基于BIM仿真模型的施工過(guò)程模擬研究
——以科技圖書館建筑施工為例

劉一鳴，金必煌，劉沐潔

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院,安徽 合肥 230011)

現(xiàn)代工程項(xiàng)目管理[1]是涉及到施工材料、技術(shù)、工藝、施工進(jìn)度以及人力資源配置等多方面要素的復(fù)雜性系統(tǒng)工程。要想提升施工管理的效率必須要兼顧多方面的要素，這就對(duì)施工管理人員的能力提出了較高的要求。一直以來(lái)，施工管理主要依賴于管理人員的綜合素質(zhì)與經(jīng)驗(yàn)，主要是以橫道圖、簡(jiǎn)單的施工模擬軟件為工具，施工管理的科學(xué)性不高，管理隨機(jī)性較強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量與施工進(jìn)度的均衡提升。BIM技術(shù)的發(fā)展則打通了不同軟件之間的連接障礙，能夠?qū)⒎抡婺Ｐ团c施工進(jìn)度管理軟件連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的模擬。

1 相關(guān)研究綜述

早在20世紀(jì)90年代中期學(xué)術(shù)界就已經(jīng)開(kāi)始研究施工過(guò)程模擬的相關(guān)技術(shù)，但是由于在當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件配套相對(duì)落后，施工模擬軟件也不夠發(fā)達(dá)，最終只允許通過(guò)構(gòu)建仿真模型的方式來(lái)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，施工過(guò)程模擬也只能采用多環(huán)節(jié)的靜態(tài)模擬來(lái)替代。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的快速發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的突破，施工過(guò)程模擬已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。所謂施工過(guò)程模擬是指在三維仿真模型的基礎(chǔ)之上模擬工程項(xiàng)目的具體施工流程與進(jìn)度[2]，從而滿足工程項(xiàng)目管理的現(xiàn)實(shí)需求。具體而言主要是通過(guò)Revit等軟件構(gòu)建三維模型，并將WBS所制定的施工進(jìn)度計(jì)劃表連接到模型當(dāng)中，賦予不同構(gòu)建對(duì)應(yīng)的時(shí)間維度。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)在BIM技術(shù)研究方面也已經(jīng)取得了許多重要突破，其中清華大學(xué)在BIM施工過(guò)程模擬方面一直走在前列，以陸新征教授為首的清華大學(xué)BIM研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款基于BIM技術(shù)的工程建筑全過(guò)程模擬與管理系統(tǒng)，并被應(yīng)用于石首長(zhǎng)江公路大橋項(xiàng)目建設(shè)當(dāng)中[2]，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，產(chǎn)業(yè)內(nèi)部與政府部門對(duì)BIM技術(shù)的重視程度都在不斷提升，BIM技術(shù)研發(fā)已在我國(guó)“十三五”規(guī)劃當(dāng)中，圍繞著B(niǎo)IM技術(shù)的科研創(chuàng)新正處于全面開(kāi)展當(dāng)中。

為了進(jìn)一步探索構(gòu)建BIM施工過(guò)程模擬模型的可能性，在本文的研究當(dāng)中以科技圖書館為例，采用revit軟件構(gòu)建了建筑結(jié)構(gòu)模型，用Revit MEP構(gòu)建了機(jī)電設(shè)備模型，并將兩個(gè)模型融合起來(lái)，最后通過(guò)autodest navisworks軟件將三維仿真模型與project文件聯(lián)合起來(lái)構(gòu)建了富含時(shí)間維度的施工模擬模型。與傳統(tǒng)模型相比，該模型的優(yōu)點(diǎn)主要集中體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面當(dāng)中：(1)基于BIM技術(shù)的施工過(guò)程模型依然具備三維展示功能，同時(shí)允許不同專業(yè)在同一模型中就具體問(wèn)題展開(kāi)溝通與交流，減少現(xiàn)場(chǎng)返工。(2)施工過(guò)程模擬模型能夠?qū)⑹┕がF(xiàn)場(chǎng)與時(shí)間維度統(tǒng)一起來(lái)，能夠?qū)⑹┕l件與進(jìn)度直觀地展示在管理者面前，有利于資源的優(yōu)化配置，降低施工成本；(3)施工過(guò)程模擬模型還能被應(yīng)用于施工交底、方案論證等環(huán)節(jié)之中。

本文通過(guò)BIM仿真模擬施工方案為優(yōu)化傳統(tǒng)施工組織流程和管理方案提供新的思路，通過(guò)案例分析，創(chuàng)建新的管理流程與施工過(guò)程管理，構(gòu)建基于BIM的大型管理構(gòu)架。

