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【摘 要】以计算机技术和信息技术的突飞猛进为基础平台，虚拟仿真技术得到了前所未有的全面飞速发展，在建筑领域中也愈发显得尤为重要。本文介绍了虚拟仿真技术的形成和发展的过程，以及该项技术在建筑施工中的应用，在实践过程中突出的重要性。
【关键词】仿真技术；仿真模型
虚拟仿真技术的形成和发展已经有半个多世纪的时间了。在这期间，这项技术从无到有、从简单到复杂、从建立理论体系到生产实践应用、从最初的辅助学科到如今成为解决重大工程问题的必要手段，仿真技术在多项技术（包括计算机技术、网络技术、多媒体技术、信息处理技术、图形图像技术、系统工程和控制论等）的支持、交叉、相互融合下，已经逐渐地成为了一门交叉科学，乃至一种认识客观世界的重要方法。
1 虚拟仿真技术的概念及发展史
虚拟仿真属于基础性学科的一门。仿真技术是建立在控制理论、相似原理、数学模型与计算机技术、信息技术、系统技术及其应用领域相关专业技术的基础上，以计算机和多种专用物理效应设备为实施工具，以系统模型为借助途径，对实际的或假设的系统进行动态试验研究的一门新兴的综合性技术。属于一种可控制、耗费小、无破坏性并且可以进行多次重复的实验手段。它的主要特点有：高效、优质、低廉，体现出强大的生命力和潜在的巨大能力。迄今为止，虚拟仿真技术是最为有效的经济的综合集成法，也成为了推动技术实质进步的一门战略技术。仿真就是建立系统的模型（比如数学模型、物理效应模型以及兼合两者的数学-物理效应模型），在此类模型上进行试验和研究一个实际的或设想中的系统。包括土木、机械、电子、水力、声学、热学等在内的技术系统；同时也涵盖了社会、经济、生态、生物和管理系统等在内的传统非技术系统。虚拟仿真系统的发展应该从仿真器开始。美国空军的林克机练习器诞生于一九二九年。火炮控制系统和飞行控制动力学系统的相关研究在二战后期得到了前所未有的关注，从而促进了仿真技术的发展。上世纪七十年代后，仿真技术在军事领域的发展非常迅速，并且从最初的军事方面渐渐扩展到其他工业领域。但这仍旧只是该项技术发展的初级阶段。美国国防部高级研究计划局和美国陆军在上世纪八十年代共同制定了SIMNET计划并投入了大量的精力到该项计划的研究和执行中。先进的实物仿真实验室最先在美国空军建立，各部门紧随其后纷纷建设分布式交互仿真系统、并行式交互仿真系统以及聚合式仿真系统。于是虚拟仿真技术在这一时期达到了较高级的阶段。到了二十世纪末和本世纪初，科学研究领域适时地掀起了一股针对广泛领域的复杂性问题研究的热潮。复杂性即是针对简单性的否定，复杂问题的提出，客观上推动了整体论、系统论的发展。至此，虚拟仿真技术终于进入了今天的研究复杂系统仿真的崭新阶段。
现代虚拟仿真技术的发展和控制工程、系统工程及计算机技术的发展是密不可分的。比如控制工程和系统工程的发展在客观上极大地促进了仿真技术的广泛应用，而计算机的出现以及相应的计算机技术的飞速发展，则为仿真技术的发展提供了强有力的手段和工具。
2 虚拟仿真技术的应用领域
从虚拟仿真技术的诞生和发展历史可以看出，该项技术最早应用在军事领域（最早的仿真器即是由美国空军制造）比如航天器、航海模拟以及高能武器模拟等。其中，美国的综合战区演练计划、欧洲大型军事演习等均体现出虚拟仿真技术在军事领域中无可替代的重要性和实效性。伴随着国民经济的高速发展，仿真技术必然而然地被推广到了国民经济的各个领域，也成为了系统工程中的有力工具和科学方法。同时仿真技术由于在工业系统的各项应用中带来了实质性的巨大利益，也成为工程结算中非常重要的依据资料。（一）原材料质量记录在结算中的作用：建筑原材料在进入施工现场后必须要进行检验，只有合格的原材料才能被使用，但往往出现这样的情况：设计需要的是DN108镀锌钢管，可市面上出售的却是DN100型镀锌钢管；保温和防水材料大抵都存在着一个密度上的问题，不同的材料因物而异，建设单位总是要求使用质量过硬的好材料。