隨著現代科學技術的發展，虛擬技術與仿真技術的有效整合，并成功應用于設計、施工中，大大改變了傳統的設計、施工模式。那么，究竟什么是虛擬仿真技術呢？它在建筑施工中是如何應用的呢？虛擬仿真技術概概述從傳統的系統仿仿真技術來看看，幾乎很少少涉及到仿真真人的感知模模型。也就是是，無法模擬擬人對外界的的感知情況。隨隨著計算機技技術、多媒體體技術、仿真真技術和傳感感技術的發展展,人們開始了了人對外界環環境感知模型型的研究。虛虛擬仿真技術術的完美結合合，利用虛擬擬現實技術進進行仿真模型型的建立和試試驗的模擬,,使仿真的過過程和結果可可以實現圖像像化、可視化化,使仿真的系系統具有三維維、實時交互互、屬性提取取等特征,極大地促進進了仿真技術術的發展,同時也使虛虛擬現實技術術更加具有生生命力。虛擬擬仿真技術是是通過建立研研究系統的模模型,結合環境(實際或模擬擬)條件進行研研究、分析和和實驗的方法法。虛擬現實實(VR)是在在仿真技術的的基礎上發展展起來的,是仿真的高高級階段;仿真器系統統正在向虛擬擬環境系統演演變。虛擬現現實促進了仿仿真技術的發發展。兩者都都是對現實世世界的模擬,,即都是基于于模型的活動動,而且都力圖圖通過計算機機及各類裝置置達到現實世世界盡可能精精確的再現。虛虛擬現實技術術和仿真技術術的結合形成成了虛似仿真真技術。虛擬仿真技術分分類（1）系統仿真真技術仿真(simuulatioon)屬于一一門基礎性學學科。仿真技技術是以控制制理論、相似似原理、數學學模型與計算算技術、信息息技術、系統統技術及其應應用領域相關關專業技術為為基礎,以計算機和和多種專用物物理效應設備備為工具,借助系統模模型,對實際的或或設想的系統統進行動態試試驗研究的一一門新興綜合合性技術。它它屬于一種可可控制、無破破壞性、耗費費小、并允許許多次重復的的試驗手段。它它以其高效、優優質、低廉體體現強大的生生命力和潛在在的能力。它它是迄今為止止最有效的經經濟的綜合集集成方法,是推動技術術進步的戰略略技術。仿真真就是建立系系統的模型((數學模型、物物理效應模型型或數學-物理效應模模型),并在模型型上進行試驗驗和研究一個個存在的或設設計中的系統統。包括技術術系統,如土木、機機械、電子、水水力、聲學、熱熱學等，也包括社會會、經濟、生生態、生物和和管理系統等等非技術系統統?，F代仿真真技術的發展展與控制工程程、系統工程程及計算機技技術的發展密密切相關?？乜刂乒こ毯拖迪到y工程的發發展促進了仿仿真技術的廣廣泛應用,而計算機的的出現及計算算技術的迅猛猛發展,則為仿真提提供了強有力力的手段和工工具。在系統統運行前,利用仿真模模型作為預測測器,向用戶提供供系統運行起起來后,可能產生什什么現象，以便用戶修修訂計劃或決決策;利用仿真模模型作為訓練練器,訓練系統操操縱人員或管管理人員。在在工程領域,,仿真技術可可以降低系統統的研制成本本,提高系統試試驗、調試和和訓練過程的的安全。一般認為,建立立模型是仿真真的第一步,,也是十分重重要的一步。傳傳統仿真技術術中,一個仿真系系統要首先建建立起系統的的數學模型————一次仿仿真模型,然后再改寫寫成適合計算算機處理的形形式———仿仿真模型。仿仿真模型可以以說是系統二二次近似模型型。建立起仿仿真模型后,,才能書寫相應應的程序。仿真基本上是一一種通過試驗驗求解的技術術。通過仿真真試驗要了解解系統中各變變量之間的關關系,觀察系統模模型變量變化化的全過程,,此外,為了對仿真真模型進行深深入研究和結結果優化,必須進行多多次運行、系系統優化等工工作,因此,良好的人機機交互性是系系統仿真的一一個重要特性性。（2）虛擬現現實技術虛擬現實(viirtuallrealiity—VR),又稱稱靈境技術,,實際上是一一種采用計算算機技術制作作模擬仿真的的假想世界技技術。