虚拟仿真技术在土木工程中的应用

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-3335

基金项目：辽宁省职业技术教育学会科研规划项目《虚拟仿真技术在高职院校土建类专业实训教学中的应用》（项目编号：LZY22239）。

作者简介：杨帆（1985—），女，硕士，副教授，研究方向为从事现代混凝土外加剂及掺合料、工业废渣高性能水泥基复合材料、新型建筑材料等方面的教学和科研工作。

摘  要：土木工程中使用虚拟现实仿真技术可以对建筑的施工展开仿真测试，及时发现施工过程中没有发生或存在的问题。将虚拟计算机仿真技术运用到施工中，由于计算机生成的环境是虚拟的，所以人们对施工环境、施工流程等的感知都是现实的，施工人员就能够利用各种技术进行人与虚拟环境之间的互动，对虚拟环境实时应答。因此，根据虚拟仿真技术在土木工程中的应用予以分析。

关键词：虚拟仿真技术  土木工程  施工质量  建筑设计

中图分类号：TU753

利用虚拟计算机仿真技术构成施工体系的整体虚拟环境，人们通过利用虚拟环境进行对施工实体的分析与管理，人与施工实体之间的互动，可以完全适应土木建筑施工、仿真技术的发展需要。虚拟仿真技术可以有效提高施工的整体质量。从选择最优或优化的施工方案入手，提高对施工过程、空间和安全的控制，以最大限度地提高建筑的经济性、科技性。虚拟仿真技术虽然不能直接有效地模拟人的感知，但对提高施工质量和进度仍具有重要意义。

1  虚拟仿真技术在土木工程中的应用意义

虚拟仿真的突出特点就是可视化，其内容能以更为直观的方式呈现，本质上为可创建和体验虚拟环境的计算机系统，其中，虚拟环境由计算机生成，是现实世界的还原与构想，体验者通过各种传感方式，能够与虚拟环境产生交互。因此，虚拟仿真技术下所创建的虚拟环境，通过对三维世界的虚拟，能够让人们在此环境内产生更为真实的感受，在此虚拟的三维世界中，人们能实时感受实体对象的具体变化，通过目镜等传感设备的使用，体验者与虚拟世界在三维界面上产生交互，给体验者带来新鲜的感受。而其虚拟仿真技术在土木工程施工中具有以下意义。

1.1 设计优化

虚拟建筑仿真技术的基础是一种3D的建筑模式，某个位置的改变就会引起整个地方改变，这所带来的益处并不单单是可以自动地减少低级错误，也减少设计方面的问题，最值得一提的是降低成本。对于任何在建筑方面的小修改，都能够及时地体现到另一端相关软件中，从而减少重复性工作，消耗精力的损失。

1.2  沟通效能高

借助虚拟电脑仿真技术的应用，工程建设者还可以设立模型端口，使工程设备人员能够及时有效地接收到资讯，便于准确获取更新版的模型，从而大大减少以往工程项目中各专业人员在沟通信息方面的阻碍；同时，也可以将数据信息直接报告给相关的建筑管理者，在工程建设过程中与项目中其他各专业人员密切联系起来，以便于使工程总体在设计方案开工之初即实现有效沟通。

1.3  虚拟施工

由于计算机技术在建筑中的引入，各类建筑百般出现问题，给建设施工方造成巨大挑战，但过去的施工技术也早已无法适应当今建设的实际需要。这样，计算机仿真技术在建设工程中就得到应用[1]。

1.4  碰撞检查

传统2D模型由于产品设计错、漏、碰、缺以及人工检测，会耗费大量的代价。运用虚拟现实的仿真技术创建3D可视化模型，通过使用碰撞检测软件并加以测试，能够直接处理物理空间上的关系冲突，大大改善设计，并减少在施工阶段可能出现的错误和在建造阶段出现的返工现象。运用可视化3D模型进行工地交底，提升的不仅仅是工地品质，还能提升项目的品质。

