2.虛擬施工的技術(shù)支撐體系
虛擬施工涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，其主要支撐技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、建模與優(yōu)化技術(shù)以及相關(guān)的軟硬件技術(shù)。
2.1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，它為人機(jī)交互對(duì)話提供了更直接和真實(shí)的三維界面，并能在多維信息空間上創(chuàng)建一個(gè)虛擬信息環(huán)境，使用戶具有身臨其境的沉浸感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為虛擬施工開發(fā)提供了直接的可視化的交互環(huán)境。
2.2.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)仿真技術(shù)在土木工程中主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)計(jì)算、施工技術(shù)與管理領(lǐng)域。仿真技術(shù)是虛擬施工的核心。對(duì)于結(jié)構(gòu)工程施工來說，內(nèi)力仿真分析對(duì)工程施工的安全進(jìn)行將提供直接保證。
2.3.優(yōu)化與建模技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化原理進(jìn)行建筑工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理能全面綜合地考慮在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和時(shí)間上的，實(shí)現(xiàn)的效益。優(yōu)化方法是虛擬施工系統(tǒng)的一個(gè)重要支撐技術(shù)。
產(chǎn)品建模方法是虛擬施工的另一個(gè)支撐技術(shù)。虛擬施工的系統(tǒng)模型包括基礎(chǔ)模型、設(shè)計(jì)模型及施工模型。其中施工模型將工藝參數(shù)與影響施工的屬性聯(lián)系起來，以反映施工模型與設(shè)計(jì)模型之間的交互作用。施工模型必須具備以下功能：計(jì)算機(jī)工藝仿真、施工數(shù)據(jù)表、施工規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)模型以及物理和數(shù)學(xué)模型等。
2.4.軟硬件基礎(chǔ)虛擬施工體系是已有的CAD技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等學(xué)科技術(shù)的綜合系統(tǒng)集成，因此其相關(guān)軟件也是多方面的，如EAI公司的PDV產(chǎn)品、Realax、Division、MultiGen、Deneb等。相關(guān)硬件主要有各種型號(hào)的SGI工作站、SUN工作站、HP工作站和IRIX工作站等，以及各種立體眼睛、顯示器、頭盔手套等。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面主要有VRML（ Virtual Reality Modeling Language）語言等。
3.虛擬施工技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐
在國外對(duì)于虛擬施工技術(shù)一系列相關(guān)的研究和試驗(yàn)正在進(jìn)行。Clasgow Strathclyde大學(xué)信息科學(xué)和土木工程系進(jìn)行的研究項(xiàng)目是研究一種方法來共享協(xié)同施工過程的可視計(jì)劃。這個(gè)研究包括一個(gè)非沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)接口，它允許對(duì)模擬的進(jìn)程進(jìn)行可視監(jiān)控并與其交互，允許用戶以交互協(xié)同方式調(diào)查研究幾種不同的施工順序和現(xiàn)場(chǎng)組織，同時(shí)驗(yàn)證和精練施工計(jì)劃，動(dòng)態(tài)地把施工過程與現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)和設(shè)備集成起來（見中國建筑科學(xué)研究院有關(guān)資料）。
Bartlestt建筑學(xué)校和University College London計(jì)算機(jī)科學(xué)系的研究人員，研發(fā)了一種Pangea系統(tǒng)和一個(gè)3D粗樣軟件包，用于測(cè)試建筑設(shè)計(jì)和城市設(shè)計(jì)的早期原型。CAD center.有限公司和Mancheste：大學(xué)先進(jìn)接口組（AIG）開始了一個(gè)協(xié)同項(xiàng)目，探索利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)去建立復(fù)雜流程工廠的CAD模型，下一步接著研究對(duì)它們的使用。主要目的是了解和解決將這些技術(shù)應(yīng)用于大型真實(shí)系統(tǒng)時(shí)的問題，并且研究軟件的體系結(jié)構(gòu)和算法，這些將加強(qiáng)未來研究虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。