遇到这样的情况就需要现场施工人员做好原材料的记录，在取得建设单位的签字确认后，在结算时便可根据原材料的记录从而调整材料的价差。（二）隐蔽工程记录在结算中的作用：隐蔽工程是随着施工过程的发展而发生的，在做工程结算时较难掌握。因为隐蔽工程在整个工程造价中所占比重较大，所谓做好隐蔽工程的记录就是要做好工程内在的实况记录。由于隐蔽工程在整体项目建成以后便无法看到，所以一旦现场签证记录的手续不够完整或相对缺乏，就会大大增加工程结算的难度。因此工程完工之后，就要求表面上看不到的工程都必须翔实地记录在案——图纸上找不到的内容都必须一一记录下来。只有认真做好隐蔽工程的验收记录，并对施工现场的每一项隐蔽工程签证实行严格控制，才能以有效签证后的隐蔽工程量作为编制结算的依据。否则，在结算中就应该视它为不存在（记录的数据应该准确明了，如需画简图的应该画出施工简图）。工程量的计算更要求有详细的计算过程和计算依据做计算基础。隐蔽工程资料的记录要及时准确，并在经过了现场监理的亲自确认和盖章后才能作为结算的依据。虚拟仿真技术在隐蔽工程上的应用具有了一定的超前意识。即可以通过对隐蔽工程的施工建设建立相对应的数字模型，从而获得真正施工过程中关于隐蔽工程的相关资料，进而对整体的施工建设产生一定的影响。
钢结构建筑物的施工是一项极为重要和复杂的课题，因为虚拟仿真技术在这一项目中占有的举足轻重的位置，足可见该项技术在实际生产中所起的关键作用。在现代的复杂空间钢结构的施工中，它的成型过程就是一个由部分到整体逐步完善的过程。在不同的施工阶段，它所呈现出的结构形态、边界条件、负载情况和受力特性等都不尽相同。在安装完成一个阶段后，此时的结构暂时处在一个平衡状态。在下一个阶段的结构接着进行时，新安装的部分便会对业已安装好的那一部分产生一定程度的影响，以期两者达到新的平衡。于是这样一个阶段接一个阶段地安装下去，所有的结构便都会需求找到一个新的最后的平衡。因为在安装的过程中结构所受力的因素较多且复杂，加之不同的施工方法，所以在传统模式下要实现对施工全程的每一个细枝末节都巨细无遗地进行完整细致的分析，在技术层面和理论层面上均是几乎不可能的。如果没有做好施工分析，必然导致施工过程无法在正确有效的指导条件下进行，而所造成的结果，轻则是浪费了资源、不可避免地增加了施工的成本，重则会出现无法预料的安全事故甚至危及施工人员的生命安全，从而造成无法估量的重大损失。经过大量的工程实践所得出的结论，可以看出施工阶段是各种事故频发的一个高峰期。一旦处理上出现不慎操作，大祸即刻酿成。分析众多的工程事故案例可以得知，大部分的安全事故就是因为对施工分析的不够周密所致。而虚拟仿真技术便可以对空间结构进行施工全程的跟踪分析，及时发现施工过程中最危险的阶段，并且立刻采取控制措施。这对工程设计、施工安全的最优化等无疑具有非常重要的意义。
3 虚拟仿真技术在实际施工应用中的分析
建筑施工过程其实就是把施工设计图建成实物的过程。传统的施工执行过程中，很难做到完全按照设计要求实施。因为施工的方式方法如此多样化，并且很容易随着实际情况的变化而变化。于是,“施工经验”即成为传统模式下使施工方法和组织达到最优化的唯一手段。由此也出现了很多施工方面的失误。导致这一现象的原因就是：仅仅依靠这种“施工经验”必然受其局限性所限。尤其现在的很多建筑已经采用了全新结构，施工条件的复杂程度今非昔比，如果依然一味地以过去的经验手段控制施工，将造成盲目性、主观性以及随意性等诸多缺陷，全面性、周密性和客观性的缺失无疑将导致很多问题的出现，比如施工质量问题、成本难以准确控制问题、能耗过量问题以及施工过程中的人身安全问题等。通过分析，从已经造成的建筑施工事故报告中不难发现，许多造成了重大损失（包括人员及财产损失）的事故都是因为仅仅凭着主观臆断和过分依赖过去的施工经验而发生的。虚拟仿真技术在建筑施工领域的应用，大大地弥补了这一缺陷。虚拟仿真技术完全支持下建立起来的设计数字几何模型和施工，利用了其交互性、高度仿真性，使得施工人员、设计师和业主均可根据自己的实际需求进行施工模拟实验，为制定最佳最合理的施工计划找到了途径，从而实现了成本大幅度降低，工期极大地缩短，避免了不必要的施工浪费同时工程质量也得到了大幅提升。