它采用用計算機產生生一個被模擬擬仿真世界的的動態三維視視覺環境,使操作者產產生一種身臨臨其境的感覺覺,對探討大量量需要借助形形象思維的問問題頗有幫助助。采用此項項新技術,參與者使用用硬件,如數據手套套、鼠標器、跟跟蹤球、操縱縱桿、頭盔式式顯示器、護護目鏡、耳機機及數據配合合獲得所需的的感知,來體驗計算算機世界境況況。VR環境系統統包括建模、控控制及媒體數數據源三大部部分。建模是是指利用物理理的或數字的的方法,對需要仿真真的實際系統統進行描述獲獲得近似的數數字模型。這這是進行數字字仿真或半實實物仿真必不不可少的步驟驟。建模是仿仿真的基礎,,亦是仿真的的結果,研究新型建建模仿真方法法是其首要任任務。三維立立體顯示是其其一項必不可可少的關鍵技技術,它是系統向向用戶輸出反反饋信息的主主要手段。（3）系統仿真真技術與虛擬擬現實技術的的結合傳統的系統仿真真技術很少研研究人的感知知模型的仿真真,因而無法模模擬人對外界界環境的感知知(聽覺、視覺覺、觸覺)。隨著多媒媒體技術、計計算機動畫、傳傳感技術的發發展,計算機模擬擬外界環境對對人的感官刺刺激開始成為為可能。事實實證明,人類對于圖圖像、聲音等等感官信息的的理解能力遠遠遠大于數字字和文字等抽抽象信息的理理解能力。將將仿真技術與與虛擬現實技技術相結合,,利用虛擬現現實技術進行行仿真模型的的建立和試驗驗的模擬,使仿真的過過程和結果可可以實現圖像像化、可視化化,使仿真的系系統具有三維維、實時交互互、屬性提取取等特征,極大地促進進了仿真技術術的發展,同時也使虛虛擬現實技術術更加具有生生命力。2虛擬仿真技技術在建筑施施工中的應用用2.1虛擬建建造技術的應應用建筑工程施工是是一項將設計計圖建成實物物的復雜工作作。其施工方方法和組織程程序都存在多多樣性、多變變性的特點。目目前,對施工方法法和施工組織織的優化主要要建立在施工工經驗基礎上上。依靠施工工經驗對施工工進行控制和和優化,具有一定的的局限性。特特別是在全新新結構或復雜雜條件下的施施工,依靠經驗對對工程施工的的可行性、控控制優化、事事故預測和生生產調度優化化等各方面的的分析和預測測,可能會由于于思維慣性而而忽略重要結結果或由于力力不從心只能能分析局部和和少量結果,,更無法開展展定量分析。建建筑虛擬施工工技術是將以以虛擬現實為為基礎的仿真真技術應用于于建筑施工領領域,利用虛擬現現實技術建立立建筑物的幾幾何模型和施施工過程模型型,對施工方案案進行實時、交交互、逼真的的模擬,驗證對比和和優化,進而采用數數字化手段制制定和修改施施工方案,并逐步代替替傳統的施工工方案編制方方法。其實施施過程如圖所所示。虛擬建造技術應應用流程2.1.1工工程概況正大廣場位于于上海浦東陸陸家嘴東方明明珠電視塔下下。平面基本本呈矩形,地下3層,地上10層,長約260mm,寬約100mm,總高度50mm,總建筑面面積達24..3萬m2,是集商商業、餐飲、娛娛樂為一體的的綜合性建筑筑。由于建筑筑規模、設計計造型要求,,本建筑采用用了大量鋼結結構,構件數量規規格繁多,各種不同類類型的構件約約30000余件、共5600t,,而結構吊裝裝工期僅855d,且鋼結結構主要集中中在8層以上,重、大型構構件又集中在在建筑物腹地地。單件超大大超長,安裝高度各各異,大多數構件件只能用桅桿桿式起重機安安裝,吊裝有較大大難度。吊裝裝過程中任何何失誤都可能能造成難以估估量的損失,,其施工組織織和施工技術術亟需應用全全新的技術手手段進行驗證證。上海正大大廣場的虛擬擬施工技術以以滿足生產需需求為目標,,利用虛擬現現實技術,通過建立三三維模型,對施工全過過程進行三維維可視化模擬擬,在施工前了了解各種構件件在實際結構構中的相對位位置和相互關關系,對多種施工工方案進行模模擬、驗證、對對比和優化,,并提供相應應的施工和安安全控制參數數。2.1.2仿仿真系統的主主要內容1)外景仿真在建筑物建成前前,虛擬建筑物物建成后的周周圍環境。