虛擬仿真技術(shù)與建筑施工安全工程

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展,仿真技術(shù)也得到了迅速的推動(dòng),并在高技術(shù)的發(fā)展中越顯其重要作用。本文介紹了仿真技術(shù)的發(fā)展和形成,介紹了該技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了它在施工安全中的應(yīng)用。
李春華孟周濟(jì) 蔡相娟來(lái)源:萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:CAE 虛擬仿真建筑施工安全

仿真技術(shù)(Simulation Technology)已有半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展史了,在這半個(gè)多世紀(jì)里,仿真技術(shù)的發(fā)展從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從理論到實(shí)踐、從輔助學(xué)科到解決重大工程問(wèn)題的必要手段。仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程、信息處理技術(shù)、控制論、系統(tǒng)工程等相關(guān)技術(shù)和理論的支持、交叉、融合下,逐漸形成了一門交叉科學(xué),成為認(rèn)識(shí)客觀世界的一褳重要的方法。
1 仿真科學(xué)的發(fā)展和形成
仿真系統(tǒng)的發(fā)展首先從仿真器開始,第一臺(tái)美國(guó)空軍的林克機(jī)練習(xí)器是1929年誕生的。二戰(zhàn)后期,火炮控制與飛行控制動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研究促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展。最初還只是用于軍事方面。70年代后,仿真技術(shù)不但在軍事領(lǐng)域得到迅速發(fā)展,而且擴(kuò)展到了許多工業(yè)領(lǐng)域,如汽車模擬器等。這是發(fā)展的初級(jí)階段。20世紀(jì)80年代美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局和美國(guó)陸軍共同制定和執(zhí)行了SIMNET研究計(jì)劃,美國(guó)空軍建立了先進(jìn)的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室,隨后各部門繼續(xù)設(shè)分布式交互方針系統(tǒng)、并行分布式交互仿真系統(tǒng)、聚合級(jí)仿真系統(tǒng)。這是仿真技術(shù)發(fā)展的高級(jí)階段。上個(gè)世紀(jì)宋和本世紀(jì)初,對(duì)廣泛領(lǐng)域的復(fù)雜性問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)研究的熱潮正在興起。復(fù)雜性是對(duì)簡(jiǎn)單性的否定,復(fù)雜問(wèn)題的提出,推動(dòng)了整體論、系統(tǒng)論的發(fā)展。仿真技術(shù)進(jìn)入了今天的研究復(fù)雜系統(tǒng)仿真的新階段。
2 仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
仿真技術(shù)最早主要應(yīng)用于軍事方面,比如航天器、航海模擬、高能武器等。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,仿真技術(shù)被迅速地推廣應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的每個(gè)領(lǐng)域,成為系統(tǒng)工程中的科學(xué)方法和有力工具。最廣泛地應(yīng)用在軍事領(lǐng)域,比如美國(guó)的綜合戰(zhàn)區(qū)演練(STOW)計(jì)劃、歐洲大型軍事演習(xí)(代號(hào)JPOW)、美國(guó)在科威特進(jìn)行的戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真等;仿真技術(shù)在工業(yè)系統(tǒng)的多種應(yīng)用取得了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益;近幾年來(lái)仿真技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展在我國(guó)取得很好的成果。仿真技術(shù)將設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)、銷售一體化:利用模擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)醫(yī)生可以在虛擬病人身上進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練,通過(guò)訓(xùn)練可以提高手術(shù)成功率;仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到游樂(lè)產(chǎn)業(yè)中,出現(xiàn)的高科技仿真設(shè)備有:“仿真太空船”、“仿真高爾夫球”、“賽車”、“飛機(jī)格斗”等;當(dāng)前仿真技術(shù)還用于房地產(chǎn)業(yè)中,開發(fā)商利用虛擬仿真技術(shù)把預(yù)售房子的結(jié)構(gòu)、布置等效果用3D實(shí)現(xiàn),讓購(gòu)房者可以體驗(yàn)到真實(shí)的情景以產(chǎn)生美好憧憬;虛擬仿真技術(shù)與建筑施工的有機(jī)結(jié)合,使工程師在建筑尚未開工之前便漫游其中。許多重大工程(比如三峽工程、南水北調(diào)工程)項(xiàng)目的失誤都將是災(zāi)難性的,而且也是不允許失敗的。對(duì)于這類工程預(yù)先應(yīng)用仿真技術(shù)排除設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、優(yōu)化設(shè)計(jì)、預(yù)示完成后的工作狀況已經(jīng)成為工程界的共識(shí)。