Dundee大學(xué)正在進(jìn)行Naives項(xiàng)目。它允許用戶可視化一個(gè)構(gòu)件元素在任何方向的撓度或內(nèi)力。Naives用戶可以提取軟件中的一個(gè)復(fù)雜段，用相對(duì)短的時(shí)間產(chǎn)生出一組沉浸輸出，工程師可以很快提取出構(gòu)件的合理的臨界點(diǎn)和參數(shù)的臨界值。研究者們相信可以提供一個(gè)實(shí)體機(jī)械分析的新穎模板，并且希望提供一個(gè)結(jié)果可視化系統(tǒng)作為它的組成部分，可以允許設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)中漫游，觀察某種作用的表現(xiàn)，并模擬這種作用的執(zhí)行，同時(shí)在這個(gè)過程中連續(xù)地提示正在觀察的信息。
英國IES公司推出了建筑設(shè)計(jì)虛擬環(huán)境系統(tǒng)。日本清水建設(shè)公司在1995年利用三維CAD技術(shù)，使施工生產(chǎn)情報(bào)，如施工中的作業(yè)計(jì)劃，能夠在計(jì)算機(jī)屏幕上主體顯示，其實(shí)質(zhì)就是虛擬系統(tǒng)。通過對(duì)日本某核電站建設(shè)工程和海老名市保險(xiǎn)公司26層鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)工程以及新東京火力電廠地上結(jié)構(gòu)拆除工程的應(yīng)用，該系統(tǒng)極大地方便了結(jié)構(gòu)工程施工的管理。
從目前國內(nèi)的應(yīng)用實(shí)踐看，相關(guān)工程實(shí)踐尚不多，上海正大商業(yè)廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工則是一個(gè)嘗試。上海正大商業(yè)廣場(chǎng)的鋼結(jié)構(gòu)工程具有構(gòu)件數(shù)量多、類型復(fù)雜運(yùn)輸通道和吊裝空間狹窄、吊裝難度大等技術(shù)難點(diǎn)。虛擬施工技術(shù)成功地應(yīng)用于該工程施工，為優(yōu)質(zhì)、安全和高效地完成該工程的鋼結(jié)構(gòu)安裝提供了可靠的保障。其工作主要包括三部分：
1）鋼結(jié)構(gòu)施工方案及其優(yōu)化。在鋼結(jié)構(gòu)施工虛擬仿真中，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)及結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了由二維設(shè)計(jì)圖紙生成三維模型。較大規(guī)模模型的快諫顯示以及運(yùn)動(dòng)過程的記錄和回放。特別是創(chuàng)造性地解決了雙機(jī)抬吊的反運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬和多點(diǎn)吊裝的實(shí)時(shí)干涉檢測(cè)及顯示問題等，建立了部分虛擬設(shè)備庫。在鋼結(jié)構(gòu)施工之前，在計(jì)算機(jī)上已經(jīng)完成了各種構(gòu)件裝配、吊裝的多種試驗(yàn)和優(yōu)化工作，通過施工前大量的試驗(yàn)和優(yōu)化，將施工過程可能出現(xiàn)的各種問題充分暴露出來，并經(jīng)過優(yōu)化得以解決。軟件同時(shí)利用多點(diǎn)決策優(yōu)化理論，采用兩榀屋架同時(shí)裝配的方案，使裝配和吊裝過程連續(xù)進(jìn)行，節(jié)省了時(shí)間，充分顯示了虛擬施工系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的模擬試驗(yàn)手段對(duì)施工過程具有的價(jià)值，為施工方案優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。
2）桅桿起重機(jī)和鋼構(gòu)件內(nèi)力及焊接變形分析。主要是對(duì)吊裝過程起重機(jī)及相關(guān)構(gòu)件的內(nèi)力進(jìn)行全面仿真分析，保障了吊裝的安全。同時(shí)對(duì)厚板焊接也進(jìn)行了溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的分析，保證了厚板的焊接質(zhì)量。
3）建筑外觀與城市場(chǎng)景虛擬漫游。即在建筑物建成之前，虛擬顯現(xiàn)建筑物建成后周圍的環(huán)境，獲得直觀的視覺效果。該項(xiàng)目的開發(fā)研究為虛擬施工的應(yīng)用提供了重要的經(jīng)驗(yàn)。
