BIM技術(shù)在4D施工進(jìn)度模擬的應(yīng)用探討

王 婷， 池文婷

(南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063)

BIM技術(shù)在4D施工進(jìn)度模擬的應(yīng)用探討

王 婷， 池文婷

(南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063)

隨著建筑施工動態(tài)管理日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的進(jìn)度管理方式已無法適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，基于BIM的施工進(jìn)度模擬應(yīng)運(yùn)而生。4D施工進(jìn)度模擬以BIM技術(shù)為工具，以某公共建筑為工程背景，利用Navisworks軟件關(guān)聯(lián)由Revit建立的建筑、結(jié)構(gòu)以及機(jī)電設(shè)備的BIM模型和施工進(jìn)度計劃Project文件，動態(tài)演示整體和局部的施工過程以及施工場地布置情況。一方面可以直觀地展示整個施工過程，實(shí)現(xiàn)施工過程的可視化管理。另一方面，有效實(shí)現(xiàn)了4D進(jìn)度模擬與 Project文件中的數(shù)據(jù)對接，為工程管理者管理大型建設(shè)項(xiàng)目提供了新途徑和方法。

建筑信息模型技術(shù)；3D模型；4D施工進(jìn)度模擬；施工管理

在建設(shè)工程項(xiàng)目管理中，其施工進(jìn)度管理一直是難點(diǎn)，因其受到內(nèi)在因素諸如施工技術(shù)、施工工藝、人工、材料和機(jī)械等資源調(diào)配情況以及外在的因素如天氣、管理水平和人員素質(zhì)等的影響，使得建設(shè)工程經(jīng)常出現(xiàn)工期拖延現(xiàn)象。傳統(tǒng)的施工進(jìn)度管理方法主要是通過網(wǎng)絡(luò)圖、橫道圖、直方圖等方式來對建設(shè)項(xiàng)目的進(jìn)度進(jìn)行管理，而項(xiàng)目管理者在編制這些進(jìn)度計劃時大部分是依靠多年積累的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來完成，其精確程度不言而喻，且無法清晰描述施工進(jìn)度以及各種復(fù)雜關(guān)系，所以在實(shí)際施工過程中，進(jìn)度拖延現(xiàn)象也實(shí)為普遍。

1 基于BIM的4D進(jìn)度模擬

4D技術(shù)將進(jìn)度相關(guān)的時間信息(如Project文件)和動態(tài)3D模型鏈接產(chǎn)生4D的施工進(jìn)度模擬，即是用計算機(jī)軟件建立3D模型并借助各種可視化的設(shè)備對項(xiàng)目進(jìn)行虛擬描述，附加時間維度，通過WBS關(guān)聯(lián)施工進(jìn)度計劃，將施工過程的每一個工作以可視化形象的建筑構(gòu)件虛擬建造過程來顯示[1]。

1996年，美國斯坦福大學(xué)的工程中心(Center for Integrated Facility Engineering，CIFE)最先提出了4D理論[2-4]，十幾年來，在建筑施工進(jìn)度中，實(shí)現(xiàn)了三維可視化動態(tài)管理以及施工現(xiàn)場場地布置的動態(tài)管理。并且隨著建筑信息模型(building informationModeling，BIM)的發(fā)展，其運(yùn)用正在向5D甚至6D的技術(shù)方向延伸[5]，面向建筑的全壽命周期。

在我國 BIM的應(yīng)用價值已經(jīng)得到政府的高度關(guān)注和行業(yè)的普遍認(rèn)可?！盎贐IM技術(shù)的下一代建筑工程應(yīng)用軟件研究”課題被列為“十一五”國家科技支撐計劃重點(diǎn)項(xiàng)目，其目的在于進(jìn)一步研究施工優(yōu)化管理理論以及4D施工管理方法[6]?！笆濉逼陂g，力度明顯加大，《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》的總體目標(biāo)明確提出，“十二五”期間，加快BIM、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作等新技術(shù)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用。以張建平教授為首的清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，多年來在三維可視化的建筑虛擬施工和場地布置以及動態(tài)管理方面取得了顯著的研究成果。其開發(fā)的“基于BIM的4D虛擬施工及動態(tài)管理系統(tǒng)”和“基于BIM的4D建筑施工優(yōu)化系統(tǒng)”在多個大型工程應(yīng)用示范成功，如青海灣大橋中。BIM已經(jīng)在業(yè)內(nèi)一些項(xiàng)目上不同程度和不同項(xiàng)目階段得到了成功運(yùn)用[7]。