上海正大广场（如图1-1）的施工建设即是虚拟仿真技术在建筑领域实际应用的典型案例。上海正大广场位于上海浦东陆家嘴国际金融贸易区，是目前国内单位面积最大的工程之一（总建筑面积达24.1万平方米）负责承建的中国建筑三局、原华中理工大学、中建三局三公司等有关专家和工程技术人员经过历时半年的专项研究和探索，针对上海正大广场项目建筑功能、结构和设计关系的复杂以及工程量大、施工难度大、工期短的特点，联合开发出了正大广场施工虚拟仿真系統。通过对该系统的研究和实验，成功地达到了施工建设所预期的三大目标：第一是在建筑物建成之前，虚拟显现建筑物建成之后周边环境的状况；第二是虚拟仿真系统的核心部分——即在钢结构施工之前，在计算机所建立的模型上完成各种构件的拼装、吊装方案的多种试验和相关优化工作；三是应力和变形分析（包括了桅杆起重机和吊装屋架内力的分析以及焊接应力应变的分析）这套系统同时在技术实践领域取得了骄人的成果：由二维设计图纸快速生成三维土建模型；对数据库采用逻辑化的层次场景进行描述；实施施工过程中的三维全视觉仿真等等，这些都为今后该项技术在建筑施工领域内的推广及应用打下了良好的基础。
图1-1
4 结束语
总之，虚拟仿真技术推广到建筑施工中的应用，体现在极大地降低了施工成本和安全风险，从而使施工控制的最优化得以实现。虚拟仿真技术在各个领域中所起到的不可或缺的作用，尤其在建筑施工领域显得更加重要，值得我们投入更多的精力与时间去研究。
参考文献：
[1]张希黔，张利.虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用现状和展望[J].施工技术，20010,3（8）.
[2]张宏胜，江舟，张希黔，等.虚拟仿真技术在钢构结构预应力拉索施工中的应用[J].施工技术，2004,33（7）
【关键词】仿真技术；仿真模型
虚拟仿真技术的形成和发展已经有半个多世纪的时间了。在这期间，这项技术从无到有、从简单到复杂、从建立理论体系到生产实践应用、从最初的辅助学科到如今成为解决重大工程问题的必要手段，仿真技术在多项技术（包括计算机技术、网络技术、多媒体技术、信息处理技术、图形图像技术、系统工程和控制论等）的支持、交叉、相互融合下，已经逐渐地成为了一门交叉科学，乃至一种认识客观世界的重要方法。
1 虚拟仿真技术的概念及发展史
虚拟仿真属于基础性学科的一门。仿真技术是建立在控制理论、相似原理、数学模型与计算机技术、信息技术、系统技术及其应用领域相关专业技术的基础上，以计算机和多种专用物理效应设备为实施工具，以系统模型为借助途径，对实际的或假设的系统进行动态试验研究的一门新兴的综合性技术。属于一种可控制、耗费小、无破坏性并且可以进行多次重复的实验手段。它的主要特点有：高效、优质、低廉，体现出强大的生命力和潜在的巨大能力。迄今为止，虚拟仿真技术是最为有效的经济的综合集成法，也成为了推动技术实质进步的一门战略技术。仿真就是建立系统的模型（比如数学模型、物理效应模型以及兼合两者的数学-物理效应模型），在此类模型上进行试验和研究一个实际的或设想中的系统。包括土木、机械、电子、水力、声学、热学等在内的技术系统；同时也涵盖了社会、经济、生态、生物和管理系统等在内的传统非技术系统。虚拟仿真系统的发展应该从仿真器开始。美国空军的林克机练习器诞生于一九二九年。火炮控制系统和飞行控制动力学系统的相关研究在二战后期得到了前所未有的关注，从而促进了仿真技术的发展。上世纪七十年代后，仿真技术在军事领域的发展非常迅速，并且从最初的军事方面渐渐扩展到其他工业领域。但这仍旧只是该项技术发展的初级阶段。