城市地下空间工程专业_虚拟建造系统在地下空间工程的应用研究

　　【摘 要】虚拟建造实际就是在虚拟建造系统的平台上，建设工程参建各方通过协同设计，建立三维模型，对建筑物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。本文主要结合建设工程全寿命的集成化管理，浅谈了虚拟建造系统在工程建设各阶段的应用，并对研究的系统做了进一步的展望。
　　【关键字】地下空间；虚拟建造系统；全寿命期
　　1．虚拟建造的定义
　　虚拟建造，是采用计算机仿真与虚拟现实、建模等技术等多种学科的优势,建设项目的各参与单位——业主、项目管理单位、设计单位、承包商、供货商在计算机网络虚拟建造的平台上协同工作，对建筑物或项目事先进行模拟建设，进行各种虚拟环境条件下的分析，以提前发现可能出现的问题，在实际投资、设计或施工活动之前即可采取预防措施的方法[1]。
　　2．虚拟建造系统的研究背景
　　地下空间工程更强调关注复杂的地质环境。BIM(建筑信息模型)以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，用于工程的设计、建造与管理，主要面向地面建筑工程，缺少对地质信息的存储、管理与描述。系统的重点在于对地质成分的分析，缺少一般地下空间工程管理方面的属性信息。鉴于地下空间工程的特点，综合考虑BIM与数字化矿山系统的优缺点，运用工程全寿命期的理念和现代信息技术和GIS技术构建一套从勘察设计、施工、运营维护直至终结的全寿命期的复杂地质环境下地下空间虚拟建设系统，关注地下空间工程复杂地质环境的同时，更强调工程建设各阶段间的联系，实现地下空间的时间数据、空间数据、属性数据的一体化管理。
　　3．虚拟建设系统在地下空间中的应用
　　3.1 虚拟建设系统在规划阶段的应用
　　由于地下空间工程呈封闭性，难以直观表达，所以项目决策者一般都会在规划阶段根据不同的设计方案做多种形象的设想。利用虚拟建设系统，在虚拟的三维空间中，演示地下空间建成后的最终效果，可以提前使项目决策者以不同的角度欣赏地下空间的外观，这样，有助于分析设计方案的特点与不足，以便进一步进行决策。
　　3.2 虚拟建设系统在勘察设计阶段的应用
　　地下空间工程在建设过程中不确定因素较多，受工程地质和水文条件影响较大，所以工程勘察阶段对场区的地质、地理环境和岩土特征分析是非常重要的。本系统在DIMINE数字矿山软件的平台上进行二次开发，可直接利用DIMINE强大的地质分析与储量计算功能，可迅速得出准确的分析结果以及工程土方量，帮助项目在地质勘察阶段评估场区的使用条件和特点，从而做出新建项目最理想的场地规划、结构分析、建筑布局等关键决策。
　　在虚拟建设系统的平台上，建筑工程师、结构工程师、设备工程师等在初步设计阶段就实行协同设计，共同商讨施工图是否符合施工工艺和施工流程的要求，而且整个设计平台都是三维和可视化的，实现了建筑、结构、设备的协调配合，可降低图纸出错率、减少质量事故、增加项目的透明度和可控性等[2]。
　　3.3 虚拟建设系统在施工阶段的应用
　　3.3.1 系统在质量管理中的应用
　　对于地下空间这种地质复杂的工程，施工和运营期间易发生质量和安全隐患，保证工程质量，是施工管理最直接的目的。所以加强对施工全过程的质量监管，也是系统功能设计的重点。
　　本系统通过在地下空间工程质量管理数据库中录入施工质量标准信息和施工中实际的质量信息来控制工程的质量。管理人员在信息采集库中输入施工现场的文本数据、矢量数据、声音、图像或照片等多源数据后，系统通过信息采集库录入的质量控制资料、外观以及几何尺寸等信息与施工质量标准信息库的标准信息进行对比，进行各检验批、分项、分部工程质量方面的检查、审核与记录[3]。如确认其质量符合要求，则予以确认验收。如有质量问题则立即进行处理，待质量合格后再验收确认。
