建筑施工作为重要的物质生产部门，是我国的国民经济支柱产业。我国的建筑业为社会创造了巨大的财富，但同时建筑施工又是一门传统的技术行业，同其他工业相比，无论是从科技含量、工业化、自动化、智能化、劳动生产率还是组织管理等方面，建筑业都相对滞后。建筑业的市场竞争促使建筑企业的分化，全球经济一体化和国际市场竞争加速了企业追求创新的步伐，大力改进传统施工技术和管理水平，是企业适应知识经济的内在需要，是面对日益激烈的市场竞争的需要。
计算机与信息技术引发的数字化浪潮是我们时代的背景，建筑业要提高自身的科技实力，并赶超其它行业，适应知识信息经济的到来，无疑应大力吸取其它行业和高新技术的成果，用这些成果来改造自身，从而促进自身科技发展。在各行各业都在加速信息化、自动化建设的同时，借助信息技术这个工具，改造和提升建筑业，将成为施工生产进步与发展的方向，同时信息技术的发展将促进其他高新技术的发展，从而带动施工技术的整体进步。
中国建筑第三工程局作为全国著名的国有大型建筑企业，曾经在塔结构（辽宁电视塔、天津电视塔和澳门电视塔等）、超高层钢结构建筑（深圳发展中心、深圳地王大厦等）、超高层混凝土建筑（深圳国贸、武汉国贸等）以及其他建筑方面取得过突出的成就，这些成就一度代表着我国建筑业的施工水平。但面对信息知识经济，如何探索利用信息技术改造传统的建筑业是我们建筑企业一直不断思考和努力的方向。通过大量的工程实践和系统研究，结合企业的特点和技术力量，校企合作，我们初步形成了以建筑施工虚拟仿真（VR）为代表的施工计划系统、以GPS建筑测量以及其他自动化技术（大体积混凝土自动测温、激光测量、工业电视监控、预拌混凝土自动控制、以及同步提升技术等）为代表的施工过程自动化系统和企业与项目信息管理两级集成系统（PMIS）为特色的信息化建筑施工体系。这些理论研究和实践应用大大地提升了企业的整体科技水平和市场竞争核心力,从而使科技进步和市场效益形成了良性循环，并促使我们在此基础上不断创新，从而推动全施工行业生产力水平的提高和发展。
§1.1 虚拟仿真技术简介
随着计算机技术的普及和发展,在建筑工程施工中采用智能方法极大地促进了施工技术和管理水平的提高,从而推动着施工学科的不断进步和发展。目前施工领域应用较成熟的软件系统有:CAD 辅助设计技术、专家系统、智能管理系统、办公自动化系统等,这些计算机技术的应用改造了传统的施工方法和理论,带来了新的理念。通过在建筑工程施工中引入虚拟技术的工程实践证明,建筑工程施工应用虚拟技术已成为可能,用虚拟技术研究建筑工程施工,将创造极大的经济性和促进技术的进步。
曾有专家预言虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，简称 VRT）将是21世纪最为广泛应用的技术，是未来的流行技术，我们可以先通过几个成功应用虚拟现实技术的例子来看看。那么虚拟现实技术到底能给人类生活带来什么改变？
日本松下公司利用虚拟现实技术建立了用来招揽买主的“厨房世界”。在这里你只要戴上特殊的头盔和一只银色的手套，就可以去“漫游”厨房世界了。你伸手去开门，门随手而开，厨房内的所有设备就会映人你的眼帘。你可以用手打开柜橱的门和抽屉，查看里面的结构和质量，可从碗架上拿下盘子看看，也可以打开水龙头，立即看见水流出来，听见流水声，还可查看水池下面的排水是否流畅，也可查看照明是否亮堂，试试通风排气是否正常。可是当你拿下头盔，摘下手套时，这一切又都消失了。
全美最大的民宅营造商之一，美国MRA公司，将VR技术运用到民宅商品促销上。他们将要推销的城镇民宅（尚未建好的）以虚境的形式在公司的展销中心展示给买主。顾客带上头盔式显示器后可开门进入这一住宅，观察房间的大小、装饰、壁炉和厨房的布局；通过楼梯走入上层，可环视家具和壁橱的布置、住宅周围的环境；对于室内安装的电器可以实地触摸和操作等。展出这样的虚拟样宅后，这种住宅的销售量立即增为3倍。
在
那么，到底如何定义虚拟现实技术？它对我国工业尤其是传统工业的代表——建筑行业又将产生什么样的影响?