2 BIM三維建模分析

2.1 工程概況

以科技圖書館為研究對(duì)象，對(duì)工程施工全過(guò)程用BIM仿真施工技術(shù)全過(guò)程進(jìn)行模擬，建筑共計(jì)7層，總高度為32.20 m，建筑面積為23 654 m2，占地總面積為3 568.9 m2，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為PHC樁基礎(chǔ)。

2.2 建模內(nèi)容

BIM三維模型主要分為三個(gè)不同的組成部分：建筑模型、結(jié)構(gòu)模型以及機(jī)電設(shè)備模型。建筑模型主要是指建筑的門窗、墻體以及裝飾性材料等相關(guān)內(nèi)容，結(jié)構(gòu)模型則主要包含了建筑的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如梁、板、柱等承重性結(jié)構(gòu)構(gòu)件；機(jī)電設(shè)備模型主要是指水、電、暖等相關(guān)構(gòu)件。建筑模型與結(jié)構(gòu)模型建模的關(guān)鍵在于構(gòu)件的編碼與命名，在實(shí)際建模當(dāng)中需要標(biāo)準(zhǔn)的編碼序列對(duì)不同構(gòu)件類別進(jìn)行詳細(xì)劃分，從而確保建筑與結(jié)構(gòu)模型的統(tǒng)一性。在本文的研究當(dāng)中建筑模型與結(jié)構(gòu)模型建立均采用revit軟件，在完成建筑結(jié)構(gòu)模型整合之后，則采用revit MEP軟件讀取模型中的內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行設(shè)備模型建模，該公建建筑的建筑結(jié)構(gòu)整合模型以及機(jī)電設(shè)備模型(見(jiàn)圖1—2)。

圖1 科技圖書館建筑與結(jié)構(gòu)整合模型

圖2 科技圖書館內(nèi)部視角機(jī)電設(shè)備模型

3 編制施工進(jìn)度計(jì)劃

施工過(guò)程模擬的基本原理是在三維模型的基礎(chǔ)之上增設(shè)時(shí)間維度，也就是需要將施工進(jìn)度計(jì)劃將三維模型連接起來(lái)。為了確保模擬的精準(zhǔn)性，必須要確保施工進(jìn)度計(jì)劃與三維模型的匹配性。在該工程項(xiàng)目當(dāng)中選擇采用project 2011作為施工進(jìn)度計(jì)劃編制的基本軟件，最終以橫道圖“·mpp”格式文件作為施工進(jìn)度計(jì)劃文件，該工程項(xiàng)目所編制的施工進(jìn)度計(jì)劃文件如圖3所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，該施工進(jìn)度計(jì)劃與三維模型中的具體構(gòu)件能夠做到一一對(duì)應(yīng)，這就使得施工進(jìn)度文件、三維模型以及具體施工任務(wù)之間能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯上的統(tǒng)計(jì)，從而為施工過(guò)程模擬提供必要的條件。

圖3 科技圖書館施工進(jìn)度表

4 基于BIM技術(shù)的施工過(guò)程模擬分析

施工過(guò)程模擬的根本目標(biāo)是提升施工管理的可視化程度，傳統(tǒng)以二維平法施工圖為基礎(chǔ)的施工管理要求施工管理人員需要具備較強(qiáng)的空間思維與邏輯判斷能力，但由于人的精力有限，在具體管理過(guò)程中必然會(huì)存在諸多漏洞。施工過(guò)程模擬以三維BIM模型為基礎(chǔ)，在施工進(jìn)度文件的對(duì)應(yīng)下，能夠?qū)⒕唧w施工過(guò)程形象地展示在施工管理人員面前，能夠從直觀視覺(jué)上來(lái)表達(dá)施工管理內(nèi)容，有效提升了管理的有效性。

由于revit軟件只能進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建模，而無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示。為此，在該工程項(xiàng)目當(dāng)中施工過(guò)程模擬則采用了autodest navisworks軟件，能夠滿足revit、revit MEP以及project軟件的接入需求，并直接整合軟件內(nèi)容進(jìn)行碰撞檢查。為此，在該工程項(xiàng)目當(dāng)中采用其為模擬基礎(chǔ)軟件。

4.1 全過(guò)程施工模擬

首先，需要將利用revit以及revit MEP軟件所制作的建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備模型全部轉(zhuǎn)存為·dwf文件，并在autodest navisworks按照規(guī)定次序打開(kāi)文件，實(shí)現(xiàn)三維模型的重新整合。此外，還需要通過(guò)autodest navisworks的“timeliner”接口導(dǎo)入施工進(jìn)度文件，在完成“·mpp”文件之后還需要將軟件中的“規(guī)則”項(xiàng)`改為“任務(wù)從列名稱對(duì)應(yīng)到選擇集”，從而完成模型與施工進(jìn)度文件之間的完全統(tǒng)一。該工程項(xiàng)目在autodest navisworks完成數(shù)據(jù)對(duì)接的結(jié)果(見(jiàn)圖4)。

