Bim动态施工模拟技术

Bim动态施工模拟技术

唐帮海

中国水利水电第九工程局有限公司第四分局贵州贵阳550081

摘要：BIM技术在建筑业界得到越来越多的重视和应用，BIM技术使得工程管理从静态到动态、一维到多维。BIM使用数字化3D模型，使得与工程进行交互的参与者都可以优化自己的行动。

关键词：建筑信息模型；动态施工；BIM技术

1BlM技术

建筑信息模型即BIM建筑信息模型（BuildingInformationModel），21世纪初出现的全新概念，是信息技术发展到一定阶段对建筑业影响后的必然产物。即通过特定工具软件，将建筑内全部构件、系统赋予相互关联的参数信息，并直观地以三维可视化的形式进行设计、修改、分析，并形成可用于方案设计、建造施工、运营管理等建筑的全生命周期所参考的文件。BIM的技术核心是由计算机三维模型所形成的数据库，这些数据信息在建筑全过程中动态变化调整，并可以及时准确地调用系统数据库中的各种数据，加快决策进度，提高决策质量，从而提高项目质量，降低项目成本。简单点说，BIM技术就是在造房子前，先在电脑里造好，提前将造好后的房子通过电脑表达出来，还可以不断试验进行优化。而BIM更大的价值在于协同，不同生命周期阶段信息的协同，项目不同参与方、利益相关方之间信息的协同，达到效率的提升。运用BIM觌工程设计的关键技术表现为协同作业、可视化设计和碰撞检查。基于BIM技术的应用软件（例如AutodeskRevit）为所有专业间的协同作业构筑了—个平台，采用事先分配好的工作集的各位设计者只需在规定时间频率内上传各自的新的工作内容，其他设计者即可实时查看到最新的工程设计信息，通过三维空间模式下的可视化设计方式，对自己负责的工作内容进行设计和修改。这样，既可在每段工作周期内，完成各专业设计的同时，又实现了专业间的协调。BIM技术的设计产品均为三维模型，设计者不仅是在平

面视图中工作，也可以通过实时查看三维模型，在虚拟建筑空间中检查体验各项设计性能参数，对设计结果不断修正。应用BIM技术进行各个专业设计的碰撞检查．不但能彻底消除硬碰撞、软碰撞，优化工程设计，减少在施工阶段可能存在畴镨误损失和返卫舸能性。并巨可以优化空间，方便使用和维修。

2BIM技术的应用现状

目前，建筑信息模型的概念已经在学术界、建筑界和软件开发商中获得共识，并在国外建筑行业进行广泛应用。在国内，建筑信息模型及协同作业在“十一五”国家科技重点支撑项目《建筑业信息化关键技术研究及应用》中被列为重点实施项目；在“十二五”计划中列为重点攻关项目。国内先进的建筑设计机构和地产公司纷纷成立BIM技术小组，同时。北京、上海、广州等地的专业BIIVl咨询公司在建筑项目生命周期的各个阶段（包括策划、设计、招投标、施工、运营维护和改造升级等）都开始了BIM技术的应用。上海中心项目是近几年国内运用BIM技术的代表。上海中心大厦塔楼设计采用螺旋双曲面玻璃幕墙，形体空间很复杂，美国的Gensler设计公司会同其结构设计分包TT，采用BIM设计理念，不仅解决了复杂曲面的平立面定位的问题，而且基于BIM技术的三维设计协调，确保了建筑与结构专业的协同工作。而近期国内最出名的BIM项目就是国际建筑大师扎哈.哈迪德与SOHO中国合作的银河SOHO和望京SOHO。建筑设计大师扎哈的设计有大量圆的、双曲面的设计，给施工、材料带来了很大难度。SOHO中国的董事长潘石屹说：“扎哈的参数化设计逼着我们要采用BIM系统。对我们的设计、建设工作是很大的提升。以前在施工中，图纸发现不了的错误，只要放在这个系统上，不合理的地方会很快就显示出来了。实施BIM系统对我们的公司管理、工作流程都是—场革命。

3BIM技术在施工中的应用

近年来，随着建筑技术的飞速发展，建筑业在国民经济中占有着越来越重要的地位，从广州塔、奥运鸟巢、上海中心大厦、广州国际金融中心到三峡大坝、杭州湾跨海大桥、粤港澳跨海大桥，这些巨型工程代表着建筑技术迈向了一个新的高度。然而，这些瞩目的巨型工程基本都是用一种粗放的建造方式建成的。研究表明，建筑业消耗着世界40％的能源和原材料，且其生产效率普遍低下，30％的施工过程需返修，60％的劳动力被浪费，10％的损失来自材料浪费。产生该种现象的主要原因是施工信息管理、建造技术、流程有着严重缺陷和不足，甚至在施工过程中仅仅从投资成本出发而不考虑其它综合因素。为了解决建筑业在此方面的短板，BIM技术模拟整个施工过程，并从资源分配、施工工期、投资成本等不同角度进行分析，进而确定最佳施工方案。

