基于BIM和4D技術的建筑施工優化及動態管理

◎ 清華大學土木工程系 張建平

1 概述

建筑施工是一個高度動態的過程，隨著建筑工程規模不斷擴大，使得施工項目管理變得極為復雜。然而，當前建筑工程項目管理卻相對落后，通常用橫道圖表示進度計劃，用直方圖表示資源計劃，無法清晰描述施工進度以及各種復雜關系，難以準確表達工程施工的動態變化過程，更不能動態地優化分配所需要的各種資源和施工場地。如何在項目建設過程中合理制定施工計劃、精確掌握施工進程，優化使用施工資源以及科學地進行場地布置，對整個工程的施工進度、資源和質量進行統一管理和控制，以縮短工期，降低成本，提高質量，是建筑施工領域所亟待解決的問題。

清華大學土木工程系的科研小組，多年來致力于施工過程模擬以及施工進度和資源動態管理及優化控制的關鍵技術4D-CAD的研究，開發了建筑工程4D施工管理系統，并應用于北京奧運會國家體育場、青島海灣大橋、廣州珠江新城西塔等多個大型工程，對于提高施工效率和信息化管理水平，取得了顯著的成效，產生了較大的社會、經濟效益。研究成果經專家鑒定，評價為屬國內首創，填補了國內空白，達到了國際先進水平，并榮獲2009年華夏建設科技一等獎。

2 4D施工優化及管理的研究和發展

4D-CAD是基于4 Dimension (簡稱4D)模型的計算機輔助設計技術。4D模型是指在3D模型基礎上，附加時間因素。這種建模技術應用于建筑施工領域，是以施工對象的3D模型為基礎，施工的建造計劃為其時間因素，將工程的進展形象地展現出來，形成動態的建造過程模擬模型，用以輔助施工計劃管理。4D理論由美國斯坦福大學的CIFE（Center for Integrated Facility Engineering）于1996年首先提出，十多年來，其研究和應用得到了長足的發展。

清華大學張建平教授從1991年就開始致力于建筑施工進度與場地布置三維可視化模擬和動態管理方面的研究，于1995年開發了用于多層建筑施工進度與場地利用的計算機圖形計劃系統GCPSU(Graphics for Construction Planning and Site-Utilization)。該系統體現了4D模型的基本概念，允許用戶以交互方式在計算機屏幕上構造多層建筑在不同施工層的計劃安排、實際進度以及相應的場地布置，對施工進度計劃和場地布置進行可視化模擬。GCPSU應用于北京嘉里中心、北京中保信以及香港多個實際工程，取得了顯著效果，曾獲中建一局科技進步獎。

2000年，通過4D模型理論的深入研究和分析，提出了4D施工管理模型4DSMM（4D Site Management Model）。4DSMM將施工對象和場地3D模型與MS-Project進度管理系統鏈接起來，構成施工項目的4D施工模型。基于4DSMM開發的4D-GCPSU系統不僅為施工計劃提供了一個可視化的環境，而且綜合了施工計劃、工程量計算、場地布置、材料使用等施工項目管理其它方面的職能。4D-GCPSU應用于北京華威住宅小區、香港理工大學擴建工程等項目，驗證了4DSMM模型及系統的可行性和實用性。

2002年，在4DSMM模型及系統的研究和應用基礎上，又提出了4D施工管理擴展模型4DSMM++，該模型以WBS結構(Work Breakdown Structure, WBS)為核心，將建筑物及其施工現場3D模型與施工進度相鏈接，與施工資源和場地布置信息集成一體，實現了施工進度、人力、材料、設備、成本和場地布置的4D動態集成管理以及施工過程的4D可視化模擬。基于4DSMM++開發的建筑施工4D項目管理系統4D-GCPSU 2002，應用于香港新機場貨運倉儲中心等實際工程，香港金門公司將該工程應用4D-GCPSU的成果，介紹給香港工業界，引起了很大反響。

2003年12月，4D-GCPSU 2002開始在北京奧運會國家體育場工程投入使用，用于工程施工方案、進度計劃、場地布置的制定。隨后根據工程提出的具體應用要求，不斷完善功能，更新并應用了4D-GCPSU 2004。