為探討B(tài)IM技術(shù)在4D施工進(jìn)度模擬的價值，本文以 BIM技術(shù)為工具，以某公共建筑為工程背景，利用Navisworks軟件將由Revit軟件建立的建筑、結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備的 BIM模型和施工進(jìn)度計劃Project文件(.mpp格式)動態(tài)演示整體和局部的施工過程以及施工場地布置情況，運(yùn)用Navisworks軟件建立相應(yīng)的4D進(jìn)度模擬模型。研究建筑施工進(jìn)度模擬模型及其價值，深化其運(yùn)用。與傳統(tǒng)施工進(jìn)度管理方法相比基于BIM的4D施工進(jìn)度模擬具有以下特點(diǎn)：

(1)4D進(jìn)度模擬能夠直觀地展示整個施工過程，從而為項(xiàng)目管理者提供三維可視化的平臺，使施工過程可視管理化成為可能。

(2) 實(shí)現(xiàn)了3D參數(shù)化模型與Project文件中數(shù)據(jù)的完全對接，從而保證了施工現(xiàn)場管理與施工進(jìn)度在時間和空間上協(xié)調(diào)一致，有效地幫助項(xiàng)目管理者合理安排施工進(jìn)度和施工場地布置，并且根據(jù)進(jìn)度要求優(yōu)化分配人、材、機(jī)等各種資源。

(3)4D進(jìn)度模擬不但可以模擬整個項(xiàng)目的施工過程，還可以對復(fù)雜技術(shù)方案的施工過程和進(jìn)度進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)施工方案可視化交底，避免了由于語言文字和二維圖紙交底引起的理解分歧和信息錯漏等問題。

(4) 通過這項(xiàng)技術(shù)的使用，提高了建筑信息的交流層次并且使參與各方溝通方便，降低了建設(shè)項(xiàng)目由于信息過載或信息流失所產(chǎn)生的影響，提升了建筑施工管理者的工作效率和管理能力，為大型建設(shè)項(xiàng)目的管理開創(chuàng)新途徑和新方法提供了有力的支持[7]。

2 項(xiàng)目概況與總體研究思路

項(xiàng)目概況和總體研究思路見表1和圖1。

表1 項(xiàng)目概況

圖1 本文總體研究思路

3 3D參數(shù)化模型的創(chuàng)建

3.1 基于BIM平臺的建模給建設(shè)項(xiàng)目帶來的價值

3.1.1 可視化

BIM 模型可以從任意位置和任意角度查看模型，從模型中點(diǎn)選構(gòu)件，模型不僅可以提供圖元的尺寸、材質(zhì)等參數(shù)屬性，還可以查看該圖元的設(shè)備型號和有關(guān)技術(shù)指標(biāo)等場地屬性[8]。

3.1.2 協(xié)調(diào)性

整個三維建筑模型是一個集成的數(shù)字化數(shù)據(jù)庫。模型中構(gòu)件所有的實(shí)體和功能特征都參數(shù)化并以數(shù)字形式儲存在數(shù)據(jù)庫中。存在于數(shù)據(jù)庫與視圖和視圖與視圖間的雙向關(guān)聯(lián)性，使所有的圖形和非圖形數(shù)據(jù)都能夠輕松協(xié)調(diào)。比如修改項(xiàng)目中的三維圖形，其平、立、剖視圖和明細(xì)表統(tǒng)計也會同步修改。

3.1.3 模擬性

通過顯示、隱藏或設(shè)置不同顏色等方法，由BIM軟件建立的3D場地實(shí)體模型不僅能夠?qū)ㄖ?xiàng)目整體和節(jié)點(diǎn)施工工藝進(jìn)行直觀演示，而且能夠結(jié)合一系列輔助設(shè)計工具進(jìn)行各施工階段的場地布置。

3.1.4 參數(shù)化

基于BIM的3D模型還具有參數(shù)化修改功能。即構(gòu)件的移動、刪除和尺寸的修改所引起的參數(shù)變化會引起相關(guān)構(gòu)件的參數(shù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的變化，在任意視圖下所產(chǎn)生的變更都能參數(shù)化地、雙向地傳播到所有視圖。并且模型的參數(shù)化修改不受時間順序和空間順序的限制，這對于后期的優(yōu)化修改工作具有重要的意義。

3.2 參數(shù)化建模思路及主要步驟

3.2.1 建模思路

基于BIM的參數(shù)化建模，本文使用Autodesk Revit Architecture和Autodesk RevitMEP兩個軟件對本項(xiàng)目建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電以及場地設(shè)施等進(jìn)行參數(shù)化模型創(chuàng)建，包括3個步驟即前期準(zhǔn)備工作、建模過程以及后期文件處理(見圖2)。