3.1BIM技术在施工进度管理中的应用

施工进度管理在工程项目管理中尤为重要，特别是在大型工程的建设中，进度控制变得极为困难，耗时耗力，且进度控制受自然状况、工程拨付款、技术条件等多种因素影响。施工进度偏差会随着时间累进而不断扩大，如果冲突、问题不能得到及时处理和修正，矛盾、困难将被不断扩大，甚至影响工程质量和施工安全。在BIM中。可采用4D施工模拟以实现施工进度管理的微观和宏观控制。其原理是在设计阶段，在结构三维模型的基础上创建一条时间轴，并借助可视化设备对建立模型进行虚拟描述，通过建立施工进度计划与创建选择集，即可完成施工进度模拟。通过BIM模型编制的进度计划，再导入信息并不断对比纠偏，可使得进度计划不断优化。与传统施工阶段进度管理相比，BIM一4D施工模拟可使得项目各参与方都能在BIM信息平台上进行互动沟通、反馈，还可运用虚拟施工和AR技术对进度表、施工计划进行多次电脑模拟，在进度计划执行前发现可能存在的不利因素，并采取预防措施，优化施工进度计划，合理安排施工作业。而且利用BIM所做的计划书与参数模型可降低进度相关的风险和缩短工期。

3.2BIM在施工成本管理中的应用

工程项目成本管理是一个复杂的过程，施工企业要想在市场竞争中立于不败之地，就必须强化成本管理。但在传统的施工成本管理中，其管理效率低下，且在事前预测控制方面比较薄弱，基本只重视事后控制。因此造成了材料资源与劳动资源的极度浪费，且传统施工成本管理具有计算数据量大，计算准确性不足，成本管理过程孤立，缺少计价依据支撑和信息化管理手段落后等缺陷。在创建BIM信息模型时，可以向不同组件添加调度数据，为项目生成准确的程序数据。这就是所谓的四维BIM。下一步是从信息模型的组件中产生精确的成本估算，这个过程称为BIM5D。BIM5D模型包含了最基本的3D模型，除此之外还包括了4D这个维度，BIM的第五维度与3D和4D（时间）相关联，允许参与者随着时间的推移可视化其活动和相关成本的进展情况。对BIM5D技术的使用可以导致更高的精度、范围变更、材料、设备和人力资源的变化。BIM5D提供了提取和分析成本、评估方案和变化影响的方法。BIM技术还可通过多维度多算对比控制成本管理缺陷，并为限额领材料提供数据支持，可最大化的避免材料的浪费。利用BIM进行成本管理为计算工程造价带来了极大的方便，该项功能不仅提高了造价师的工作效率，使得计算简便，且修改方便。

3.3BIM在虚拟施工技术中的应用

虚拟施工（VirtualConstruction），是实际建造过程在计算机虚拟世界的高仿真在线。VC是将虚拟现实技术应用于施工过程，并对内力分析进行仿真计算，结合两种技术的作用来优化施工方案的全过程。一般虚拟施工技术仅仅只能模拟施工单位的施工，而不能够很好的综合资源调配情况、施工进度等条件，故其模拟结果往往不能对实际施工起到很好的指导作用，从而导致了“中看不中用”的现象。BIM的虚拟施工技术主要是模拟已制定出的施工方案，并制定具体的施工进度计划，从而发现施工方案中的缺陷与不足。在制定出确定的施工方案前，可对发现的问题不断修改，直到得出最佳方案。对于施工中的重点、难点、技术要点部位，可结合3D—MAX作为辅助，使得模拟施工过程更加可视化，从而大幅度提高施工质量，节约资源、资金及工期等。BIM的虚拟施工技术可为实际施工带来诸多好处，传统的虚拟施工技术中，问题基本上都是在施工过程中或施工后才能逐渐凸显出来，而BIM技术可通过大数据的对比，在开工前即可及时发现问题所在从而提高安全，减少返工。由于BIM的完全可视化，这就使得其模拟结果也非常直观，便于项目各参与方沟通与协作，且过程展示真实。

3.4BIM在施工质量管理中的应用

建设工程质量不仅关系到建设工程的适用性、可靠性、耐久性和建设项目的投资效益，而且直接关系到人民群众生命和财产的安全。由此可见，施工质量管理的重要性不言而喻，但目前国内的施工质量管理存在着大量问题，如施工人员专业技能普遍低下、材料使用及施工过程的不规范、控制手段有限等。基于BIM的施工质量管理主要包括产品质量管理与技术质量管理。其中，BIM的三维碰撞检查技术已经比较成熟。施工人员可以利用碰撞优化后的三维管线方案，进行施工交底、施工模拟，提高施工质量，同时也提高了与业主沟通的能力。