2004年，基于多年的研究成果，4D模型理論及技術研究被列入國家“十五”重點科技攻關項目的專題，其研究成果國家體育場工程進行示范應用，先后推出應用了4D-GCPSU 2005和4D-GCPSU 2006，使4D施工管理的研究和應用得到了突破性的發展，其主要重大技術升級和主要功能擴展為以下幾方面。

（1）引入建筑業國際標準IFC（Industry Foundation Classes），建立了基于IFC標準的建筑施工管理的數據描述，提供了IFC文件解析器和基于IFC標準的數據接口引擎，實現了設計與施工管理以及應用系統之間的信息集成、交換和共享。

（2）應用建筑信息模型BIM（Building Information Model）技術，實現基于IFC標準的工程信息建模，建立了基于IFC標準的4D施工管理擴展模型，將建筑物及其施工現場3D模型與施工進度計劃相鏈接，并與人力、材料、機械、成本等施工資源以及場地布置信息集成一體，形成了多維信息管理。

（3）引入施工進度與資源分配的優化理論和過程模擬技術，應用基于離散事件模擬理論和方法，分析施工過程中各種施工工序、施工資源與施工工期之間的復雜動態關系、以及各種不確定性和隨機性，通過對各項工序的模擬計算，得出工序工期、人力、機械、場地等資源的占用情況，對施工工期、資源配置以及場地布置進行優化。

（4）自主開發的OpenGL圖形平臺，提供了視圖變換、圖形控制以及4D圖形管理等功能，增強了4D動態模擬效果，較好解決了大型、復雜工程3D模型顯示效果和運行速度的瓶頸問題。

（5）首次開發了基于Client/Server網絡環境的4D可視化平臺，實現了4D施工管理的網絡化。

國家“十五”重點科技攻關項目的研究成果，包括“基于IFC標準的建筑工程4D施工管理系統”（4D-GCPSU 2006）和“基于4D技術和過程模擬的施工優化系統”（SDESA）。

3 基于IFC標準的建筑工程4D施工管理系統

“基于IFC標準的建筑工程4 D施工管理系統”（4DGCPSU 2006）是國家"十五"重點科技攻關計劃 "建筑業信息化關鍵技術研究與示范"之專題 "基于IFC標準的4D施工管理原型系統研究與示范應用"的研究成果。系統綜合應用4D-CAD、BIM（Building Information Model）、工程數據庫、人工智能、虛擬現實、網絡通訊以及計算機軟件集成技術，引入建筑業國際標準IFC（Industry Foundation Classes），通過建立基于IFC的4D施工管理擴展模型4DSMM++（4D SiteManagement Model++），將建筑物及其施工現場3D模型與施工進度相鏈接，與施工資源和場地布置信息集成一體。提供了基于網絡環境的4D進度管理、4D資源管理、4D施工場地管理和4D施工過程可視化模擬等功能，實現了施工進度、人力、材料、設備、成本和場地布置的4D動態集成管理以及施工過程的4D可視化模擬。通過IFC文件解析器和基于IFC的數據接口引擎，系統實現了建筑設計與施工管理的數據交換和共享，可以直接導入設計階段的建筑三維模型，用于4D施工管理，為建筑施工提供了科學、有效的管理手段。

4D-GCPSU 2006作為我國第一個具有自主知識產權的4D施工管理系統，其研究發展了4D模型理論，不僅覆蓋了國外同類系統的主要功能，而且擴展了管理功能和應用范圍。系統于2006年1月20日通過了建設部組織的專家驗收，2006年11月3日通過了教育部組織的專家鑒定，專家鑒定委員會評價：與國外同類系統相比，該系統在支持基于IFC標準的數據集成與交換、建立4D++擴展模型及其信息集成機制、實現以WBS為核心的4D集成化施工管理和建立基于網絡的4D可視化平臺等方面具有創新性。該系統的研制成功和實際應用屬國內首創，填補了國內空白，達到了國際先進水平。

