基于IFC的建筑工程4D 施工管理系統的研究和應用

◎ 清華大學土木工程系 張建平

1.項目簡介

隨著計算機技術的飛速發展，實現建筑施工管理的信息化、智能化、可視化已是施工領域中的一個研究熱點。清華大學研發的“基于IFC標準的建筑工程4D施工管理系統” （簡稱4D-GCPSU 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。

該系統綜合應用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 Site Management 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。

系統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。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，并已推廣到橋梁、風電、地鐵隧道等工程領域，還可推廣到道路、水利、電力以及設備安裝等其他工程管理，具有廣闊的應用前景，可產生較大的社會、經濟效益。

“基于IFC標準的建筑工程4D施工管理系統的研究和應用”項目榮獲2009年華夏建設科學技術一等獎。

2.理論與技術創新

（1）支持基于IFC標準的數據集成與交換

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，可支持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，為解決當前建筑生命期不同階段和應用系統之間的信息斷層進行了新的探索。

（2） 實現基于IFC標準的工程信息建模

本研究對IFC大綱給出的建筑工程信息數據定義進行了分析和整理，從中提取出了與建筑工程相關的構件、設備和設施等實體230余種。通過建立IFC數據定義語言與程序語言的轉換規則，利用C++和C# 語言定義這些實體的IFC類，作為基于IFC的基本信息模型單元，并提供了對這些實體的數據庫訪問和數據輸入輸出等基本處理功能，為建立BIM探索了可行的途徑和方法。

（3） 建立基于IFC標準的4D施工管理擴展模型

結合我國建筑施工管理的實際，通過建立基于IFC的4D施工管理擴展模型4DSMM++，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。4DSMM++的研究發展了4D模型理論，為實現建筑施工的集成化、動態化和可視化管理，提供了理論、模型和方法。

（4） 研制基于IFC標準的建筑工程4D施工管理系統

開發我國第一個具有自主知識產權的基于IFC的建筑工程4D施工管理系統，提供了基于網絡環境的4D進度管理、4D資源動態管理、4D施工場地管理和4D施工過程可視化模擬等功能，不僅覆蓋了國外同類系統的主要功能，而且擴展了功能和應用范圍。系統可實現施工進度、人力、材料、設備、成本和場地布置的4D集成化動態管理以及施工過程的4D可視化模擬，為大型復雜建筑工程的施工提供了有效的管理手段。

3.技術特點

（1）系統提供了IFC文件解析器和IFC標準數據接口引擎，可支持設計和施工階段以及與其他應用系統之間的信息交換和共享，為解決當前建筑工程生命周期不同階段和應用系統之間的信息斷層做了新的探索。

（2）系統提供了基于網絡環境的4D可視化工作平臺，可支持工程項目的各管理部門和多參與方的信息交換，實現了4D施工管理的網絡化。

（3）可讀取其他CAD系統輸出的IFC文件或直接導入其生成的3D模型，還可利用系統的建模工具在AutoCAD中建模，為3D建模提供了有效的方法。

（4）具有工程施工段劃分、WBS創建功能，實現了WBS與Project的相互鏈接。通過系統的WBS編輯器和工序模板，可完成WBS和進度計劃的創建，大大提高了工作效率。

（5）將WBS節點與相應3D構件實體相鏈接，自動生成工程的4D模型，并與資源信息和其他工程屬性相集成，形成多維信息管理。

（6）可通過Project或4D圖形界面，對施工進度進行調整和控制，實現了施工進度的4D動態管理和施工過程的可視化模擬。提供了任意WBS節點或3D施工段及構件工程信息的實時查詢、多套施工方案的對比和分析、計劃與實際進度的追蹤和分析等功能。

（7）通過可設置多套定額的資源模板，自動計算任意WBS節點或3D施工段及構件的工程量以及相對施工進度的人力、材料、機械消耗量和預算成本，進行工程量完成情況、資源計劃和實際消耗等多方面的統計分析，實現了施工資源的4D動態管理。

（8）可進行3D施工場地布置，自動定義施工設施的4D屬性。點取任意設施實體，可查詢其名稱、類型、型號以及計劃設置時間等施工屬性，并可進行沖突檢查，將場地布置與施工進度相對應，形成4D動態的現場管理。

（9）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，較好地解決了大型、復雜工程3D模型顯示效果和運行速度的瓶頸問題。