一、发展历史
任何一门科学或工程技术的发展，都有其特定的规律，并随着社会整体科技水平的提高而进一步向前发展；所以研究工作应从历史出发并跟踪世界领先的技术才能取得突破。正因为如此，我们首先追溯建筑工程发展的历史沿革。建筑工程是土木工程的主要分科，土木工程的发展史就是一部建筑工程的发展史。
我们将传统的土木工程学定义为运用数学、物理、化学等基础科学知识，力学、材料等技术科学知识以及土木工程方面的工程技术知识来研究、设计、修建、评价各种建筑物和构筑物的一门学科。土木工程（在英语里称为Civil Engineering直译为“民用工程”）的原意是与“军事工程”相对应的。历史上，土木工程、机械工程、电气工程、化工工程曾经都属于Civil Engineering，因为它们都具有民用性。由此可见它们的渊源其实是相近的，这为我们以后借鉴制造业的先进技术从历史上提供了可能。
土木工程作为一门古老的学科，它的发展经历了古代、近代和现代三个历史时期。
从新石器时代开始至17世纪中叶归为古代土木工程时期，这个时期只利用天然材料、简单工具和铁制工具，理论上也缺乏依据和指导。
从17世纪中叶至20世纪中叶可划为近代土木工程。在这个时期，伽利略、牛顿创建了经典力学理论，欧拉创建了曲线变分法，将它们运用于土木工程产生了结构设计理论和稳定问题的基础；1824年阿斯普丁发明了水泥、1859年贝赛麦发明转炉炼钢法，将它们应用于土木工程出现了钢筋混凝土结构及钢结构以及相关理论，并产生了近代高层建筑的萌芽。
从20世纪中叶到20世纪末归为现代土木工程。社会的发展，新材料、新工艺的不断涌现，尤其是计算机和现代管理技术的出现，使得土木工程出现了新的发展态势：计算机广泛应用于设计、施工、材料管理及理论计算等土木工程的各个领域；动态规划和网络技术加速渗透；施工过程朝着工业化、装配化发展。土木工程技术和管理水平都达到了前所未有的新阶段。
二十一世纪向传统的土木工程提出了更新的挑战。随着计算机图形学、计算机系统工程学及其软硬件科学的飞速发展，八十年代出现了虚拟现实技术，虚拟现实提供的人机界面实现了人与计算机的全方位交互，对工业界和工程界产生了革命性的影响。机械行业已经开始了虚拟制造的研究及应用，波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，该虚拟产品的诞生及设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。为了满足社会经济建设需要对土木工程提出了日益复杂和高标准的要求，仅靠新工艺、新材料还不足以满足在信息时代对土木工程更新换代的需求，还必须利用新技术进行一系列新概念、新思想、新理论的探索。
二、虚拟现实技术从制造业走向建造业
从我们接触土木工程的第一天起，就开始接受这样传统的观念，建造业与制造业存在着重大的区别：产品的单件性、组织的临时性、生产系统的离散性、现场管理的随机性、影响因素的复杂性等等；甚至建筑机械工程师都必须提醒自己，我们的机械跟一般的机械不同，工件（即建筑物）是静止的，相反，工作母机围绕着产品动作。也正因为建造业如此众多的不确定性和特殊性，使得它难以以相近的步伐利用制造业已经取得的先进生产技术；也使得建造业至今由于多种原因还难以摆脱半手工的生产状态以及比较混乱和难于控制的管理状态；尤其是建筑施工领域。
尽管我们很容易找到这种种的不同之处，但是，这些观点通常只停留在定性的阶段，很少有人致力于收集数据，并对其进行定量分析。首先，这种不同达到了何种程度，比如：建筑工程中到底有多少工作是可重复的，其一次性达到何种程度，建筑产品中到底有多少是可以标准化并进行批量生产的；其次，这些特性是否使得建造业在生产过程和技术改造中要付出更大的代价以及代价到底大多少等等。
特别值得注意的是：随着工业及工程界的竞争越来越激烈，市场瞬息万变，各行各业都逐渐以多品种小批量的生产为其主导生产形式。这在很大程度上拉近了制造业与建造业的距离；使得它们都面临着许多相同的问题和挑战。比如：由于系统投资较大、周期较长，在系统正式建立与运行之前，难以对这些系统的效益和风险进行确实而有效的评估；开发一个新产品，无法在投入大量人力和经费之前就确定其开发价值和对投产后所取得的效益及风险进行确实有效的评估；不能在产品设计开发的各个阶段把握产品制造／建造过程各个阶段的实况，不能确实有效地协调设计与制造／建造各阶段的关系。随着计算机网络和虚拟现实的出现，制造行业的企业纷纷引入了VR技术来解决这些问题，这也使得建造师们把目光投向VR，利用虚拟制造所取得的成效，更快速地建成虚拟建造系统。
从长远来看，建筑行业采用工业化的生产方式正是它发展的方向：建筑材料和建筑制品己普遍采用集中、大批量、标准化生产，这促使建筑施工和管理方法也应当符合工业化的生产与供应要求。事实上，国际上已经有了其成功的范例。比如：将精益生产（Lean production）和敏捷制造（Agile Manufacturing）引入建筑领域。美国的IGLC（International Group for Lean Construction）就从事此项研究活动，并做了大量卓有成效的工作。