4 基于4D技術和過程模擬的施工優化系統

“基于4D技術和過程模擬的施工優化系統”是綜合應用4D技術和簡化離散事件模擬方法（SDESA，Simplified Discrete-Event Simulation），將4D-GCPSU 2006與SDESA系統相集成，在4D施工管理過程中實現施工進度、資源配置以及場地布置的優化。

所謂過程模擬是指設計一個現實或虛擬系統的模型，并在此模型上進行試驗的過程。在離散事件模擬中，系統的狀態變量在有限的時間離散點上產生瞬間變化，它可以對施工過程建模、處理資源分配并進行沖突檢測。離散事件模擬的目標是尋找施工資源和場地布置的最優配置，通過在計算機上建立施工過程模擬模型，進行多次計算機模擬分析，實現工程造價和工期的平衡，在施工領域得到了廣泛的應用。簡化離散事件模擬方法SDESA由香港理工大學鹿明博士提出，其軟件系統與清華大學合作開發。

SDESA系統能綜合考慮施工過程中工序之間的復雜動態關系、各種不確定性和隨機性、以及資源利用、場地條件等方面的限制，實現工序操作層面上的施工過程模擬與預測。通過對各項工序的模擬計算，可以得出工序工期、人力、機械、場地等資源的占用情況。SDESA還可以在計算機上很方便地調整工序工期、場地布置、投入的施工資源數量等，建立不同的施工方案。通過對多個方案模擬結果進行比較和優化，選擇最優的施工方案，制定合理的施工進度計劃，優化施工資源配置以及場地布置，提高資源和場地的利用效率，滿足工程項目的施工工期和成本控制的要求。SDESA應用于香港多個實際工程，取得了顯著效果

“基于4D技術和過程模擬的施工優化系統” 將4DGCPSU 2006與SDESA系統相集成，形成了集成4D動態管理與和過程模擬的新的施工管理模式。在該模式下4D-GCPSU和SDESA在交互工作，對于工期和資源使用較為簡單的任務，直接應用4D-GCPSU。對于涉及工期、資源和場地空間約束的復雜任務，則利用SDESA，通過施工過程模擬對施工進度、資源配置以及場地布置進行優化。過程模擬和施工優化結果在4D-GCSPU的可視化平臺上動畫顯示，用戶可以觀察動畫驗證并修改SDESA模型，對模擬和優化結果進行比選，選擇最優方案。

“基于4D技術和過程模擬的施工優化系統”應用于國家體育場鋼結構吊裝方案的過程模擬和優化，通過優化吊裝順序，使800噸大型履帶吊的利用效率大幅提高。其優化的吊裝方案及過程模擬如圖4所示。

5 當前的研究和發展趨勢

目前，國家“十一五”科技支撐計劃項目專題正在對施工優化理論和4D施工管理技術進行深層次研究。其中“十一五”科技支撐計劃課題“基于BIM技術的下一代建筑工程應用軟件研究”之專題“基于BIM技術的建筑施工優化軟件系統”，旨在針對建筑工程全生命周期，著眼于建筑施工優化，基于建筑信息模型（BIM）技術，研究建立適合我國的建筑施工優化信息模型，研制基于BIM技術的建筑施工優化控制和管理系統。“十一五”科技支撐計劃課題“現代建筑設計與施工一體化平臺關鍵技術研究”之專題“基于4D技術的建筑施工仿真與動態管理軟件研究”，通過分析建筑施工過程中的動態變化規律以及對施工質量、安全、資源、成本以及場地的影響因素，研究相應的4D法則，建立4D資源庫。開發4D建筑施工過程仿真與動態管理系統，實現建筑施工過程的動態模擬，實現建筑施工4D動態管理和優化控制以及施工過程的虛擬動態模擬。通過近三年的深入研究，在理論、模型和技術的研究成果基礎上，開發了“基于BIM的4D建筑施工優化系統”和“基于BIM的4D虛擬施工及動態管理系統”，并在青島海灣大橋、廣州珠江新城西塔等大型工程中進行應用示范。