圖3 Revit建筑與結(jié)構(gòu)整合模型

圖2 基于BIM的參數(shù)化建模思路

3.2.2 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)一般包括梁、板、柱、剪力墻以及其他砼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)建模主要是按照先樁基礎(chǔ)、基礎(chǔ)梁、柱、梁、板的順序進(jìn)行建模，建模過程構(gòu)件命名需規(guī)范。

3.2.3 建筑建模

建筑建模主要是指墻體建模、窗的放置和樓梯創(chuàng)建等，各構(gòu)件命名及編號規(guī)范是建模的關(guān)鍵。比如對墻體分為剪力墻、外墻、內(nèi)墻以及幕墻等。建筑與結(jié)構(gòu)模型整合完成后如圖3所示。

3.2.4 機(jī)電建模

圖4 Revit機(jī)電整合模型

MEP(mechanical，electrical and plumbing)設(shè)備分別由暖通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)組成。機(jī)電建模的先后順序?yàn)榕ǖ娘L(fēng)管(送風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)、新風(fēng))，強(qiáng)電和弱電電纜橋架，給排水，消防管，噴淋管。圖4為全部的機(jī)電模型以及從內(nèi)部觀察處理后的模型。

4 進(jìn)度計劃的編制

本文中4D進(jìn)度模擬是通過將“.mpp”格式的進(jìn)度計劃文件與參數(shù)化3D模型鏈接來實(shí)現(xiàn)。其關(guān)鍵在于進(jìn)度任務(wù)和進(jìn)度安排必須劃分足夠詳細(xì)。例如前期的平整場地、設(shè)備進(jìn)場、材料進(jìn)場和搭設(shè)腳手架等活動需要詳細(xì)劃分。同時，編制合理的次序和進(jìn)度計劃，需要充分考慮空間、時間等各方面的因素。本項(xiàng)目使用Project 2007項(xiàng)目管理軟件，創(chuàng)建工程的任務(wù)，并設(shè)定好各工作任務(wù)之間的關(guān)系，制定甘特圖保存為“.mpp”格式文件，如圖5所示。進(jìn)度任務(wù)安排和3D施工模型的構(gòu)件對象相對應(yīng)，運(yùn)用BIM工具將細(xì)分的活動在4D進(jìn)度模擬中展示出來，實(shí)現(xiàn)任務(wù)、甘特圖和三維模型完全對接，整個進(jìn)度計劃就是4D模擬需要展示的全部內(nèi)容。

圖5 project環(huán)境下項(xiàng)目進(jìn)度任務(wù)文件

5 基于BIM的4D進(jìn)度模擬分析

5.1 運(yùn)用BIM軟件實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度模擬

4D模擬是在制定的進(jìn)度計劃文件和 3D BIM模型之間建立連接，并依據(jù)時間信息給定合理的裝配次序使其在可視化環(huán)境中演示出來的過程。

目前，Navisworks軟件在BIM施工方面應(yīng)用非常廣泛，運(yùn)用該軟件能夠進(jìn)行三維模型實(shí)時漫游，無需CAD和昂貴硬件支持，快速進(jìn)行碰撞檢查，避免重大失誤，集成不同格式的設(shè)計模型，附加時間維度進(jìn)行4D動態(tài)進(jìn)度模擬。其突出的特點(diǎn)是具有百余種不同格式接口，制定的進(jìn)度計劃文件和3D BIM模型可以通過這些接口實(shí)現(xiàn)連接，而且還提供二次開發(fā)的功能，所以該平臺可以很好地用于創(chuàng)建4D進(jìn)度模擬。

5.2 4D進(jìn)度模擬過程

將建筑、結(jié)構(gòu)以及MEP的所有各專業(yè)的.rvt格式文件分層并全部轉(zhuǎn)化為DWF/DWFX文件，并用 Navisworks軟件打開并整合。同時“timeliner”命令是“.mpp”文件的接口，通過該接口將進(jìn)度任務(wù)Project文件鏈接后，設(shè)置“規(guī)則”為“使用相同名稱小寫將 TimeLine任務(wù)從列名稱對應(yīng)到選擇集?！边@樣就能實(shí)現(xiàn)任務(wù)、甘特圖和三維模型完全對接如圖6所示。

為了達(dá)到更好的效果，可以為構(gòu)件的出現(xiàn)添加動畫，設(shè)置任務(wù)類型以及播放時間等。至此，4D進(jìn)度模擬就創(chuàng)建完成，過程包括：

(1) 創(chuàng)建完成的4D進(jìn)度模擬，以天、周、月為時間單位，而且可以按照不同的時間間隔對施工的進(jìn)度進(jìn)行正序的模擬或者是逆序的模擬，形象地反映整個施工的進(jìn)度。