圖4 科技圖書館施工進(jìn)度文件與autodest navisworks的數(shù)據(jù)

為了進(jìn)一步提升施工過(guò)程模擬的效果，提升模擬的可視化性能，還可以就具體施工工序以及構(gòu)件制作施工動(dòng)畫，具體而言主要可以從以下四個(gè)方面入手：(1)允許用戶通過(guò)拉動(dòng)工作條等方式來(lái)等間隔或按照不同的施工順序來(lái)對(duì)具體施工過(guò)程進(jìn)行探查，從而滿足工程項(xiàng)目進(jìn)度管理的需求；(2)在施工動(dòng)畫場(chǎng)景播放窗口同時(shí)顯示當(dāng)日日期以及當(dāng)日剩余的任務(wù)量；(3)當(dāng)施工管理者在施工模擬窗口對(duì)施工模型進(jìn)行更改之后，修改的內(nèi)容會(huì)同步反饋到模型當(dāng)中，同時(shí)會(huì)自動(dòng)通知其他專業(yè)人員施工管理者所作出的具體內(nèi)容調(diào)整；(4)采用不同的顏色標(biāo)識(shí)將施工的具體環(huán)節(jié)表達(dá)出來(lái)，例如，在autodest navisworks中綠色[3]表示正在施工的位置，圖5所示表示正在進(jìn)行出屋面位置施工。

圖5 autodest navisworks施工環(huán)節(jié)模擬

4.2 復(fù)雜技術(shù)方案模擬

復(fù)雜技術(shù)方案模式是BIM施工過(guò)程模擬的一大重要應(yīng)用熱點(diǎn)，同時(shí)也是解決現(xiàn)階段施工技術(shù)難點(diǎn)的一個(gè)重要工具[4]。長(zhǎng)期以來(lái)，復(fù)雜技術(shù)方案在二維圖紙中的表達(dá)存在嚴(yán)重欠缺，而語(yǔ)言表達(dá)則不夠嚴(yán)謹(jǐn)，無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)化施工管理的現(xiàn)實(shí)需求。在傳統(tǒng)施工管理中只能采用技術(shù)交底、圖紙會(huì)審的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。這種方法不僅耗時(shí)耗力，也難以徹底根治非標(biāo)準(zhǔn)化管理的問(wèn)題。全過(guò)程施工模擬則為可視化交底提供了便捷的條件[5]。例如，在該工程項(xiàng)目當(dāng)中，塔吊的按裝存在著較大的難度，且由于一線安裝人員經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)具體安裝過(guò)程的把握不足。為此，該工程采用了全過(guò)程施工模擬的方式對(duì)塔吊安裝技術(shù)方案進(jìn)行了模擬，從而提升了塔吊安裝人員對(duì)具體操作流程[6]的認(rèn)知，主要包含以下三個(gè)不同的方面：(1)采用了與主體結(jié)構(gòu)全過(guò)程施工模擬相類似的方法對(duì)塔吊安裝全過(guò)程進(jìn)行了模擬，編制了具體的塔吊安裝方案與作業(yè)安裝時(shí)間流程，為塔吊施工人員提供了形象化的作業(yè)思路，具體如圖6中所示；(2)通過(guò)模擬塔吊的旋轉(zhuǎn)、拆除等對(duì)塔吊的安裝[7]可行性進(jìn)行了分析論證，從而確保塔吊在后期使用過(guò)程當(dāng)中能夠覆蓋所有有需求的區(qū)域，并避開(kāi)障礙物[8]；(3)將建筑結(jié)構(gòu)三維模型與塔吊運(yùn)行整合起來(lái)，避免建筑結(jié)構(gòu)施工對(duì)大型設(shè)備吊裝搬運(yùn)造成影響。

圖6 塔吊安裝進(jìn)度模擬

5 結(jié) 語(yǔ)

BIM技術(shù)的發(fā)展為施工過(guò)程模擬提供了有利條件，建立在BIM三維模型之上的BIM施工過(guò)程模擬技術(shù)不僅能為施工管理人員提供一個(gè)便捷的可視化施工管理窗口，同時(shí)也能在一定程度上為復(fù)雜施工方案模擬交底提供新的支撐。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與BIM軟件的日益豐富，BIM施工過(guò)程模擬技術(shù)也必將逐漸趨于完善，施工過(guò)程模擬技術(shù)也必然會(huì)逐漸趨于完善。