虚拟仿真技术与建筑施工安全工程

2013-06-03 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

随着计算机技术和信息技术的快速发展,仿真技术也得到了迅速的推动,并在高技术的发展中越显其重要作用。本文介绍了仿真技术的发展和形成,介绍了该技术在建筑施工中的应用。重点介绍了它在施工安全中的应用。
李春华孟周济蔡相娟来源:万方数据
关键字:CAE 虚拟仿真建筑施工安全

仿真技术(Simulation Technology)已有半个多世纪的发展史了,在这半个多世纪里,仿真技术的发展从简单到复杂、从理论到实践、从辅助学科到解决重大工程问题的必要手段。仿真技术在计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程、信息处理技术、控制论、系统工程等相关技术和理论的支持、交叉、融合下,逐渐形成了一门交叉科学,成为认识客观世界的一裢重要的方法。
1 仿真科学的发展和形成
仿真系统的发展首先从仿真器开始,第一台美国空军的林克机练习器是1929年诞生的。二战后期,火炮控制与飞行控制动力学系统的研究促进了仿真技术的发展。最初还只是用于军事方面。70年代后,仿真技术不但在军事领域得到迅速发展,而且扩展到了许多工业领域,如汽车模拟器等。这是发展的初级阶段。20世纪80年代美国国防部高级研究计划局和美国陆军共同制定和执行了SIMNET研究计划,美国空军建立了先进的半实物仿真实验室,随后各部门继续设分布式交互方针系统、并行分布式交互仿真系统、聚合级仿真系统。这是仿真技术发展的高级阶段。上个世纪宋和本世纪初,对广泛领域的复杂性问题进行科学研究的热潮正在兴起。复杂性是对简单性的否定,复杂问题的提出,推动了整体论、系统论的发展。仿真技术进入了今天的研究复杂系统仿真的新阶段。
2 仿真技术的应用领域
仿真技术最早主要应用于军事方面,比如航天器、航海模拟、高能武器等。随着国民经济的发展,仿真技术被迅速地推广应用到国民经济的每个领域,成为系统工程中的科学方法和有力工具。最广泛地应用在军事领域,比如美国的综合战区演练(STOW)计划、欧洲大型军事演习(代号JPOW)、美国在科威特进行的战区导弹作战仿真等;仿真技术在工业系统的多种应用取得了巨大的社会和经济效益;近几年来仿真技术在制造业中的应用和发展在我国取得很好的成果。仿真技术将设计、试制、生产、销售一体化:利用模拟现实仿真技术医生可以在虚拟病人身上进行手术训练,通过训练可以提高手术成功率;仿真技术已经应用到游乐产业中,出现的高科技仿真设备有:“仿真太空船”、“仿真高尔夫球”、“赛车”、“飞机格斗”等;当前仿真技术还用于房地产业中,开发商利用虚拟仿真技术把预售房子的结构、布置等效果用3D实现,让购房者可以体验到真实的情景以产生美好憧憬;虚拟仿真技术与建筑施工的有机结合,使工程师在建筑尚未开工之前便漫游其中。许多重大工程(比如三峡工程、南水北调工程)项目的失误都将是灾难性的,而且也是不允许失败的。对于这类工程预先应用仿真技术排除设计错误、优化设计、预示完成后的工作状况已经成为工程界的共识。
3 虚拟仿真技术在建筑施工中的应用与现实意义
虚拟仿真技术在建筑施工的应用有很重大的意义:首先有助于建筑市场的管理、完善管理制度。施工虚拟工程在招投标过程中能主观对比投标各方的施工工艺、方法和成效,增加评标的透明度和公正性,减少各种不正当行为的发生。有利于建筑市场的规范化管理;还可以考察建筑设计是否合理,从而指出不合理的部位进行修改,达到优化设计的目标。这对重大工程尤为重要;有助于施工方案的选择和优化。因为建筑施工方案的选择有一定的局限性,它主要取决于决策者的施工经验和知识水平,而且施工过程又都没有可模性,决定了建筑施工过程的各异性。而施工虚拟仿真技术可以直观、科学地展示不同施工方法和施工组织措施的效果,可以定量地完成方案的对比,真正实现施工优化;该技术还可以模拟新技术、新材料、新工艺应用后的效果;有助于旋工管理:施工虚拟仿真技术能模拟施工全工程,能够提前发现施工管理中质量、安全等方面存在的隐患。管理人员可以采取有效的预防、加强措施,提高工程施工质量和管理效果;施工虚拟仿真技术能实时、直观地显示施工全过程,这样有助于操作人员全面了解作业过程,安全地完成施工任务。建筑业是高危险行业,加强安全工作是施工单位的工作重点,也是政府和人民群众关注的重点。
4 建筑施工安全与安全价值工程
目前我国正在进行历史上也是世界上最大规模的基本建设。建筑业完成产值年年持续增长。建筑也从业人员数目庞大,据不完全统计人数为3893万人,已占全国工业总从业人数的约1/3,建筑产业已成为国家的支柱产业。工程建设的巨大投资和从业人员的庞大规模使得安全事故的后果异常严重和巨大。我国工程建设中的安全管理水平一直很低,每年由于安全事故丧生的从业人员超过干人,直接经济损失百亿元。特别是近年来重大恶性事故频频发生,引起全国上下的普遍关注。
随着社会的进步科技的发展,人们对安全认识水平也逐步提高,从安全事故发生原因的偶然性到必然性的过程。这些必然原因中,最主要的原因是人的原因、物的原因、环境的原因、管理失败的原因。在我国建筑行业中,尤其要注意人的原因,因为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处于特定的国情之中。一方面是作为管理者的“人”重生产轻安全的思想普遍存在,安全管理缺陷几乎存在每一起安全事故中;另一方面是建筑活动主体的“人”——农民工,自身文化素质及职业安全素质较低;有限的场地上集中大量的人员、建筑材料、设备和施工机具等进行立体交叉作业,相互干扰难免发生危险;建筑施工高空、露天作业多,工作环境差;工人工作时间长,劳动强度大,容易出现疲劳、注意力不集中造成安全事故;建筑产品复杂,材料堆放不符合要求也是造成安全事故的原因。而且我国建筑安全管理制度理念滞后,建筑业竞争激烈,安全投入严重不足等等也是导致危险事故发生的重要因素。所以说安全控制是很有必要的,安全控制是通过对生产过程中涉及到的计划、组织、监控、调节和改进等一系列致力于满足生产安全所进行的管理活动。施工安全监控的程序如图1。