4工程概况

某高校图书馆地上7层，建筑总高度31.40m，建筑面积为14018.6m2，占地面积2461.5m2，结构形式为框架结构，基础形式为PHC桩基础。

4.1建立三维模型

在该项目的BIM三维模型当中主要有三个方面的模型组成：结构模型、建筑模型与机电设备模型。结构模型主要包括PHC桩基础、桩基承台、框架柱、框架梁、次梁、楼板以及节点等构件内容，在建模的过程当中需要遵循从下到上的基本原则，同时采用规范化的构件命名标准。建筑建模主要包括建筑墙体、门、窗以及楼梯等构件的创建，在建筑建模当中相关构件的命名与编号是建模的关键所在，例如需要对墙体进行详细的划分，将墙体分为内墙、外墙以及屋顶女儿墙等。该项目结构与建筑整合模型如下图1中所示。RevitMEP软件系列分为三个不同的组成部分：暖通、电气与给排水系统。在使用RevitMEP软件进行机电设备建模需要遵循特定的顺序，首先需要进行排风管、送风管等暖通风管建模，之后建立电气桥架模型，最后建立消防管等给排水管道模型。如下图2中所示为该项目选择内部观察的机电设备模型。

4.2编制施工进度计划

该项目四维可视化动态施工模拟的实现需要将施工进度计划文件与所建立的BIM三维模型连接来才能实现，其中编制足够精确的施工进度计划是实现动态模拟的关键所在，例如三通一平、设备与材料进场以及施工脚手架进度都需要足够精确。本文选择Project2010软件创建施工进度编制任务，最后将横道图文件保存为“.mpp”格式。施工进度计划中需要实现具体工作任务的详细划分，并与三维模型中的对应构件连接在一起，最终实现横道图、三维模型与具体工作任务之间的有效对接。

4.3于基于BIM技术的四维可视化动态施工模拟分析

（1）过通过BIM软件的应用实现四维可视化动态施工模拟。四维模拟是建立在施工进度文件与三维模型连接的基础之上实现的，将施工进度文件中的时间信息指定为施工模型中的构件装配时间，从而形成特定的施工次序，并通过三维模型的可视化环境进行四维动态演示。在目前的BIM施工软件市场上，AutodestNavisworks是使用最为广泛的一款软件，Navisworks软件的使用也不需要CAD为基础，对硬件设备的要求也相对较低，可以对相同以及不同专业构件之间的碰撞情况进行检查，此外，该软件的兼容性也相对较高，不仅可以兼容各种不同类型的设计模型，同时还为不同施工设计软件提供了接口，因此，通过这些接口进度施工信息与三维模型信息之间的对接可以有效实现。基于此种情况，本文选择AutodestNavisworks作为该项目四维可视化动态施工模拟软件。（2）四维可视化动态施工模拟过程。将建立的建筑结构整合模型以及机电设备模型全部转化为dwf文件，并在AutodestNavisworks软件当中直接打开并进行文件整合，在AutodestNavisworks中选择“timeliner”接口作为Project2010软件所生成的“.mpp”格式施工进度计划文件的接口，在完成施工进度计划文件的接入之后，将AutodestNavisworks中的“规则”设定为“使用相同名称小写将TimeLine任务从列名称对应到选择集”，通过这种方式就可以有效实现横道图、三维模型与具体工作任务之间的有效对接。为了提高施工模拟效果，可以为不同任务类型设置构件施工动画，实现真正的四维可视化动态施工模拟，具体过程包括以下4个方面：①创建工程四维进度施工模拟，允许用户采用不同的时间单位间隔以及不同的施工顺序对施工进度进行模拟与分析，全面反映项目整体进度；②在动画播放窗口当中显示当天日期以及本日所完成的施工任务与剩余的施工任务；③用户根据实际施工状态对模型更改之后，系统数据库会自动进行施工模拟对比并进行数据更新，并对施工进度计划进行同步调整；④使用不同的颜色将三维模型中的施工工序标识出来，在AutodestNavisworks软件界面当中绿色表示正在进行的施工工序，已经完成建设的构件显示出构件的真实颜色。

BIM技术在施工管理中的应用有效解决了传统施工管理模式当中因为缺乏时间维度而导致的管理难题，这对于建筑施工管理技术的进一步发展具有非常重要的意义。在未来随着技术的不断发展，施工模拟必然会朝着更多维的方向发展，实现可视化动态施工模拟到成本控制、资源配置以及工艺流程的全方位模拟，实现真正的信息化施工管理。

参考文献：

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[3]吴涛．基于BIM的建筑工程信息集成与管理研究[J].中国市政工程，2014（2）：4-7，119.