1.5  其余方面

随着大数据时代的发展，将虚拟现实技术越来越深入地运用在很多领域当中，如建筑行业当中，城市的整体规划也越发合理。

2  虚拟仿真技术特点

建筑企业应用新技术进行BIM管理和BIM成果展示符合行业趋势发展需求，同时也可作为BIM/VR虚拟仿真技术的先锋，增强整体实力，优化工程管理流程，节约企业成本，实现信息化工程管理的目的。采取BIM/VR技术作为工程管理及BIM成果展示的成本更低。BIM/VR虚拟仿真可以实现对BIM进度管理、BIM成本管理、BIM安全管理等综合应用，在建筑信息模型设计完成后，能在BIM/VR虚拟仿真施工整体建筑物特征，实际场景感受工程项目建成后的场景，并且能够在VR中进行施工进度模拟、施工变更管理和查看、对已经建成的建筑进行BIM运维。利用BIM/VR技术进行快速技能改造及真实场景模拟。项目管理人员可以利用BIM/VR虚拟技术实现工程细节管理过程，能够在工程实际施工建设之前得到项目建设方想要的和不想要的内容，这意味着最大限度地减少工程施工方案变更，节约工程管理成本。建设方也实现在筹建阶段通过真实场景模拟，对项目技术改造升级提出新要求的可能。虚拟仿真技术与BIM建筑信息模型技术的高效融合，实现技术与技术之间的互通，打通建筑工程与虚拟仿真技术应用之间的壁垒，让体验者拥有在工程中身临其境的真实体验，并且完全杜绝安全隐患，不出门即能实现对施工现场工程的管理，制订有效的施工方案与优化措施，对即将入场的工作人员进行三级安全教育，对工程管理有着诸多便利作用[2]。

3  虚拟仿真技术在土木工程中的应用

3.1  施工组织设计方案的优选

建筑行业在我国有着较长的发展周期，在长时间发展的过程中，各个工程企业在参与土木建筑工程项目的过程中，越发重视施工组织设计方案，在项目中需要综合各种因素，制订最优的施工组织设计方案。传统的工作模式下，施工组织设计方案制订时，一般是直接总结工程经验，在后续按照此方案开展施工作业时，经常出现技术、安全等方面的问题。在技术不断进步的今天，很多建筑呈现出形式个性化、结构多样化的特点，在施工组织设计方案的制订上，必须通过虚拟仿真技术的使用，直观展示不同作业方法、施工方案、技术组织措施的效果，开展量化分析与对比，选择出最为科学的施工组织设计方案，指导后续施工作业。

3.2  土木建筑施工新技术、新工艺研发

建筑行业在长时间发展的过程中，很多专业人员在材料、工艺等方面开展一系列的创新工作，陆续出现多种的新工艺与新材料。但每一种新工艺与新材料都有各自的适用条件，利用虚拟仿真技术，有助于新技术与新工艺的研发。在传统的工艺与材料研发中，往往要开展大量的试验，试验中的人力、物力消耗大，也需要很长时间才能得出结论。而虚拟仿真技术的模拟特性，可在很短的时间内得到结论，极大程度上节约成本[3]。

3.3  施工质量控制

土木建筑工程项目中，进度与质量是施工过程中的重要部分，施工进度关乎工程的效益，而质量控制关乎工程的安全、功能；在原先的工程质量和进度要求中，主要为人员组织方面，一般都是在出现进度或者质量问题后，再针对性地处理。实际上，在当前建筑行业发展中，为促进工程各方面目标的实现，针对进度与质量控制，应开展全过程的工作，虚拟仿真技术的应用，有助于全过程的推行，在项目实施之前通过工程模型的构建，可在模型中整合信息，由模型自动制定进度、质量控制的对策，即使在后续施工中出现进度或者质量方面的问题，可直接从模型中调取有关的数据，将实际数据与计划数据加以对比，找出偏差，通过相应方式改进和施工调整。

3.4安全防范

当工程企业在项目实施中应用虚拟仿真技术后，可在正式的施工作业之前，根据对工程信息的掌握，在所构建的工程模型中直观展示现场可能出现的安全隐患，而虚拟模型中的安全虚拟子系统，可对现场的安全事故进行模拟，让施工人员有更为直观的感受，提前针对现场施工作业，制定安全防护措施、管理方案[4]。