3 虛擬仿真技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用與現(xiàn)實(shí)意義
虛擬仿真技術(shù)在建筑施工的應(yīng)用有很重大的意義:首先有助于建筑市場(chǎng)的管理、完善管理制度。施工虛擬工程在招投標(biāo)過(guò)程中能主觀對(duì)比投標(biāo)各方的施工工藝、方法和成效,增加評(píng)標(biāo)的透明度和公正性,減少各種不正當(dāng)行為的發(fā)生。有利于建筑市場(chǎng)的規(guī)范化管理;還可以考察建筑設(shè)計(jì)是否合理,從而指出不合理的部位進(jìn)行修改,達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。這對(duì)重大工程尤為重要;有助于施工方案的選擇和優(yōu)化。因?yàn)榻ㄖ┕し桨傅倪x擇有一定的局限性,它主要取決于決策者的施工經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平,而且施工過(guò)程又都沒有可模性,決定了建筑施工過(guò)程的各異性。而施工虛擬仿真技術(shù)可以直觀、科學(xué)地展示不同施工方法和施工組織措施的效果,可以定量地完成方案的對(duì)比,真正實(shí)現(xiàn)施工優(yōu)化;該技術(shù)還可以模擬新技術(shù)、新材料、新工藝應(yīng)用后的效果;有助于旋工管理:施工虛擬仿真技術(shù)能模擬施工全工程,能夠提前發(fā)現(xiàn)施工管理中質(zhì)量、安全等方面存在的隱患。管理人員可以采取有效的預(yù)防、加強(qiáng)措施,提高工程施工質(zhì)量和管理效果;施工虛擬仿真技術(shù)能實(shí)時(shí)、直觀地顯示施工全過(guò)程,這樣有助于操作人員全面了解作業(yè)過(guò)程,安全地完成施工任務(wù)。建筑業(yè)是高危險(xiǎn)行業(yè),加強(qiáng)安全工作是施工單位的工作重點(diǎn),也是政府和人民群眾關(guān)注的重點(diǎn)。
4 建筑施工安全與安全價(jià)值工程
目前我國(guó)正在進(jìn)行歷史上也是世界上最大規(guī)模的基本建設(shè)。建筑業(yè)完成產(chǎn)值年年持續(xù)增長(zhǎng)。建筑也從業(yè)人員數(shù)目龐大,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)人數(shù)為3893萬(wàn)人,已占全國(guó)工業(yè)總從業(yè)人數(shù)的約1/3,建筑產(chǎn)業(yè)已成為國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。工程建設(shè)的巨大投資和從業(yè)人員的龐大規(guī)模使得安全事故的后果異常嚴(yán)重和巨大。我國(guó)工程建設(shè)中的安全管理水平一直很低,每年由于安全事故喪生的從業(yè)人員超過(guò)干人,直接經(jīng)濟(jì)損失百億元。特別是近年來(lái)重大惡性事故頻頻發(fā)生,引起全國(guó)上下的普遍關(guān)注。
隨著社會(huì)的進(jìn)步科技的發(fā)展,人們對(duì)安全認(rèn)識(shí)水平也逐步提高,從安全事故發(fā)生原因的偶然性到必然性的過(guò)程。這些必然原因中,最主要的原因是人的原因、物的原因、環(huán)境的原因、管理失敗的原因。在我國(guó)建筑行業(yè)中,尤其要注意人的原因,因?yàn)榻ㄖ踩鹿实暮诵氖恰叭恕?而“人”又是具有特定的文化背景和處于特定的國(guó)情之中。一方面是作為管理者的“人”重生產(chǎn)輕安全的思想普遍存在,安全管理缺陷幾乎存在每一起安全事故中;另一方面是建筑活動(dòng)主體的“人”——農(nóng)民工,自身文化素質(zhì)及職業(yè)安全素質(zhì)較低;有限的場(chǎng)地上集中大量的人員、建筑材料、設(shè)備和施工機(jī)具等進(jìn)行立體交叉作業(yè),相互干擾難免發(fā)生危險(xiǎn);建筑施工高空、露天作業(yè)多,工作環(huán)境差;工人工作時(shí)間長(zhǎng),勞動(dòng)強(qiáng)度大,容易出現(xiàn)疲勞、注意力不集中造成安全事故;建筑產(chǎn)品復(fù)雜,材料堆放不符合要求也是造成安全事故的原因。而且我國(guó)建筑安全管理制度理念滯后,建筑業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈,安全投入嚴(yán)重不足等等也是導(dǎo)致危險(xiǎn)事故發(fā)生的重要因素。所以說(shuō)安全控制是很有必要的,安全控制是通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的計(jì)劃、組織、監(jiān)控、調(diào)節(jié)和改進(jìn)等一系列致力于滿足生產(chǎn)安全所進(jìn)行的管理活動(dòng)。施工安全監(jiān)控的程序如圖1。