　　3.3.2 系统在进度管理中的应用
　　控制地下空间的工程进度，不仅能够确保工程按预定的时间交付使用，及时发挥投资效益，而且有益于降低工程成本。地下空间的不确定性经常会导致工程的变更以及工期的延误，因此，进度管理也是地下空间工程管理的一个难点与重点，当前进度管理中经常用于表示进度计划的甘特图，由于专业性强，可视化程度低，无法清晰描述施工进度以及各种复杂关系，难以准确表达工程施工的动态变化过程。
　　本系统通过将三维空间模型的建立与施工进度计划相结合，可以直观、精确地反映整个地下空间的施工过程，从而在项目建设过程中合理制定施工计划、精确掌握施工进度，优化使用施工资源以及科学地进行场地布置，对整个工程的施工进度、资源和质量进行统一管理和控制，以缩短工期、降低成本、提高质量[4]。此外，本系统通过设计模型与实际模型的对比，更便于分析出现偏差的工作是否在关键路线上，对其他工作以及总工期的影响程度，从而帮助管理人员分析施工的控制方法、施工安排的合理性而采取补救措施或调整、修改原计划，有利于地下空间工程进度的动态控制。
　　3.3.2 系统在成本管理中的应用
　　本系统创建的三维模型，包含了地下空间实体的属性与工程的信息，可以真实地提供成本管理需要的工程量信息，借助这些信息，计算机可以快速对各种构件进行统计分析，非常容易实现工程量信息与设计方案的完全一致。通过系统获得的准确的工程量统计可以用于设计阶段的成本估算、工程量预算和施工完成后的工程量决算[5]。此外，通过从施工阶段实际模型的获取的决算工程量与设计模型中的预算工程量相对比，结合合同中的清单计价，可准确统计出工程的实际成本。根据系统可分析出工程的计划成本、实际成本对比表以及偏差原因，这样便于管理者进行成本控制。
　　3.4 虚拟建设系统在运营维护阶段的应用
　　在地下空间的运营维护阶段，工程的结构设施（如墙、板、顶等）和设备设施（如设备、管道等）都需要不断得到维护，这样如果前期不注重运营维护阶段的管理将导致后期维护的费用很高[6]。利用虚拟建设系统，在后期维护阶段，可以自由调配地下空间工程在设计、施工阶段的工程实体属性，并添加维护数据记录的优势，合理制定维护方案，分配专人专项维护工作，以降低地下空间在使用过程中出现突发状况的概率，同时降低能耗和修理费用，进而降低总体维护成本。此外，对一些重要设备还可以跟踪维护工作的历史记录，以便对设备的适用状态提前做出判断。
　　4．总结
　　在工程项目建设过程中，设计单位、施工单位、材料设备供应单位都可以在虚拟建造系统的平台上全面地考虑业主对项目的功能要求, 提高建筑产品的整体质量。同时项目各参与单位能够在透明的生产过程中，准确及时地掌握项目信息,通过各方协调，各工序有序地搭接,从而缩短建设工期，降低工程成本，实现以最经济投资达到最佳功能。随着计算机技术以及其他相关技术的发展，在未来的建筑设计及施工中，虚拟建造系统将有着极其广泛的前景。
　　参考文献
　　[1]丁来大,谢小平。《信息技术在建筑施工管理中的应用探讨》.民营科技.2010(11)
　　[2] 过俊.BIM在国内建筑全生命周期的典型应用.建筑技艺. 2011(Z1)
　　[3]中国建设监理协会.建设工程质量控制.中国建筑工业出版社.2012
　　[4]中国建设监理协会.建设工程进度控制.中国建筑工业出版社.2012
　　[5]方俊，宋敏.工程估价.武汉理工大学出版社2008.9
　　[6]何清华.《虚拟组织在建筑业中的应用----虚拟建设》. 建筑.2000(01)
　　基金项目：
　　本文注明由“国家大学生创新性实验计划资助”，项目编号101029004