將將正大廣場按按設計圖紙詳詳細建模渲染染,并將附近建建筑、場景、道道路、黃浦江江等建模渲染染。系統實現現了觀察者不不同的觀察角角度和漫游方方式。在場景景中加入海洋洋效果、聲音音仿真等特效效,使場景更顯顯真實并具有有動感,沉浸感更強強。在漫游中中實現碰撞檢檢測功能,使漫游場景景中的各種實實體能真實反反映現實生活活中的各種狀狀況。2)吊裝仿真這是系統的核心心部分。鋼結結構施工前在在計算機上完完成各種構件件配裝、吊裝裝的多種試驗驗和優化工作作。同時利用用多點決策理理論,采用兩榀屋屋架同時裝配配方案,使裝配-吊裝過程連連續進行。正正大廣場鋼結結構數量多、規規格雜、分布布散。施工方方案選用6臺塔式起重重機和5部桅桿式起起重機進行吊吊裝。按每個個構件的具體體吊裝方法及及整個吊裝過過程的先后順順序,對每個吊裝裝過程進行吊吊裝虛擬。吊吊裝過程采用用GSL編程實實現。針對不不同的吊裝過過程采用不同同的計算方法法。對塔式起起重機雙機抬抬吊采用反運運動學算法。通過正在吊裝的的鋼結構主梁梁的空間位置置,算出吊裝的的轉角和小車車的運動行程程。塔式起重重機及桅桿式式起重機單機機起吊吊裝動動作則首先通通過手動操作作塔式起重機機或桅桿起重重機運動,在不斷試驗驗中尋找將構構件吊裝到位位并能避開障障礙的最佳運運動軌跡,并記錄此軌軌跡上的每一一個轉折點,,以及在此點點上塔式起重重機和桅桿起起重機的運動動參數。然后后用GSL語言實實現吊裝動作作。在吊裝試試驗過程中,,為解決依靠靠視覺判斷是是否存在構件件干涉,無法克服三三維模型顯示示在二維屏幕幕上存在的視視覺誤差問題題,系統中加入入了構件的實實時碰撞檢測測功能。當構構件之間出現現碰撞干涉時時,相應的構件件顏色將產生生變化以提醒醒用戶。3)應力和變形形分析包括兩方面內容容:①桅桿起重重機主副臂、基基座、纜風繩繩和吊裝屋架架的應力分析析通過設計計分析軟件,,成功地對桅桅桿起重機吊吊裝動態過程程中,各種條件下下主臂、副臂臂、格構柱、纜纜風繩和混凝凝土基座的受受力狀況的有有關參數進行行計算,并對吊裝屋屋架的應力進進行對比分析析。②對典型型厚板的焊接接過程分析選擇典型的的箱形截面焊焊接過程進行行三維有限元元數值模擬。截截面有限元的的網格劃分了了8節點塊體單單元,同時考慮了了溫度使彈性性模量發生的的變化及鋼材材從彈性體※※塑性體※彈彈性體的變化化過程,力學模型采采用了非線性性的熱彈塑性性模型。經過過連續計算,,獲得了箱形形截面的一次次焊接和多層層焊接的溫度度場、應力場場和應變場的的變化規律。土釘墻施工場景景灌注樁施工場景景土層錨桿施工場場景2.1.3應應用成效正大廣場的施工工虛擬仿真是是國內首次嘗嘗試仿真技術術應用于建筑筑工程,它對施工全全過程進行模模擬,在施工前了了解各種構件件在實際結構構中的相對位位置及相互關關系,試驗多種施施工方法,計算相應工工況應力,對吊裝方法法、順序和吊吊裝線路進行行優化。通過過正大廣場的的施工實踐,,取得了良好好的應用成效效,主要體現如如下。1)通過試驗多多種施工方案案,可以在施工工前發現問題題,優化方案,有助于縮短短工期,保障施工安安全和工程質質量。通過實實施施工虛擬擬仿真系統發發現原有施工工方案中存在在的若干不合合理設想和安安全隱患,并提供可靠靠的解決施工工方案。對原原方案中桅桿桿起重機的纜纜風繩布置進進行優化,減少吊裝過過程中安、拆拆纜風繩的次次數。2)實現了施工工過程的實時時視覺仿真,,有利于進行行施工前的操操作和安全交交底。3)利用多點決決策優化理論論優化裝配吊吊裝方案,提高施工工工效。4)開發桅桿起起重機內力分分析程序,提供了起重重機的安全運運行控制要求求,保障桅桿起起重機的安全全運行及屋架架的安全吊裝裝。5)采用三維有有限元法,獲得了數值值模擬箱形截截面焊接過程程的溫度、應應力和應變場場等數據和結結論,可有效地指指導施工現場場對焊接變形形的控制。