(2) 播放的同時右上角顯示出日期和當(dāng)天完成的和未完成的工程量，方便隨時查看。

(3) 系統(tǒng)會在更改施工時間和當(dāng)前狀態(tài)后對進(jìn)度數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時更新，并調(diào)整Microsoft Project進(jìn)度計劃。

(4) 三維模型上的不同顏色代表不同工序，在建的部位表現(xiàn)為綠色，建完綠色消失表現(xiàn)為真實(shí)的顏色(如圖7所示)。

圖6 project文件與Navisworks數(shù)據(jù)有效對接

圖7 Navisworks環(huán)境下施工進(jìn)度模擬界面圖

5.3 運(yùn)用BIM軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案模擬

一些復(fù)雜的技術(shù)方案在二維圖紙中很難表現(xiàn)出來，語言文字說明也容易造成信息傳遞錯誤，導(dǎo)致技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)向施工參與方進(jìn)行技術(shù)交底時出現(xiàn)信息錯漏或者不明確的現(xiàn)象。本工程運(yùn)用施工方案模擬對一些技術(shù)型措施實(shí)現(xiàn)了可視化技術(shù)交底，比如預(yù)埋件的施工，塔吊的安裝工序和安全操作技術(shù)以及吊裝材料設(shè)備的合理定位等問題，從而提高了管理者的工作效率，降低成本，在整個施工過程中產(chǎn)生了巨大效益。

(1) 塔吊的4D進(jìn)度方案模擬跟上述工程的施工進(jìn)度模擬實(shí)施方法一致。圖8為塔吊的安裝及運(yùn)行過程，根據(jù)工程的實(shí)況，編制出合理、有效的塔吊施工安裝進(jìn)度任務(wù)和安全施工方案，并且根據(jù)工程進(jìn)度合理安排塔吊的作業(yè)時間。在軟件中詳細(xì)地展示了塔吊的安裝工序及其進(jìn)度安排，保證準(zhǔn)確無誤的技術(shù)交底且確保施工人員安全、高質(zhì)量地進(jìn)行施工。

(2) 通過塔吊的模擬旋轉(zhuǎn)，考慮塔吊的安裝與拆除是否有足夠的空間，安裝后是否覆蓋或基本覆蓋整個建筑物，是否布置在材料運(yùn)輸方便的通道旁，是否避開障礙物等因素，可以確定塔吊的回轉(zhuǎn)半徑及其準(zhǔn)確定位。

(3) 模擬建造過程塔吊的運(yùn)行，合理分配材料的堆放位置，避免施工材料的二次搬運(yùn)。特別是建筑結(jié)構(gòu)完工后進(jìn)行大型設(shè)備的吊裝，如果吊裝位置沒有找對，后期要搬運(yùn)至室內(nèi)進(jìn)行安裝，可能會存在無法避免的障礙物而導(dǎo)致返工。本工程中事先對大型設(shè)備的吊裝進(jìn)行了模擬，確定好了起吊位置和放置位置，使整個過程順利進(jìn)行。

圖8 塔吊安裝及運(yùn)行過程模擬

5.4 作用分析

通過上述4D模擬分析，可以獲得：

(1) Project進(jìn)度任務(wù)數(shù)據(jù)的完全對接，即時間與模型量的對接，形象直觀地體現(xiàn)了整個進(jìn)度任務(wù)的安排，方便查找以及管理。

(2) 實(shí)現(xiàn)了場地、材料和設(shè)備的合理安排，如腳手架的搭設(shè)、塔吊的位置安排等，整個施工過程更加順暢(如圖9所示)。

(3) 隨時對施工進(jìn)度任務(wù)安排進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)方案，從而保證了施工現(xiàn)場管理與施工進(jìn)度在時間和空間上協(xié)調(diào)一致。

(4) 方便參與各方的溝通，降低建設(shè)項(xiàng)目由于信息過載或者信息流失所產(chǎn)生的影響。

由此，獲得4D進(jìn)度模擬在整個工程項(xiàng)目全壽命周期中的作用：

圖9 Navisworks 環(huán)境下施工場地布置圖

(1) 施工組織設(shè)計的優(yōu)化：4D進(jìn)度模擬提供3D可視化平臺，讓項(xiàng)目相關(guān)人員都能夠更加輕松地預(yù)見到施工建設(shè)的進(jìn)度計劃，并且可隨時對施工進(jìn)度任務(wù)安排進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)方案，有利于在建設(shè)前對施工組織設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