虛擬施工涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，其主要支撐技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、建模與優(yōu)化技術(shù)以及相關(guān)的軟硬件技術(shù)。
2.1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，它為人機(jī)交互對(duì)話提供了更直接和真實(shí)的三維界面，并能在多維信息空間上創(chuàng)建一個(gè)虛擬信息環(huán)境，使用戶具有身臨其境的沉浸感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為虛擬施工開發(fā)提供了直接的可視化的交互環(huán)境。
2.2.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)仿真技術(shù)在土木工程中主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)計(jì)算、施工技術(shù)與管理領(lǐng)域。仿真技術(shù)是虛擬施工的核心。對(duì)于結(jié)構(gòu)工程施工來說，內(nèi)力仿真分析對(duì)工程施工的安全進(jìn)行將提供直接保證。
2.3.優(yōu)化與建模技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化原理進(jìn)行建筑工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理能全面綜合地考慮在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和時(shí)間上的，實(shí)現(xiàn)的效益。優(yōu)化方法是虛擬施工系統(tǒng)的一個(gè)重要支撐技術(shù)。
產(chǎn)品建模方法是虛擬施工的另一個(gè)支撐技術(shù)。虛擬施工的系統(tǒng)模型包括基礎(chǔ)模型、設(shè)計(jì)模型及施工模型。其中施工模型將工藝參數(shù)與影響施工的屬性聯(lián)系起來，以反映施工模型與設(shè)計(jì)模型之間的交互作用。施工模型必須具備以下功能：計(jì)算機(jī)工藝仿真、施工數(shù)據(jù)表、施工規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)模型以及物理和數(shù)學(xué)模型等。
2.4.軟硬件基礎(chǔ)虛擬施工體系是已有的CAD技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等學(xué)科技術(shù)的綜合系統(tǒng)集成，因此其相關(guān)軟件也是多方面的，如EAI公司的PDV產(chǎn)品、Realax、Division、MultiGen、Deneb等。相關(guān)硬件主要有各種型號(hào)的SGI工作站、SUN工作站、HP工作站和IRIX工作站等，以及各種立體眼睛、顯示器、頭盔手套等。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面主要有VRML（ Virtual Reality Modeling Language）語言等。
3.虛擬施工技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐
在國外對(duì)于虛擬施工技術(shù)一系列相關(guān)的研究和試驗(yàn)正在進(jìn)行。Clasgow Strathclyde大學(xué)信息科學(xué)和土木工程系進(jìn)行的研究項(xiàng)目是研究一種方法來共享協(xié)同施工過程的可視計(jì)劃。這個(gè)研究包括一個(gè)非沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)接口，它允許對(duì)模擬的進(jìn)程進(jìn)行可視監(jiān)控并與其交互，允許用戶以交互協(xié)同方式調(diào)查研究幾種不同的施工順序和現(xiàn)場(chǎng)組織，同時(shí)驗(yàn)證和精練施工計(jì)劃，動(dòng)態(tài)地把施工過程與現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)和設(shè)備集成起來（見中國建筑科學(xué)研究院有關(guān)資料）。
Bartlestt建筑學(xué)校和University College London計(jì)算機(jī)科學(xué)系的研究人員，研發(fā)了一種Pangea系統(tǒng)和一個(gè)3D粗樣軟件包，用于測(cè)試建筑設(shè)計(jì)和城市設(shè)計(jì)的早期原型。CAD center.有限公司和Mancheste：大學(xué)先進(jìn)接口組（AIG）開始了一個(gè)協(xié)同項(xiàng)目，探索利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)去建立復(fù)雜流程工廠的CAD模型，下一步接著研究對(duì)它們的使用。主要目的是了解和解決將這些技術(shù)應(yīng)用于大型真實(shí)系統(tǒng)時(shí)的問題，并且研究軟件的體系結(jié)構(gòu)和算法，這些將加強(qiáng)未來研究虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。