美国国防部高级研究计划局和美国陆军在上世纪八十年代共同制定了SIMNET计划并投入了大量的精力到该项计划的研究和执行中。先进的实物仿真实验室最先在美国空军建立，各部门紧随其后纷纷建设分布式交互仿真系统、并行式交互仿真系统以及聚合式仿真系统。于是虚拟仿真技术在这一时期达到了较高级的阶段。到了二十世纪末和本世纪初，科学研究领域适时地掀起了一股针对广泛领域的复杂性问题研究的热潮。复杂性即是针对简单性的否定，复杂问题的提出，客观上推动了整体论、系统论的发展。至此，虚拟仿真技术终于进入了今天的研究复杂系统仿真的崭新阶段。
现代虚拟仿真技术的发展和控制工程、系统工程及计算机技术的发展是密不可分的。比如控制工程和系统工程的发展在客观上极大地促进了仿真技术的广泛应用，而计算机的出现以及相应的计算机技术的飞速发展，则为仿真技术的发展提供了强有力的手段和工具。
2 虚拟仿真技术的应用领域
从虚拟仿真技术的诞生和发展历史可以看出，该项技术最早应用在军事领域（最早的仿真器即是由美国空军制造）比如航天器、航海模拟以及高能武器模拟等。其中，美国的综合战区演练计划、欧洲大型军事演习等均体现出虚拟仿真技术在军事领域中无可替代的重要性和实效性。伴随着国民经济的高速发展，仿真技术必然而然地被推广到了国民经济的各个领域，也成为了系统工程中的有力工具和科学方法。同时仿真技术由于在工业系统的各项应用中带来了实质性的巨大利益，也成为工程结算中非常重要的依据资料。（一）原材料质量记录在结算中的作用：建筑原材料在进入施工现场后必须要进行检验，只有合格的原材料才能被使用，但往往出现这样的情况：设计需要的是DN108镀锌钢管，可市面上出售的却是DN100型镀锌钢管；保温和防水材料大抵都存在着一个密度上的问题，不同的材料因物而异，建设单位总是要求使用质量过硬的好材料。遇到这样的情况就需要现场施工人员做好原材料的记录，在取得建设单位的签字确认后，在结算时便可根据原材料的记录从而调整材料的价差。（二）隐蔽工程记录在结算中的作用：隐蔽工程是随着施工过程的发展而发生的，在做工程结算时较难掌握。因为隐蔽工程在整个工程造价中所占比重较大，所谓做好隐蔽工程的记录就是要做好工程内在的实况记录。由于隐蔽工程在整体项目建成以后便无法看到，所以一旦现场签证记录的手续不够完整或相对缺乏，就会大大增加工程结算的难度。因此工程完工之后，就要求表面上看不到的工程都必须翔实地记录在案——图纸上找不到的内容都必须一一记录下来。只有认真做好隐蔽工程的验收记录，并对施工现场的每一项隐蔽工程签证实行严格控制，才能以有效签证后的隐蔽工程量作为编制结算的依据。否则，在结算中就应该视它为不存在（记录的数据应该准确明了，如需画简图的应该画出施工简图）。工程量的计算更要求有详细的计算过程和计算依据做计算基础。隐蔽工程资料的记录要及时准确，并在经过了现场监理的亲自确认和盖章后才能作为结算的依据。虚拟仿真技术在隐蔽工程上的应用具有了一定的超前意识。即可以通过对隐蔽工程的施工建设建立相对应的数字模型，从而获得真正施工过程中关于隐蔽工程的相关资料，进而对整体的施工建设产生一定的影响。
钢结构建筑物的施工是一项极为重要和复杂的课题，因为虚拟仿真技术在这一项目中占有的举足轻重的位置，足可见该项技术在实际生产中所起的关键作用。在现代的复杂空间钢结构的施工中，它的成型过程就是一个由部分到整体逐步完善的过程。在不同的施工阶段，它所呈现出的结构形态、边界条件、负载情况和受力特性等都不尽相同。在安装完成一个阶段后，此时的结构暂时处在一个平衡状态。在下一个阶段的结构接着进行时，新安装的部分便会对业已安装好的那一部分产生一定程度的影响，以期两者达到新的平衡。于是这样一个阶段接一个阶段地安装下去，所有的结构便都会需求找到一个新的最后的平衡。因为在安装的过程中结构所受力的因素较多且复杂，加之不同的施工方法，所以在传统模式下要实现对施工全程的每一个细枝末节都巨细无遗地进行完整细致的分析，在技术层面和理论层面上均是几乎不可能的。