(2) 提高投標(biāo)過程的競爭力：在項(xiàng)目評標(biāo)階段，專家可以從投標(biāo)單位提供的4D模擬中迅速了解工程中使用的主要施工技術(shù)，初步判斷施工組織安排是否合理，并做出初步評估，逼真的三維效果更具競爭力，提高項(xiàng)目中標(biāo)幾率。

(3) 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)安裝模擬：在施工過程中，尤其是復(fù)雜項(xiàng)目，往往存在圖紙復(fù)雜部位表達(dá)不清，施工交底不清楚的問題，這樣就可以通過4D虛擬模型的創(chuàng)建，能夠看清楚復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的三維布置。裝置操作人員在崗位培訓(xùn)時可以更加直觀、方便、快捷地了解掌握裝置的工藝流程、設(shè)備的屬性，使操作員崗位培訓(xùn)的效率得到提高。

(4) 施工現(xiàn)場管理：所有的臨時建筑、擬建建筑、構(gòu)筑物、安全防火裝置、水電管線、垂直運(yùn)輸機(jī)械和道路等都屬于施工現(xiàn)場布置的內(nèi)容[8]。場地布置與施工進(jìn)度相對應(yīng)，使整個施工過程更加順暢，能夠有效避免因材料在施工場地的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)鹊⒄`施工進(jìn)度的情況，同時也可以降低因材料堆放和機(jī)械設(shè)備等搭設(shè)不合理造成的施工安全事故。

此外，運(yùn)用4D進(jìn)度模擬，通過進(jìn)度模擬中的安裝工作時間，進(jìn)行時間倒排，可以獲知備料、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)的時間節(jié)點(diǎn)安排，及時制定采購計劃、生產(chǎn)運(yùn)輸計劃，做到對材料用量的對比分析，對于整個工作起到很好的作用。

(5) 為設(shè)施維護(hù)提供依據(jù)：4D可視化進(jìn)度模擬為生產(chǎn)操作人員提供了現(xiàn)場環(huán)境的空間真實(shí)感受，為運(yùn)營方提供設(shè)施維護(hù)依據(jù)以及宣傳展示、人員培訓(xùn)等作用。對于設(shè)備的維護(hù)，特別是隱蔽設(shè)備管道等的維護(hù)修理，運(yùn)用4D可視化模擬可以為操作人員提供安裝流程依據(jù)，更加安全、方便地對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。

6 結(jié) 束 語

從項(xiàng)目管理的角度來看，從3D到4D再到nD (n dimensions)的集成管理是未來4D可視化項(xiàng)目管理發(fā)展的核心。對于基于BIM的4D技術(shù)的研究，有較高的價值，能解決工程施工與管理的很多問題，對建筑業(yè)的發(fā)展有重要意義。項(xiàng)目管理要更加重視以往類似工程項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及工程數(shù)據(jù)，并與新項(xiàng)目的進(jìn)度計劃、費(fèi)用控制、資源優(yōu)化相結(jié)合實(shí)現(xiàn)全面的項(xiàng)目管理，而不僅僅是進(jìn)度模擬。隨著進(jìn)一步的研究，本課題組將結(jié)合成本管控與資源優(yōu)化并基于IFC標(biāo)準(zhǔn)使4D進(jìn)度模擬在工程的實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步擴(kuò)展，并在工程項(xiàng)目中充分發(fā)揮其作用，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理。

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Discussion on the Application of BIM Technology in the Field of4D ConstructionSchedule

Wang Ting, Chi Wenting
(College of Civil and Architecture, Nanchang Hangkong University, Nanchang Jiangxi 330063, China)

With the increasing complexity of dynamic constructionManagement, the traditionalScheduleManagementMethod cannotMeet the needs ofModernization. The paper is aimed at linking 3DModeling of a certain public building with the constructionSchedule withSoftware Project to realize4D constructionSimulation ofSite and facilities. TheSimulation resultsMay be in two ways: one is that construction process can be exhibitedStraightly and visually, the other is that the 3DModeling date is effectively associated withSoftware of Project file.MoreScientific, effective approaches to the improvement of the constructionManagement are provided. It is of great theoreticalSignificance and practical value for BIM-based technology in the field of constructionSimulation.

building informationModeling technology; 3DModel;4D constructionScheduleSimulation; constructionManagement

TU 17

A

2095-302X(2015)02-0306-06

2014-06-18；定稿日期：2014-08-17

江西省教育廳2013年度科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(DB201311178)

王 婷(1975–)，女，江西南昌人，高級工程師，博士。主要研究方向?yàn)锽IM與項(xiàng)目管理。E-mail：1070180557@qq.com