虛擬仿真技術與建筑施工安全工程

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

隨著計算機技術和信息技術的快速發(fā)展,仿真技術也得到了迅速的推動,并在高技術的發(fā)展中越顯其重要作用。本文介紹了仿真技術的發(fā)展和形成,介紹了該技術在建筑施工中的應用。重點介紹了它在施工安全中的應用。
李春華孟周濟蔡相娟來源:萬方數(shù)據(jù)
關鍵字:CAE 虛擬仿真建筑施工安全

仿真技術(Simulation Technology)已有半個多世紀的發(fā)展史了,在這半個多世紀里,仿真技術的發(fā)展從簡單到復雜、從理論到實踐、從輔助學科到解決重大工程問題的必要手段。仿真技術在計算機技術、網(wǎng)絡技術、圖形圖像技術、多媒體技術、軟件工程、信息處理技術、控制論、系統(tǒng)工程等相關技術和理論的支持、交叉、融合下,逐漸形成了一門交叉科學,成為認識客觀世界的一褳重要的方法。
1 仿真科學的發(fā)展和形成
仿真系統(tǒng)的發(fā)展首先從仿真器開始,第一臺美國空軍的林克機練習器是1929年誕生的。二戰(zhàn)后期,火炮控制與飛行控制動力學系統(tǒng)的研究促進了仿真技術的發(fā)展。最初還只是用于軍事方面。70年代后,仿真技術不但在軍事領域得到迅速發(fā)展,而且擴展到了許多工業(yè)領域,如汽車模擬器等。這是發(fā)展的初級階段。20世紀80年代美國國防部高級研究計劃局和美國陸軍共同制定和執(zhí)行了SIMNET研究計劃,美國空軍建立了先進的半實物仿真實驗室,隨后各部門繼續(xù)設分布式交互方針系統(tǒng)、并行分布式交互仿真系統(tǒng)、聚合級仿真系統(tǒng)。這是仿真技術發(fā)展的高級階段。上個世紀宋和本世紀初,對廣泛領域的復雜性問題進行科學研究的熱潮正在興起。復雜性是對簡單性的否定,復雜問題的提出,推動了整體論、系統(tǒng)論的發(fā)展。仿真技術進入了今天的研究復雜系統(tǒng)仿真的新階段。
2 仿真技術的應用領域
仿真技術最早主要應用于軍事方面,比如航天器、航海模擬、高能武器等。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,仿真技術被迅速地推廣應用到國民經(jīng)濟的每個領域,成為系統(tǒng)工程中的科學方法和有力工具。最廣泛地應用在軍事領域,比如美國的綜合戰(zhàn)區(qū)演練(STOW)計劃、歐洲大型軍事演習(代號JPOW)、美國在科威特進行的戰(zhàn)區(qū)導彈作戰(zhàn)仿真等;仿真技術在工業(yè)系統(tǒng)的多種應用取得了巨大的社會和經(jīng)濟效益;近幾年來仿真技術在制造業(yè)中的應用和發(fā)展在我國取得很好的成果。仿真技術將設計、試制、生產(chǎn)、銷售一體化:利用模擬現(xiàn)實仿真技術醫(yī)生可以在虛擬病人身上進行手術訓練,通過訓練可以提高手術成功率;仿真技術已經(jīng)應用到游樂產(chǎn)業(yè)中,出現(xiàn)的高科技仿真設備有:“仿真太空船”、“仿真高爾夫球”、“賽車”、“飛機格斗”等;當前仿真技術還用于房地產(chǎn)業(yè)中,開發(fā)商利用虛擬仿真技術把預售房子的結構、布置等效果用3D實現(xiàn),讓購房者可以體驗到真實的情景以產(chǎn)生美好憧憬;虛擬仿真技術與建筑施工的有機結合,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)項目的失誤都將是災難性的,而且也是不允許失敗的。對于這類工程預先應用仿真技術排除設計錯誤、優(yōu)化設計、預示完成后的工作狀況已經(jīng)成為工程界的共識。
3 虛擬仿真技術在建筑施工中的應用與現(xiàn)實意義
虛擬仿真技術在建筑施工的應用有很重大的意義:首先有助于建筑市場的管理、完善管理制度。施工虛擬工程在招投標過程中能主觀對比投標各方的施工工藝、方法和成效,增加評標的透明度和公正性,減少各種不正當行為的發(fā)生。有利于建筑市場的規(guī)范化管理;還可以考察建筑設計是否合理,從而指出不合理的部位進行修改,達到優(yōu)化設計的目標。這對重大工程尤為重要;有助于施工方案的選擇和優(yōu)化。因為建筑施工方案的選擇有一定的局限性,它主要取決于決策者的施工經(jīng)驗和知識水平,而且施工過程又都沒有可模性,決定了建筑施工過程的各異性。而施工虛擬仿真技術可以直觀、科學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比,真正實現(xiàn)施工優(yōu)化;該技術還可以模擬新技術、新材料、新工藝應用后的效果;有助于旋工管理:施工虛擬仿真技術能模擬施工全工程,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防、加強措施,提高工程施工質(zhì)量和管理效果;施工虛擬仿真技術能實時、直觀地顯示施工全過程,這樣有助于操作人員全面了解作業(yè)過程,安全地完成施工任務。建筑業(yè)是高危險行業(yè),加強安全工作是施工單位的工作重點,也是政府和人民群眾關注的重點。
4 建筑施工安全與安全價值工程
目前我國正在進行歷史上也是世界上最大規(guī)模的基本建設。建筑業(yè)完成產(chǎn)值年年持續(xù)增長。建筑也從業(yè)人員數(shù)目龐大,據(jù)不完全統(tǒng)計人數(shù)為3893萬人,已占全國工業(yè)總從業(yè)人數(shù)的約1/3,建筑產(chǎn)業(yè)已成為國家的支柱產(chǎn)業(yè)。工程建設的巨大投資和從業(yè)人員的龐大規(guī)模使得安全事故的后果異常嚴重和巨大。我國工程建設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)人員超過干人,直接經(jīng)濟損失百億元。特別是近年來重大惡性事故頻頻發(fā)生,引起全國上下的普遍關注。
隨著社會的進步科技的發(fā)展,人們對安全認識水平也逐步提高,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。在我國建筑行業(yè)中,尤其要注意人的原因,因為建筑安全事故的核心是“人”,而“人”又是具有特定的文化背景和處于特定的國情之中。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;有限的場地上集中大量的人員、建筑材料、設備和施工機具等進行立體交叉作業(yè),相互干擾難免發(fā)生危險;建筑施工高空、露天作業(yè)多,工作環(huán)境差;工人工作時間長,勞動強度大,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。而且我國建筑安全管理制度理念滯后,建筑業(yè)競爭激烈,安全投入嚴重不足等等也是導致危險事故發(fā)生的重要因素。所以說安全控制是很有必要的,安全控制是通過對生產(chǎn)過程中涉及到的計劃、組織、監(jiān)控、調(diào)節(jié)和改進等一系列致力于滿足生產(chǎn)安全所進行的管理活動。施工安全監(jiān)控的程序如圖1。