3.5工程设计

在当前工程市场中，出现很多结构复杂的建筑物，这些复杂的建筑物中，前期的设计难度较大，如果依旧采用传统的人工设计方式，设计方案确定时需进行很多的计算工作，工作量大且经常出现计算错误，所得到的设计方案存在一定误差，难以满足工程的结构标准。而将虚拟仿真技术应用于这些大型、复杂结构的设计中后，能利用建模、模拟的方式展开设计，由计算机自动完成结构设计，可有效减小设计偏差[5]。

3.6建筑设计创作阶段

虚拟仿真技术的应用可以直接塑造设计人员直接体验的建筑设计空间，甚至可以使设计人员灵活地对空间比例、环境等进行感知，这对设计要素的利用、设计创造力的激发均具有重要作用。虚拟仿真技术中的虚拟现实技术通过虚拟环境模块、数据模块和设计分析三层结构的相互作用，既可以结合建筑专业知识和数据实现建筑设计，又可以对设计的效果进行验证和评估；而虚拟仿真技术中的生态建筑模拟技术可以对建筑环境中的太阳辐射、采光照明、建筑通风等方面进行模拟分析，使建筑设计的整体效果更加符合现实需要，建筑设计环境的真实感更加强烈[6]。并针对设计的细部在三维空间中进行针对性的推敲，切实感知建筑的灰空间、中性空间的合理性等，设计人员通过真人模型可以直接在设计空间中进行拟人化的活动，这对提升建筑空间的质量、合理利用建筑室外空间环境、合理地设置建筑室内的格局、感知建筑室内的光照强度等均提供可能，使建筑室内的热工环境更加满足人们对建筑舒适度的需要。

3.7建筑设计表现阶段虚拟仿真技术的应用

基于BIM及VR新技术，通过先进的硬件设备，让工程管理从视觉到感官模式发生新的变化，将传统的事后施工管理创新为事前施工模拟，直观展现工程项目成果、优化方案设计，并对方案进行实时的优化调整，以及获得实时的虚拟空间体验。在虚拟仿真技术中，设计人员不仅可以静止的状态对建筑进行感知，还能够以运动的状态体验建筑，建筑的造型、结构、装饰、环境等各方面均可以在虚拟仿真系统中统一呈现，这对提升建筑设计的说服力、感染力、真实性、全面性等具有积极作用。另外，在虚拟仿真技术中，设计人员可以对建筑的安全性、可靠性等各方面加以验证，如建筑的防排烟控制可行性、建筑疏散线路设计科学性等。可见，虚拟仿真技术的应用对提升建筑设计的表现性效果明显。在设计前设计人员可以利用Ecotect生态建筑设计软件对建筑当地的气候特征、设计策略等展开分析，为建筑设计提供依据，然后利用VRP虚拟现实技术和Ecotect生态建筑设计软件分别对建筑定性和定量分析设计，将设计的结果直接综合表现，业主即使对建筑设计的专业知识掌握有限，但其通过真实感强烈、体验性突出的虚拟仿真设计效果图也可以对设计进行系统的感知，这对优化设计人员与业主之间的沟通，提升设计施工的可操作性等方面意义突出。

4  结语

综上所述，虚拟仿真技术在土木工程中的应用能够优化建筑工程质量。在此过程中，相关人员需要提高重视，通过采取科学的方式对虚拟仿真技术深入分析，以此充分掌握此技术，并将其完美落实，从而促进虚拟仿真技术在土木工程中的应用，提高整体施工质量。

参考文献

杨庆，张金利，虞杨，等.绿色基础工程虚拟仿真实验项目的构建与应用[J].实验室科学，2023，26（4）：1-5.

[2]倪天予.BIM虚拟仿真技术在装配式建筑施工中的应用[J].集成电路应用，2023，40（8）：352-353.

[3]张栋樑，王永志，廖少明，等.土木工程数字孪生建造技术研究进展[J].施工技术（中英文），2023，52（5）：1-12.

[4]张雷，王胜，杨希，等.现代建筑工程施工管理的创新举措研究[J].工业建筑，2023，53（S2）：844-846.

[5]刘莹，谭金颖，孙澄，等.虚拟仿真技术在建筑疏散领域的应用现状及发展趋势[J].世界建筑，2022（11）：60-61.

[6]刘宁，杨艳敏，徐丽娜.虚拟仿真技术在土木工程结构实验中的应用[J].科技视界，2022（28）：162-164.