图1

施工现场的安全控制是必不可少的,但是安全投入不足还将导致事故的发生。而且好多施工单位甚至建设管理部门没有考虑到安全的经济价值,把安全工作与经济利益对立起来,认为安全投入是企业负担,没有把各项安全措施落实到位。价值工程(Value Engineering)是一门新兴的管理技术,是减低成本提高经济效益的有效方法。定义为:
    V=F/C
式中:
    V——价值;
    F——研究对象的功能;
    C——成本,即寿命周期成本。
以价值理论为基础,可以定义安全价值工程,可以对所研究的系统进行安全分析与评价。主要思想就足对系统的各个单元进行安全价值分析,通过制定相应的整改措施和方案,使各个打援实现最大安全价值,最终实现整个系统的安全值最大,达到安全、高效的生产目的。安全价值定义为:
    SV=S/C
式中:
    SV——安全价值;
    S——研究对象的安全程度;
    C——研究对象的安全成本。
将安全工程与价值工程结合,利用价值工程的原理使得安全价值最大化。安全价值工程的工作顺序是:确定安全研究的对象;综合研究;制定创新方案与评价。施工安全也可以利用安全机智工程来评价,以达到安全值最优。
5 虚拟现实在建筑施工安全工程中的应用
虚拟现实技术町以用在建筑施工安全的以下方面:
(1)首先可以用在评价施工安全价值工程中。在施工过程中出现危险事故的原因主要有人的不安全行为、物的不安全状态、环境隐患和组织管理不力等。可以根据这四个因素的重要程度进行各个方面的安全价值分析,指定不同的安全方案。可以达到资金与安全程度的最大优化。
(2)各种施工设备的操作训练。尤其是某些重要工程中要采用先进的特种设备,而这些设备是不允许出现失误且需要不断反复的操作训练。即使一般的起重机、挖掘机、塔吊也需要熟练的操作,还有混凝土搅拌站等等。采用虚拟现实技术开发相应的设备模型用户通过各种传感及输入装置与虚拟场景的交互,使之通过虚拟的设备得到“真实”地训练。还可以观察操作过程中存在那些不规范的操作,可以提前改正,还可以观察~些设备的操作隐患。以此好采取相应的措施预防和加强。
(3)可以进行按事故过程模拟。有经验的工程师了解工程当中那些部位容易出现隐患,那些部位容易发生事故。比如爆炸、坍塌、坠落、交通事故等。利用虚拟现实技术可协助建立安全事故发生过程三维动态仿真模型,为以后类似的事故的分析、职工安全教育停工有力的工具支撑。
(4)可以模拟紧急逃生演练。三维交互系统的沉浸性使用户和系统之间可以交换信息。通过建立建筑物的事故模型,可以训练现场人员在事故发生上的自救、逃生路线的选择和应急行动的实施,以次来降低事故发生时的损失。
(5)还可以进行安全教育。由于农民工的文化素质普遍较低,进行书本安全知识讲解是比较困难的,我应该采用各种真实的或者能引起人们兴趣的手段来保证学习的效果,比如安全事故过程的仿真,设备操作的虚拟等。让人们在愉快的气氛中受益。
    图2为虚拟安全仿真系统的运行模式。