（1）基于BIM的4D建筑施工優化系統

1）基于BIM的施工優化信息模型：利用IFC標準定義了施工管理領域涉及的人力、機械、材料等資源信息模型，通過將資源信息模型與施工計劃、成本和施工場地信息模型進行關聯和集成，構建了基于IFC的施工優化信息模型，充分利用了BIM技術在信息集成和共享上的特點。利用一個施工優化信息模型建模子系統，能夠從其他數據源中提取優化信息模型所需要的數據，創建施工優化信息模型。

2）基于BIM和離散事件模擬的施工資源優化：直接將相關數據導入到基于離散事件模擬的施工優化系統中，通過對各項工序的模擬計算，得出工序工期、人力、機械、場地等資源的占用情況，對施工工期、資源配置以及場地布置進行優化。

3）基于BIM的施工操作優化：利用BIM中完整的三維空間坐標信息，將設計與施工工序信息集成一體，綜合應用實時數據采集技術和4D模擬技術，實現了實時的施工操作優化，可以應用于大型構件的吊裝定位和操作。

4）基于BIM的施工過程4D可視化模擬：通過基于4D 技術的場地與機械設施動態建模子系統，提供了交互式場地與機械設施三維實體建模功能。 并將施工資源優化和施工操作優化系統集成到4D施工管理系統中，實現了基于BIM和資源優化的施工過程4D可視化模擬。

圖1 國家體育場鋼結構吊裝方案及過程模擬

（2）基于BIM的4D虛擬施工及動態管理系統

1）完整的基于IFC的建筑施工4D信息模型：通過建立基于IFC的BIM結構及其信息描述與擴展機制，根據施工過程模擬的需求對已有的4D施工信息模型進行完善和擴展，建立了完整的基于IFC的建筑施工4D信息模型。

2）構建4D虛擬施工環境：研究施工過程虛擬仿真、數值模擬和虛擬場景之間協調同步以及過程模擬的交互處理等關鍵技術，通過建筑信息模型賦予建筑構件材質屬性，并給材料設置貼圖、透明度、光照屬性等信息，建立建筑真實感模型。應用設置光源、陰影、場景等真實感圖形技術，構建建筑施工虛擬環境。

3）施工過程的4D動態虛擬模擬：基于建筑施工4D信息模型，應用4D技術、虛擬仿真技術、真實感圖形技術以及計算機動畫技術，對施工過程中建筑結構、施工工序以及場地設施布置等隨進度的變化狀況進行動態虛擬模擬，并在施工模擬過程中進行實時的人機交互，實現施工計劃、場地布置、機械操作的實時調整。

4）施工操作沖突分析與設施碰撞檢測：通過建立施工場地動態時空模型，研究空間碰撞檢測算法，在施工模擬過程中進行施工操作沖突分析，實現場地設施之間、施工機械之間以及施工機械與主體結構之間的碰撞檢測。

5）基于4D動態集成管理的虛擬施工：基于建筑施工4D信息模型，應用系統集成和信息交換技術，將4D施工管理系統與虛擬施工系統無縫集成，實現虛擬施工過程中施工進度、人力、材料、設備、成本和場地布置的4D動態集成管理。

本研究順應信息技術的發展趨勢，面向當前我國建筑施工信息化管理的實際需求，綜合應用前沿的4D-CAD、BIM、虛擬現實、過程模擬及施工優化理論和技術，開發具有自主知識產權的基于BIM的4D施工優化及動態管理系統。實現施工進度、資源、成本的優化控制、動態管理和4D虛擬模擬，為建筑施工領域探索新的管理模式和方法，為大型復雜建筑工程的施工提供了有效的管理手段。對于提高建筑工程施工效率和信息化管理水平，具有很大的推動作用，也為解決當前建筑生命期各階段的信息斷層和信息流失問題探索了理論、方法和技術，對于推動我國建設領域信息化建設和發展具有重要的理論和實際意義。系統示范應用表明，系統適應我國建筑施工管理的實際需要，可用于各種建筑工程的施工項目管理，尤其適用于大型、復雜工程，也可在道路、橋梁、隧道、水利、電力以及設備安裝等工程領域的應用推廣，可產生較大的社會、經濟效益。