当然，如何运用合理的技术和管理策略，使得制造业已经取得的先进技术更易于向建造业转化，是一个很艰巨的课题，这需要付出巨大的努力。
三、建筑行业虚拟化的意义
一旦我们能够合理借鉴制造业也已取得的先进技术和先进经验，并将之运用于建筑行业，必将对传统的建筑业带来耳目一新的变化，不管是在观念还是在技术上。现拟从不同的角度来分析虚拟建造和虚拟产品的重要意义。
首先是业主。他们在投资之前都希望能获得建筑物更为直观、具体的概念。这一需要在建筑行业尤显重要，因为工业产品的批量生产使得消费者在购买之前对产品已有了解，这有助于他们的选择和决定；而建筑产品的个性强，质量的离散性或随机性较大，业主在决策之前对要进行投资的建筑产品很难有明确的概念。类似于制造业在开发新产品之前需要试制样机一样，身临其境、多感知地体会未来的建筑产品无疑将对业主的决策起到良好的引导作用。这对房地产开发商和投资者将具有不可抵御的吸引力。更进一步地说，他们也希望在建造活动中，能有更多的自主权，也就是要建筑产品能全方位反映他们的投资意图，并能在项目建造以及整个生命周期中，随时根据市场的变化做出调整。
再则是设计单位。我们很难苛求设计师既懂土木，又懂水电安装、还懂通风、采暖和空调，随着智能建筑的兴起，最好还懂得控制和网络。但是建筑物却是一个综合性产品，任何建筑产品都离不开这诸多专业的合作。我们已经注意到：在实际建造过程中，很多质量问题和工期耽误都来自设计中各专业未能统一协调。例如：在建筑物进行机电设备安装时，一份统一各工种的综合施工图就显得尤为重要，而设计单位却很少进行此类工作。设计分专业进行无可厚非，但设计出的产品却必须共用统一的空间，否则就会出现矛盾。使用虚拟产品作为通用标准的设计正好给出了完满的解决方案，将建筑产品的不同方面从空间上统一起来。
而收获最大的可能是承包商。建筑产品最终是靠施工单位实现的，决策者头脑中的建筑产品早已在初设、扩初、总包、分包等等层层技术交底中受到扭曲。即使在施工单位内部，由于面对的技术图纸几乎没有可视性，加之目前建筑工人的素质普遍不高，哪怕是工长的意图也并不那么方便下传。更为可怕的是来自业主和设计单位的永无止境的设计变更。虚拟产品的出现对于协调各分包商的关系，统一认识，透彻理解设计意图，增强应变能力都有着不可比拟的优越性。更重要的是，虚拟建造系统使得优化施工真正成为可能。在虚拟产品上很容易进行实验和比较，有助于施工者制定出经济快捷、安全可行的施工方案，极大减少了施工风险，也便于进行质量、成本和进度的控制和管理。
虚拟建造在本质上是实际建造过程在计算机上的映射，因此它可以通过计算机虚拟建造环境来模拟和预估建筑物的外观、功能及施工性能等各方面可能存在的问题，从而提高了人们的预测和决策水平，它为建造师们提供了从建筑物概念的形成、设计到施工全过程的三维可视及交互的环境，使得建造技术走出了主要依赖经验的狭小天地，发展到了全方位预报的新阶段。
一、什么是虚拟现实
虚拟现实(Virtual Reality，简称为VR)这一名词是美国VPL Research公司的奠基人发明家Jaron Lanier于80年代初所提出。这是他在实地建造这种类型的环境中领悟而创造出来的一个称呼。现在，这一名词日渐流行并被学术界和技术界所承认。
为什么“虚拟现实”一词中同时含有“虚拟”和“现实”这两个对立的成分?名词创造者的用意是：以“虚拟”两字说明，利用VR技术所产生的局部世界并非是真实的，而是人造的，是虚构的；以“现实”两字说明，虽然这一局部世界是人造的，但它对进入这一局部世界的人来说，在感觉上是与进入了现实世界相同。在此的感觉可以包括视觉、听觉和触觉。
虽然作为一门新兴的技术，虚拟现实的名称是在80年代初兴起于国外一些发达国家的：但它本身不是一种新出现的东西，从支撑其发展的各种技术角度而言，许多概念和成果，早就分散在多种领域。所以，不太好写一部单独的虚拟现实技术发展史。它采用了电子工业数十年的研究成果，并随着它们技术发展而发展。以下我们回顾数十年来人们为虚拟现实所做的努力：
1929年，Edwin Link设计了一种竞赛乘坐器，它使得乘坐者有一种在飞机中飞行的感觉。Link飞行模拟器是虚拟现实几个先驱中的一个。
1962年，美国电影摄影师Morton Heilig研制出了第一套多感知仿真体验系统Sensorama Simulator，这是第一套VR视频系统。它具有图像、声音、振动、风、气味等感知性能，但属于非交互式的系统。
1965年，在IFIP会议上，有VR“先锋”之称的计算机图形学的创始人Ivan Sutherland作了题为“The Uelimate Display”的报告，提出了一项富有挑战性的计算机图形学研究课题，他指出，人们可以把显示屏当作一个窗口观察一个虚拟世界，使观察者有身临其境的感觉。这一思想提出了虚拟现实概念的雏形。