圖1

施工現(xiàn)場的安全控制是必不可少的,但是安全投入不足還將導致事故的發(fā)生。而且好多施工單位甚至建設管理部門沒有考慮到安全的經(jīng)濟價值,把安全工作與經(jīng)濟利益對立起來,認為安全投入是企業(yè)負擔,沒有把各項安全措施落實到位。價值工程(Value Engineering)是一門新興的管理技術,是減低成本提高經(jīng)濟效益的有效方法。定義為:
    V=F/C
式中:
    V——價值;
    F——研究對象的功能;
    C——成本,即壽命周期成本。
以價值理論為基礎,可以定義安全價值工程,可以對所研究的系統(tǒng)進行安全分析與評價。主要思想就足對系統(tǒng)的各個單元進行安全價值分析,通過制定相應的整改措施和方案,使各個打援實現(xiàn)最大安全價值,最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的安全值最大,達到安全、高效的生產(chǎn)目的。安全價值定義為:
    SV=S/C
式中:
    SV——安全價值;
    S——研究對象的安全程度;
    C——研究對象的安全成本。
將安全工程與價值工程結合,利用價值工程的原理使得安全價值最大化。安全價值工程的工作順序是:確定安全研究的對象;綜合研究;制定創(chuàng)新方案與評價。施工安全也可以利用安全機智工程來評價,以達到安全值最優(yōu)。
5 虛擬現(xiàn)實在建筑施工安全工程中的應用
虛擬現(xiàn)實技術町以用在建筑施工安全的以下方面:
(1)首先可以用在評價施工安全價值工程中。在施工過程中出現(xiàn)危險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)這四個因素的重要程度進行各個方面的安全價值分析,指定不同的安全方案?？梢赃_到資金與安全程度的最大優(yōu)化。
(2)各種施工設備的操作訓練。尤其是某些重要工程中要采用先進的特種設備,而這些設備是不允許出現(xiàn)失誤且需要不斷反復的操作訓練。即使一般的起重機、挖掘機、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)實技術開發(fā)相應的設備模型用戶通過各種傳感及輸入裝置與虛擬場景的交互,使之通過虛擬的設備得到“真實”地訓練。還可以觀察操作過程中存在那些不規(guī)范的操作,可以提前改正,還可以觀察~些設備的操作隱患。以此好采取相應的措施預防和加強。
(3)可以進行按事故過程模擬。有經(jīng)驗的工程師了解工程當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)實技術可協(xié)助建立安全事故發(fā)生過程三維動態(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。通過建立建筑物的事故模型,可以訓練現(xiàn)場人員在事故發(fā)生上的自救、逃生路線的選擇和應急行動的實施,以次來降低事故發(fā)生時的損失。
(5)還可以進行安全教育。由于農(nóng)民工的文化素質(zhì)普遍較低,進行書本安全知識講解是比較困難的,我應該采用各種真實的或者能引起人們興趣的手段來保證學習的效果,比如安全事故過程的仿真,設備操作的虛擬等。讓人們在愉快的氣氛中受益。
    圖2為虛擬安全仿真系統(tǒng)的運行模式。