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虚拟建造技术及其应用展望

摘要：虚拟建造是从虚拟制造概念基础上发展起来的，其本质是对实际建造施工过

程的计算机模拟和预演，从而实现施工中的事前控制和动态管理。虚拟建造支撑的

关键技术包括虚拟现实技术、仿真技术、优化技术、建模技术和各种软硬件环境平

台，形成了虚拟建造的系统体系。虚拟建造技术的应用将会开创一个全新的数字化

施工新时代。

关键词：虚拟建造；施工技术；现实；仿真

信息技术革命已对现代社会带来了巨大的冲击和影响，加快施工生产的信息化

是改造和提升传统建筑业、促使施工生产进步与发展的方向。研究与开发土木工程

施工技术的数字化与集成化，可促进我国建筑业的发展，改造和提升建筑业的生产

水平。虚拟建造技术就是基于计算机与信息技术的应用和借鉴先进制造业的技术而提

出的概念。

1.虚拟建造的概念

虚拟建造（VirtualConstruction）,简称VC,是实际建造过程在计算机上的本

质实现。它采用计算机仿真与虚拟现实、建模等技术，在高性能计算机及高速网

络的支持下，在计算机上群组协同工作，对建造活动中的人、材、物、信息流动过程

进行全面的仿真再现，发现建造中可能出现的问题，在实际投资、设计或施工活

动之前即可采取预防措施，从而达到项目的可控性，并降低成本、缩短开发周

期，在增强建筑产品竞争力的同时，增强各企业在各级建造过程中的决策、优化与控

制能力。不难看出，虚拟建造技术是一种跨学科的综合性技术，它包括产品数字

化定义、仿真、可视化、虚拟现实、数据集成、优化等。虚拟建造不消耗现实资源和

能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。从上述定义可以看

出，借助虚拟建造技术，工程师能够像在真实环境下一样对建设过程进行分格和优

化设计，在计算机中对建筑产品进行各种实时分析，如力学分析、工效分析、干涉

分析、施工工艺分析等，然后迅速地修改建筑物的外观、结构、材质和施工工艺等。

这种功能为建造商提供了前所未有的技术手段，使他们更快、更全面地了解想像中

的产品施工过程，提高了他们的竞争力；还能使业主、设计者和施工者在策划、

投资、设计和施工前能够首先看到并了解建造的过程和结果。

虚拟建造系统（VCS）是现实建造系统在虚拟环境下的映射，与真实产品的生命

周期一样，虚拟建造产品的生命周期应覆盖规划设计和施工管理等过程，因此可通

过统一建模，建立以设计为中心的VCS设计主导型）,以施工为中心的VCS生产主导

型）.以及以管理控制为中心的VCS管理主导型）3个子系统，构成完整的虚拟建造

系统。

以设计为中心的虚拟建造把施工信息引入到设计全过程，利用仿真技术来优化

建筑和结构设计，从而在设计阶段即可对所设计的建筑甚至构件的制作、安装进行

可实现性分析-包括施工过程的工艺分析、力学分析、运动部件的运动学和动力学分

析等.，以及工期、成本、质量等的分析，它主要解决“设计出来的建筑是怎样的

建筑”的问题。以施工为中心的虚拟建造是在施工过程模型中融入仿真技术，以此

来评估和优化施工过程，以便低费用、快速地评价不同的施工方案、材料需求规划、

工期安排等，其主要目标是评价施工的合理性。它主要解决“这种组织施工是否合

理”的问题。以管理控制为中心的虚拟建造是将仿真以及其他管理应用软件加到控制

模型和实际处理中，实现基于仿真的计划管理控制系统。它利用计算机软硬件的强

大功能，将建造过程的相关管理要素进行计划和实施控制，使之和具体建造过程相

对应。它主要解决“应如何去管理和控制”的问题。

从上述定义看，虚拟建造是对施工过程中的各个环节进行统一建模，形成一

个可运行的虚拟建造环境，以软件技术为支撑，借助于高性能的硬件，生成数字

化产品，形象地再现施工建造的全过程。它是数字化形式的广义建造系统，是对实

际建造过程的动态模拟。虚拟建造具有高度集成、敏捷灵活、分布合作、高度并行等

特点。

2虚拟建造的技术体系

虚拟建造涉及多个学科领域，是对这些领域知识的综合集成与应用，而其中

虚拟现实技术、仿真技术、建模技术和优化技术是虚拟建造的核心与关键技术。

2.1虚拟现实技术

虚拟现实技术首先应用于机械制造领域。迄今，虚拟现实技术在制造业已经有

了多方面的发展，并取得了宝贵的经验。正是基于虚拟制造技术的基础和启发，才

提出了虚拟建造理论