Dundee大學(xué)正在進(jìn)行Naives項(xiàng)目。它允許用戶可視化一個(gè)構(gòu)件元素在任何方向的撓度或內(nèi)力。Naives用戶可以提取軟件中的一個(gè)復(fù)雜段，用相對(duì)短的時(shí)間產(chǎn)生出一組沉浸輸出，工程師可以很快提取出構(gòu)件的合理的臨界點(diǎn)和參數(shù)的臨界值。研究者們相信可以提供一個(gè)實(shí)體機(jī)械分析的新穎模板，并且希望提供一個(gè)結(jié)果可視化系統(tǒng)作為它的組成部分，可以允許設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)中漫游，觀察某種作用的表現(xiàn)，并模擬這種作用的執(zhí)行，同時(shí)在這個(gè)過程中連續(xù)地提示正在觀察的信息。
英國IES公司推出了建筑設(shè)計(jì)虛擬環(huán)境系統(tǒng)。日本清水建設(shè)公司在1995年利用三維CAD技術(shù)，使施工生產(chǎn)情報(bào)，如施工中的作業(yè)計(jì)劃，能夠在計(jì)算機(jī)屏幕上主體顯示，其實(shí)質(zhì)就是虛擬系統(tǒng)。通過對(duì)日本某核電站建設(shè)工程和海老名市保險(xiǎn)公司26層鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)工程以及新東京火力電廠地上結(jié)構(gòu)拆除工程的應(yīng)用，該系統(tǒng)極大地方便了結(jié)構(gòu)工程施工的管理。
從目前國內(nèi)的應(yīng)用實(shí)踐看，相關(guān)工程實(shí)踐尚不多，上海正大商業(yè)廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工則是一個(gè)嘗試。上海正大商業(yè)廣場(chǎng)的鋼結(jié)構(gòu)工程具有構(gòu)件數(shù)量多、類型復(fù)雜運(yùn)輸通道和吊裝空間狹窄、吊裝難度大等技術(shù)難點(diǎn)。虛擬施工技術(shù)成功地應(yīng)用于該工程施工，為優(yōu)質(zhì)、安全和高效地完成該工程的鋼結(jié)構(gòu)安裝提供了可靠的保障。其工作主要包括三部分：
1）鋼結(jié)構(gòu)施工方案及其優(yōu)化。在鋼結(jié)構(gòu)施工虛擬仿真中，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)及結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了由二維設(shè)計(jì)圖紙生成三維模型。較大規(guī)模模型的快諫顯示以及運(yùn)動(dòng)過程的記錄和回放。特別是創(chuàng)造性地解決了雙機(jī)抬吊的反運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬和多點(diǎn)吊裝的實(shí)時(shí)干涉檢測(cè)及顯示問題等，建立了部分虛擬設(shè)備庫。在鋼結(jié)構(gòu)施工之前，在計(jì)算機(jī)上已經(jīng)完成了各種構(gòu)件裝配、吊裝的多種試驗(yàn)和優(yōu)化工作，通過施工前大量的試驗(yàn)和優(yōu)化，將施工過程可能出現(xiàn)的各種問題充分暴露出來，并經(jīng)過優(yōu)化得以解決。軟件同時(shí)利用多點(diǎn)決策優(yōu)化理論，采用兩榀屋架同時(shí)裝配的方案，使裝配和吊裝過程連續(xù)進(jìn)行，節(jié)省了時(shí)間，充分顯示了虛擬施工系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的模擬試驗(yàn)手段對(duì)施工過程具有的價(jià)值，為施工方案優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。
2）桅桿起重機(jī)和鋼構(gòu)件內(nèi)力及焊接變形分析。主要是對(duì)吊裝過程起重機(jī)及相關(guān)構(gòu)件的內(nèi)力進(jìn)行全面仿真分析，保障了吊裝的安全。同時(shí)對(duì)厚板焊接也進(jìn)行了溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的分析，保證了厚板的焊接質(zhì)量。
3）建筑外觀與城市場(chǎng)景虛擬漫游。即在建筑物建成之前，虛擬顯現(xiàn)建筑物建成后周圍的環(huán)境，獲得直觀的視覺效果。該項(xiàng)目的開發(fā)研究為虛擬施工的應(yīng)用提供了重要的經(jīng)驗(yàn)。