（10）系統為基于組件的開放體系結構，具有很好的復用性和可維護性。通過引擎接口可與不同的計劃管理軟件相連接，以適應不同的應用要求。并提供了較強的個性化服務，使系統易學易用。

4.實際工程應用

（1）早期實際應用情況

自1996年，本系統的以前版本先后在北京嘉里中心、北京中保信、北京華威住宅小區、香港新機場貨運倉儲中心、香港理工大學擴建工程等十多個實際工程應用，對于提高這些工程項目的施工管理水平和工作效率，起到了顯著效果。系統在北京嘉里中心的應用，曾獲中建一局科技進步獎。

（2）北京2008奧運會國家體育場工程

圖1 國家體育場工程4D施工過程模擬

圖2 青島海灣大橋互通橋段的4D施工過程模擬

2003年12月，前期研制的4D-GCPSU開始在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，先后更新并使用了4D-GCPSU 2004、2005和2006三個版本。

2004年12月國家體育場土建工程開工后，系統正式用于工程的施工管理，在項目部的網絡環境下運行。建立了樁基結構、鋼筋混凝土看臺結構和鋼網架結構的完整3D模型，創建了相應的WBS分解和Project進度計劃，記錄了實際施工進度。通過建立4D模型，實現了施工進度控制、信息實時查詢、計劃和實際進度對比分析以及整個施工過程4D可視化模擬。并相對施工進度，進行工程量及其人力、材料、機械、成本的計劃用量和實際消耗量的查詢及統計分析，實現了工程的3D場地布置和施工設施的信息查詢。國家體育場工程的4D施工過程模擬如圖1所示。

（3）青島海灣大橋工程

青島海灣大橋全長28.047公里，其中跨海大橋25.171公里，主橋橋寬35米，雙向六車道，設計行車時速80公里。工程于2006年12月26日開工，分十三個標段同時施工，預計2010年建成。總投資金額為99.38億元。

目前，4D技術的應用主要限于建筑工程，國內外均沒有應用于橋梁工程。本研究針對橋梁結構模型和施工管理的特點，根據青島海灣大橋建設管理的實際需求，對4D-GCPSU 2006系統進行擴充和改進，開發了“青島海灣大橋項目4D施工管理系統”。系統于2007年7月在大橋工程安裝運行。建立了斜拉橋、懸索橋、互通橋和連續梁橋包括細部結構的3D模型，根據工程十三個標段的劃分，建立大橋施工的WBS和Project進度計劃以及4D模型，實現了大橋工程施工進度4D動態管理以及整個施工過程4D可視化模擬，并可相對施工進度，進行工程量及其人力、材料、機械、成本的計劃用量和實際消耗量的查詢及統計分析。

目前，系統在工程項目部的網絡環境下正常運行，用戶包括業主各管理部門和十一個標段的施工方。系統還在工程信息監控中心運行，通過大屏幕展示整個工程施工進度和過程，成為面對政府及社會各界宣傳工程建設的重要窗口。青島海灣大橋互通橋段4D施工過程模擬如圖2所示。

（4）廣州珠江新城西塔工程

廣州珠江新城西塔位于廣州市CBD核心區，占地面積31084.96平方米，總建筑面積45萬平方米，主塔樓為103層，高432米。項目總投資約60億元人民幣，2006年底開始建設，將于亞運會前竣工并投入勞動。

本研究根據西塔工程施工管理的實際需求，對4DGCPSU 2006系統進行了擴充和完善，于2008年3月在西塔工程安裝運行。建立了主塔樓結構的3D模型，通過創建WBS和Project進度計劃，建立4D模型，實現了工程施工進度的動態管理和整個施工過程4D可視化模擬。可相對施工進度，進行工程量及其人力、材料、機械、成本的計劃用量和實際消耗量的查詢及統計分析，實現了工程的3D場地布置和施工設施的信息查詢。

廣州西塔工程主塔樓的4D施工過程模擬如圖3所示。

（5）其他工程應用項目

4D-GCPSU 2006自2006年12月應用于天安高爾夫瓏園住宅項目。該工程位于深圳福田中心區，總建筑面積112740m2，共有包括32、38和42層的7棟住宅。工程于2006年10月開工，2008年12月竣工。系統應用針對工程地下室結構及地上主體結構施工，進行了4D進度、資源管理以及施工過程的可視化模擬。