圖1

施工現(xiàn)場(chǎng)的安全控制是必不可少的,但是安全投入不足還將導(dǎo)致事故的發(fā)生。而且好多施工單位甚至建設(shè)管理部門沒有考慮到安全的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,把安全工作與經(jīng)濟(jì)利益對(duì)立起來(lái),認(rèn)為安全投入是企業(yè)負(fù)擔(dān),沒有把各項(xiàng)安全措施落實(shí)到位。價(jià)值工程(Value Engineering)是一門新興的管理技術(shù),是減低成本提高經(jīng)濟(jì)效益的有效方法。定義為:
    V=F/C
式中:
    V——價(jià)值;
    F——研究對(duì)象的功能;
    C——成本,即壽命周期成本。
以價(jià)值理論為基礎(chǔ),可以定義安全價(jià)值工程,可以對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行安全分析與評(píng)價(jià)。主要思想就足對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)單元進(jìn)行安全價(jià)值分析,通過(guò)制定相應(yīng)的整改措施和方案,使各個(gè)打援實(shí)現(xiàn)最大安全價(jià)值,最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的安全值最大,達(dá)到安全、高效的生產(chǎn)目的。安全價(jià)值定義為:
    SV=S/C
式中:
    SV——安全價(jià)值;
    S——研究對(duì)象的安全程度;
    C——研究對(duì)象的安全成本。
將安全工程與價(jià)值工程結(jié)合,利用價(jià)值工程的原理使得安全價(jià)值最大化。安全價(jià)值工程的工作順序是:確定安全研究的對(duì)象;綜合研究;制定創(chuàng)新方案與評(píng)價(jià)。施工安全也可以利用安全機(jī)智工程來(lái)評(píng)價(jià),以達(dá)到安全值最優(yōu)。
5 虛擬現(xiàn)實(shí)在建筑施工安全工程中的應(yīng)用
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)町以用在建筑施工安全的以下方面:
(1)首先可以用在評(píng)價(jià)施工安全價(jià)值工程中。在施工過(guò)程中出現(xiàn)危險(xiǎn)事故的原因主要有人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境隱患和組織管理不力等。可以根據(jù)這四個(gè)因素的重要程度進(jìn)行各個(gè)方面的安全價(jià)值分析,指定不同的安全方案?？梢赃_(dá)到資金與安全程度的最大優(yōu)化。
(2)各種施工設(shè)備的操作訓(xùn)練。尤其是某些重要工程中要采用先進(jìn)的特種設(shè)備,而這些設(shè)備是不允許出現(xiàn)失誤且需要不斷反復(fù)的操作訓(xùn)練。即使一般的起重機(jī)、挖掘機(jī)、塔吊也需要熟練的操作,還有混凝土攪拌站等等。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備模型用戶通過(guò)各種傳感及輸入裝置與虛擬場(chǎng)景的交互,使之通過(guò)虛擬的設(shè)備得到“真實(shí)”地訓(xùn)練。還可以觀察操作過(guò)程中存在那些不規(guī)范的操作,可以提前改正,還可以觀察~些設(shè)備的操作隱患。以此好采取相應(yīng)的措施預(yù)防和加強(qiáng)。
(3)可以進(jìn)行按事故過(guò)程模擬。有經(jīng)驗(yàn)的工程師了解工程當(dāng)中那些部位容易出現(xiàn)隱患,那些部位容易發(fā)生事故。比如爆炸、坍塌、墜落、交通事故等。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可協(xié)助建立安全事故發(fā)生過(guò)程三維動(dòng)態(tài)仿真模型,為以后類似的事故的分析、職工安全教育停工有力的工具支撐。
(4)可以模擬緊急逃生演練。三維交互系統(tǒng)的沉浸性使用戶和系統(tǒng)之間可以交換信息。通過(guò)建立建筑物的事故模型,可以訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)人員在事故發(fā)生上的自救、逃生路線的選擇和應(yīng)急行動(dòng)的實(shí)施,以次來(lái)降低事故發(fā)生時(shí)的損失。
(5)還可以進(jìn)行安全教育。由于農(nóng)民工的文化素質(zhì)普遍較低,進(jìn)行書本安全知識(shí)講解是比較困難的,我應(yīng)該采用各種真實(shí)的或者能引起人們興趣的手段來(lái)保證學(xué)習(xí)的效果,比如安全事故過(guò)程的仿真,設(shè)備操作的虛擬等。讓人們?cè)谟淇斓臍夥罩惺芤妗?BR>    圖2為虛擬安全仿真系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

圖2 虛擬安全仿真系統(tǒng)的運(yùn)行模式

6 結(jié)語(yǔ)
仿真技術(shù)的不斷發(fā)展將應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。不僅僅施工安全要應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),規(guī)劃、交通、房地產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工管理、物業(yè)管理等都將邁向仿真技術(shù)。仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍將越來(lái)越廣闊。

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