如果没有做好施工分析，必然导致施工过程无法在正确有效的指导条件下进行，而所造成的结果，轻则是浪费了资源、不可避免地增加了施工的成本，重则会出现无法预料的安全事故甚至危及施工人员的生命安全，从而造成无法估量的重大损失。经过大量的工程实践所得出的结论，可以看出施工阶段是各种事故频发的一个高峰期。一旦处理上出现不慎操作，大祸即刻酿成。分析众多的工程事故案例可以得知，大部分的安全事故就是因为对施工分析的不够周密所致。而虚拟仿真技术便可以对空间结构进行施工全程的跟踪分析，及时发现施工过程中最危险的阶段，并且立刻采取控制措施。这对工程设计、施工安全的最优化等无疑具有非常重要的意义。
3 虚拟仿真技术在实际施工应用中的分析
建筑施工过程其实就是把施工设计图建成实物的过程。传统的施工执行过程中，很难做到完全按照设计要求实施。因为施工的方式方法如此多样化，并且很容易随着实际情况的变化而变化。于是,“施工经验”即成为传统模式下使施工方法和组织达到最优化的唯一手段。由此也出现了很多施工方面的失误。导致这一现象的原因就是：仅仅依靠这种“施工经验”必然受其局限性所限。尤其现在的很多建筑已经采用了全新结构，施工条件的复杂程度今非昔比，如果依然一味地以过去的经验手段控制施工，将造成盲目性、主观性以及随意性等诸多缺陷，全面性、周密性和客观性的缺失无疑将导致很多问题的出现，比如施工质量问题、成本难以准确控制问题、能耗过量问题以及施工过程中的人身安全问题等。通过分析，从已经造成的建筑施工事故报告中不难发现，许多造成了重大损失（包括人员及财产损失）的事故都是因为仅仅凭着主观臆断和过分依赖过去的施工经验而发生的。虚拟仿真技术在建筑施工领域的应用，大大地弥补了这一缺陷。虚拟仿真技术完全支持下建立起来的设计数字几何模型和施工，利用了其交互性、高度仿真性，使得施工人员、设计师和业主均可根据自己的实际需求进行施工模拟实验，为制定最佳最合理的施工计划找到了途径，从而实现了成本大幅度降低，工期极大地缩短，避免了不必要的施工浪费同时工程质量也得到了大幅提升。
上海正大广场（如图1-1）的施工建设即是虚拟仿真技术在建筑领域实际应用的典型案例。上海正大广场位于上海浦东陆家嘴国际金融贸易区，是目前国内单位面积最大的工程之一（总建筑面积达24.1万平方米）负责承建的中国建筑三局、原华中理工大学、中建三局三公司等有关专家和工程技术人员经过历时半年的专项研究和探索，针对上海正大广场项目建筑功能、结构和设计关系的复杂以及工程量大、施工难度大、工期短的特点，联合开发出了正大广场施工虚拟仿真系統。通过对该系统的研究和实验，成功地达到了施工建设所预期的三大目标：第一是在建筑物建成之前，虚拟显现建筑物建成之后周边环境的状况；第二是虚拟仿真系统的核心部分——即在钢结构施工之前，在计算机所建立的模型上完成各种构件的拼装、吊装方案的多种试验和相关优化工作；三是应力和变形分析（包括了桅杆起重机和吊装屋架内力的分析以及焊接应力应变的分析）这套系统同时在技术实践领域取得了骄人的成果：由二维设计图纸快速生成三维土建模型；对数据库采用逻辑化的层次场景进行描述；实施施工过程中的三维全视觉仿真等等，这些都为今后该项技术在建筑施工领域内的推广及应用打下了良好的基础。
图1-1
4 结束语
总之，虚拟仿真技术推广到建筑施工中的应用，体现在极大地降低了施工成本和安全风险，从而使施工控制的最优化得以实现。虚拟仿真技术在各个领域中所起到的不可或缺的作用，尤其在建筑施工领域显得更加重要，值得我们投入更多的精力与时间去研究。
参考文献：
[1]张希黔，张利.虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用现状和展望[J].施工技术，20010,3（8）.
[2]张宏胜，江舟，张希黔，等.虚拟仿真技术在钢构结构预应力拉索施工中的应用[J].施工技术，2004,33（7）