6)對建筑物外外觀效果的仿仿真,有助于提高高建筑造型的的合理性和設設計進程,為施工提供供直觀指導。2.2復雜空空間鋼結構施施工虛擬仿真真分析復雜空間鋼結構構的施工成型型過程是一個個從局部到整整體的動態過過程,不同施工階階段有不同的的結構形態和和受力特性,,邊界條件和和荷載條件也也在變化。在在某一階段安安裝完成后,,結構暫時處處于一個平衡衡狀態,繼續安裝下下一階段的結結構時,由于變形協協調和內力重重分配,新安裝部分分往往會對已已安裝結構產產生影響,兩者協同變變形達到新的的平衡狀態。因因此結構最終終成型后的內內力、位移是是整個施工過過程中各個階階段的施工內內力、位移不不斷累積而成成的,不同的施工工方法和施工工過程對結構構最終成型時時的結構形態態和受力狀態態有很大影響響。安裝過程程影響結構受受力的因素眾眾多且相互關關聯,使得對空間間結構施工全全過程進行分分析具有相當當的難度。工工程實踐表明明,結構最危險險階段不一定定出現在結構構竣工以后,,而往往正是是結構未成型型時的臨時狀狀態。大量的的工程事故都都發生在施工工階段,而其中由于于設計中沒有有考慮施工過過程中的諸多多因素,或沒有對施施工過程中復雜及突發發情況進行應應有的受力分分析而引起的的占有相當比比例。因此,,考慮施工過過程對結構最最終成型的影影響,對空間結構構進行施工全全過程跟蹤仿仿真分析,找到施工過過程中的最危危險階段并采采取措施進行行控制,無論在理論論還是應用上上,對工程設計計、施工安全全及工程質量量都具有十分分重要的意義義。2.2.1工工程概況廣州體育館由主主場館、訓練練館、大眾活活動中心三部部分組成,可容納觀眾眾2萬名。每個個場館鋼屋蓋蓋均采用鋼支支座、鋼環梁梁、主桁架、輻輻射桁架、檁檁條、拉索等等組成大跨度度空間桁架交交叉支撐拉索索輕型鋼結構構體系,其幾何形狀狀均由圓錐體體在對稱軸兩兩側切去一部部分再合并而而成。主場館館跨度1600m×110m,,屋蓋上弦面面間距10mm,設有環向向主檁條,周邊端開間間設交叉鋼索索支撐,上弦面另有有4道徑向水平平交叉鋼索支支撐。輻射桁桁架間在上弦弦主檁條位置置加設環向垂垂直交叉鋼索索支撐,鋼索在各種種荷載作用下下均保持受拉拉狀態,并確保輻射射桁架下弦平平面穩定。主主檁條采用QQ345低合合金鋼,輻射桁架下下弦采用166Mn鋼,拉索采用鍍鍍鋅高強低松松弛預應力鋼鋼絞線,外包白色高高密度聚乙烯烯膜,裸索直徑155.2mm,,整體直徑188mm,強度度等級17700MPaa。主場館拉拉索共計8336根,其中垂直索索636根、水水平索2000根。本工程程索數量多,,構件幾何尺尺寸細長、剛剛度小、穩定定性差,索力精確度度要求很高,,設計要求所所有交叉鋼索索均施加255～40kN預應應力,屋蓋施工完完成后,垂直交叉索索應保持155～40kN以上上的預應力,,同時同一榀榀桁架的2根鋼索垂直直力差不得大大于5kN。而預預應力拉索在在張拉過程中中會相互影響響,要精確地確確定拉索張拉拉力十分復雜雜。一方面,,結構是一個個具有大量單單元的三維空空間結構,在114個平面面內每根拉索索內力都不相相同;另一方面,施加預應力力是多次進行行的,導致相互反反復影響,且張拉后還還要經歷主場場館拆除支撐撐對拉索的影影響。因此如如何確定拉索索施工順序和和張拉力,是否存在索索預應力損失失規律,如何確保拉拉索最終拉力力精度是施工工中的技術難難題。2.2.2仿仿真分析的主主要內容仿真分析的主要要內容有:①主桁架臨臨時鋼支撐方方案及設計;;②主桁架吊吊裝驗算;③輻射桁架架安裝過程主主桁架撓度變變化動態跟蹤蹤驗算;④輻射桁架架吊裝驗算;;⑤輻射桁架架吊裝過程;;⑥預應力拉拉索張拉對相相鄰桁架交叉叉索力的影響響范圍;⑦拆撐前后后索預應力損損失規律計算算;⑧拆除支撐撐后屋蓋中點點撓度計算及