1968年，Ivan Sutherland使用两个可以戴在眼睛上的阴极射线管(CRT)，研制出了第一台头盔式立体显示器(HMD)。并发表了题为“A Head-Mounted 3D Display” 的论文，对头盔式三维显示装置的设计要求、构造原理进行了深入的讨论，并绘出了这种装置的设计原型，成为三维立体显示技术的奠基性成果。
1972年，Nolan Bushnell开发了第一个交互式电子游戏，称为Pong，它允许玩游戏的人在电视屏幕上操纵一个弹跳的乒乓球。由于交互性是虚拟现实技术的一个关键，因而这一个交互式游戏的开发具有重要的意义。
到了20世纪80年代后期，因为图形显示技术已经能够满足视觉耦合系统的性能要求，液晶显示(LCD)技术的发展使得生产廉价的头盔式显示器成为可能，所以VR技术得以加速发展。
1985年，Scott Fisher等研制了著名的称之为VIEW的一种“数据手套”(Data Glove)，这种柔性、轻质的手套装置可以测量手指关节动作、手掌的弯曲以及手指间的分合，从而可编程实现各种“手语”。
1986年，研制成功了第一套基于HMD及数据手套的VR系统VIEW。这是世界上第一个较为完整的多用途、多感知的VR系统，它使用了头盔式显示器、数据手套、语言识别与跟踪等技术，并应用于空间技术、科学数据可视化、远程操作等领域，被公认为当前VR技术的发源地。
1989年，VPL的创始人Jaron Lanier提出了“Virtual Reality”(虚拟现实)这个名词，意指“计算机产生的三维交互环境，在使用中用户是‘投入’到这个环境中去的”。根据他提出的这个名词的含义，VR的一种定义是让用户在人工合成的环境里获得“进入角色”的体验。从此，“Data Glove”和“Virtual Reality”便引起新闻媒介极大的关注和丰富的想象。
1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，对VR技术进行了讨论，明确提出了VR技术的主要内容是：实时三维图形生成技术、多传感器交互技术，以及高分辨显示技术，这为VR技术的发展确定了研究方向。
在“需求牵引”和“技术推动”下，近年来VR已经取得的一些技术成果，并已集成了一些很有实用前景的应用系统。智能虚拟世界也在不断地发展。
鉴于其技术基础面广泛而深入，特别是受实时三维计算机图形的制约，开始，除了大投入的军工国防部门外，并不被广泛注意。随着LED和CRE显示器技术、高速图形技术、多媒体技术及示踪技术的发展，加之图形并行处理、面向对象的程序设计方法的发展，虚拟现实技术开始活跃，特别是近几年发展很快。
我们尝试着用其工作定义来解释VR：虚拟现实，作为对传统的人机交互方式的深化，是一种人机共享模式的技术领域，人们能利用它仿造出或创造出虚拟环境，并让人们能身历其境地进入这一环境。同时，作为信息科学的一个分支，它又是一个由计算机技术、传感器技术和执行器技术，包括计算机图形学、系统仿真学和人工智能溶合而成的技术领域，但它具有其自己独特的研究内容：虚拟环境的产生和虚拟环境的感受。
生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题：
①以假乱真的存在技术。即，怎样合成对观察者的感觉器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。
②相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。实际上也就是怎么可以看得更像，听得更真等等。
③自律性现实。感觉者如何在不意识到自己动作、行为的条件下得到栩栩如生的现实感。
为了成功地开发这三大技术，虚拟现实必须处理好如下图所示的各个要素之间的相互关系。在这里，观察者、传感器、计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的闭环流程。
（感 觉） 人 （动 作） 传感器件 作用器件 虚拟环境（产生） 虚拟环境发生器
典型虚拟现实系统模型如图
图
虚拟现实系统主要由以下六个模块构成，如图
图
①检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。
②反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。
③传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。
④控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。
⑤建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。
