现。R3x3由旋转的角度决定，而 R3x1由移动的距离决定。由此，矢量 p(t2)可由矢量 p(t1)及变换矩阵 T表示为：

其中，k表示由时刻t1至时刻t2需k次变换；

T表示变换矩阵，定义为：

通过此函数定义，设备（或构件）的实时位置可以确定。至此，施工设备或其任何部件在模拟过程中可进行相应操作模拟。

3 建筑工程设备资源虚拟施工技术应用

基于BIM的虚拟施工设备资源的操作流程主要分为以下几个部分：收集设备信息、了解施工现场、建立塔吊模型、设置现场模型、模型整合、动态设置、虚拟施工、设备调整。

（1）收集设备信息。收集施工所需要的设备信息模型，例如塔吊型号，塔吊各部件大小、高度、臂长等信息，为建立模型做准备。在制作模型时，尽可能地反应出设备的特点属性。

（2）了解施工现场。了解施工现场布置情况，各区域分布情况，设备的运作方式，施工的具体实施方案，如塔吊的数量、位置、运行方式等特点，为施工模拟做准备，尽可能还原真实的、实际的施工现场。

（3）建立塔吊模型。以固定式上回转式塔吊为例，利用BIM模型制作软件Revit进行制作。用Revit进行建模，其建模过程相对简单。在Revit的使用中，可以用到族功能。

（4）设置现场模型。根据前期收集的施工现场信息，利用Revit的三维建模，建立施工场地模型，并导出vrt格式文件。

（5）模型整合。利用NavisWorks的不能建模，但是能兼容几乎所有的主流的三维设计软件模型文件格式这一特点，将上述塔吊模型的nwc文件和场地模型的vrt文件导入，经过整合，得到塔吊-施工场地一体模型。

（6）动态设置。在Navisworks中，首先建立各种选择集，如吊臂、木方（作为重物）、钩。通过捕捉关键帧按钮将不同时间点下物体的位置进行记录，最终实现动画效果。动画流程为，群塔摆臂——碰撞冲突检查——群塔冲突避让——降落重物。

（7）施工模拟。将设置完成的动画效果进行输出，得到施工模拟动画，在动画中可以得到三个塔吊进行群塔摆臂、碰撞冲突检查、群塔冲突避让、降落重物等流程。

4 结语

我国建筑行业飞速发展，同时工程项目也越来越复杂，通过建筑工程设备资源施工虚拟管理技术的研究与应用，可以有效地对现场设备资源进行科学管理，大大降低成本，节省资源。

参考文献：

[1]陈浩林.BIM虚拟施工技术在工程管理中的应用研究[J].科技资讯，2017(15)：81，83.

[2]李泉霖，马人骄.BIM技术在酒店项目建筑设备施工中的应用[J].工业设计，2017(5)：132-133.

[3]冯洪飞.基于BIM的虚拟施工技术与施工期监测分析在钢结构施工中的应用研究[D].重庆：重庆大学，2016.

[4]吴子昊.BIM技术在建筑施工进程中的碰撞研究[D].武汉：武汉科技大学，2013.

[5]孙磊.虚拟施工技术的研究与应用[D].武汉：武汉科技大学，2012.