施工虚拟仿真建造技术的优化应用

随着工程建设项目结构体系不断向大型化、复杂化发展，追求创新和创意的工程结构体系导致了施工和安装的难度越来越大，增加了施工过程中出现的不确定因素，变更风险和安全隐患随之而增加。在工程施工前对施工全过程进行数字化虚拟仿真，包括结构过程力学仿真、施工工艺模拟、虚拟建造等，可以提前暴露施工过程中可能出现的各种问题，为施工方案的确定和调整提供依据，有利于实现工程建设各方面目标的最优化。

虚拟仿真技术是用虚拟现实和仿真技术在工程施工领域进行工程预演。虚拟仿真技术实现的前提条件是数字化模型的建立。目前在建筑工程中主要依靠BIM 技术来搭建数字化模型。数字化模型承载了建筑物的功能和构造信息，作为建筑信息的载体，BIM 技术能够支撑建筑全寿命周期各个阶段的数字化应用，实现精细化管理。综合考虑时间、经济、成本、环境等维度属性，关键维度数字模型分析方法可实现施工进度优化、力学分析、场地布局等方面的仿真模拟，从而优化施工工艺、提高施工效率。

建设项目的数字化模型利用BIM 建模平台，参数化描述方式为特征，包括建筑模型、结构模型、MEP 模型等3 个核心模型，核心模型是虚拟仿真的基础模型，在项目概念设计、初步设计、技术设计等各阶段逐步完善和迭代结构参数、材料参数、施工工法等信息。在施工前准备阶段，以核心模型为基础，利用虚拟仿真建造技术对施工过程进行模拟，可以进行多方案的碰撞情况、力学状态和经济效益的仿真及比选，主要应用体现在下述几个方面。

1）施工工件动力学分析

施工工件动力学分析包括应力分析和强度分析。即以BIM 模型为基础，通过网格划分、材料属性、施加荷载等过程进行有限元模拟、应力应变仿真分析。例如，基坑开挖的数字化模拟就是围绕地基和临时支护结构的力学仿真。

2）施工过程结构内力和变形变化过程的跟踪分析

施工过程结构内力和变形受到结构本身、材料性能、外部环境、应力场分布等多种因素影响，为了更好地预测结构变形和变化，虚拟仿真技术得到了广泛应用。例如，混凝土开裂问题涉及多个学科领域，如热力学、断裂力学、化学等，在混凝土虚拟仿真建模中，主要采用计算力学的方法，通过模型分析、材料属性设置和确定水化热计算参数及边界条件等过程来进行不同仿真策略的分析。在基坑工程中的变形问题中，基坑开挖工程的力学分析以稳态分析为主，根据土体所处的应力状态，分为线性弹性分析、非线性弹性分析和弹塑性分析。基坑施工数值模拟全过程包括几何模型建立、物理参数赋值、模型边界设定、工况设定、仿真计算。(www.xing528.com)

3）施工工件碰撞运动仿真

施工工件碰撞运动仿真主要指构件之间的连接与碰撞。利用BIM 模型，设计人员可提前预演施工过程，事先避免施工过程中可能出现的构建碰撞和不合理工法。

4）施工场地布置的优化分析

施工中场地布置和临时设施布置经常受工地有限空间的约束，施工前可利用BIM 技术可视化地对运输路线、塔吊布置、材料堆放等进行模拟，然后进行多方案的比选和优化。

5）施工机械设备和材料的运动学仿真分析

虚拟仿真技术为施工机械设备的运动学分析提供了新手段和新方法。例如，在混凝土超高泵送问题中，虚拟仿真技术利用计算机对混凝土的压力流动行为进行数字模拟，可预测混凝土在泵送过程中的流场分布特征，分析不同因素对泵送压力损失的影响规律，并有可能对混凝土泵送过程中出现的离析、堵管等现象进行仿真模拟。