正在研制“風電工程建設4D管理系統”和“地鐵工程4D施工管理系統”，將在龍源風電工程以及地鐵工程應用。

5.經濟與社會效益

圖3 廣州西塔工程主塔樓的4D施工過程模擬

4D-GCPSU 2006應用于北京奧運會國家體育場、青島海灣大橋、廣州西塔等大型工程項目，其用戶包括業主、工程總承包部、施工項目部等。實際工程應用表明：4D-GCPSU 2006作為施工指揮平臺，提高了項目各參與方間的有效交流和溝通；通過直觀、準確、動態的施工模擬，可比較多種施工方案的可實施性，為方案優選提供決策支持；精確計劃和控制每月、每周、每天的施工進度，動態分配各種施工資源和場地，可減少或避免工期延誤，保障資源供給；對施工進度和場地布置進行可視化模擬，可及時發現和解決施工過程和現場的矛盾和沖突，提高工程的準確性；通過對4D模型的工程信息擴展、實時的信息查詢，提高了施工信息管理的效率；相對施工進度對工程量及資源、成本的動態查詢和統計分析，有助于全面把握工程的實施和進展，整個工程的4D可視化模擬還有助于施工安全管理。4D-GCPSU 2006的應用，為大型、復雜工程項目提供了有效的施工管理手段，對于提高施工管理水平和工作效率取得了顯著效果，對工程信息化管理起到了很大的推動作用，初步估算降低工程成本估計數千萬元，受到應用方的充分肯定和好評。

國家體育場、青島海灣大橋、廣州西塔是我國重點工程建設的窗口，建設過程中需要面對政府官員以及社會各界的考察或參觀。4D-GCPSU 2006形象、逼真、動態展示施工進度和建設過程，起到了很好的宣傳作用，產生了較大的社會影響。例如，系統在青島海灣大橋項目部的工程信息監控中心運行，通過大屏幕展示整個工程施工進度和過程，成為面對政府及社會各界宣傳工程建設的重要窗口。中央新聞紀錄電影制片廠出品的大型記錄片《筑夢2008》中，有關國家體育場建設過程的動畫制作，都是由4D-GCPSU系統產生的，清華大學土木工程系作為鳴謝單位排列第一。該片上映后獲得積極熱烈的社會反響，并在國際國內榮獲多個獎項。

6.與國外同類研究的比較

4D理論是美國斯坦福大學CIFE(Center for Integrated Facility Engineering)于1996年首先提出，其相關研究一直處于國際領先地位。與斯坦福大學CIFE等同類應用系統相比，“基于IFC標準的建筑工程4D施工管理系統”的研究和應用發展了4D理論，在技術水平、實用性和市場競爭力方面具有如下優勢和特點。

（1）技術優勢

1）4D++擴展模型及其建模技術：4D-GCPSU 2006基于的是施工管理擴展模型4DSMM++，3D建筑模型不僅與施工進度計劃相鏈接，而且與施工資源和場地布置信息集成一體，實現了包括施工進度、人力、材料、設備、成本和場地布置的4D集成化動態管理和4D可視化模擬。

2）4D項目管理及信息集成機制：4D-GCPSU 2006引入施工進度與資源分配的優化技術，建立了以WBS為核心的新的4D項目管理機制，使施工進度及資源管理可細化到每一個工作日、每一個構件和每一道工序，進一步滿足了施工項目管理的實際需求，提高了系統的實用性。

3）基于IFC標準的數據集成與交換技術：引入IFC標準，開發了IFC文件解析器和IFC數據與其他數據格式的轉換接口，建立了建筑施工管理的IFC數據描述，實現了設計與施工信息的交流與共享。

4）基于網絡的4D可視化平臺：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。

（2）市場競爭力

1）增強了管理功能：基于在IFC標準、4D擴展模型、信息集成以及網絡管理等方面的技術優勢，本系統不僅覆蓋了國外同類系統的主要功能，而且增加了設計信息共享、施工資源、場地布置以及網絡化管理等功能，實現了包括施工進度、人力、材料、設備、成本和場地布置的4D集成化動態管理和4D可視化模擬。

2）擴展了應用范圍： 國外同類系統主要用于建筑工程，本系統成功應用于建筑工程、橋梁工程，并已推廣到風電、地鐵隧道等工程領域。

3）更具實用性：本系統研究和開發完全是基于我國國情，建立了以WBS為核心的4D項目管理機制，能滿足了我國施工項目管理的實際需求。其適用性和實用性都是國外同類系統目前還無法超越的。

7.技術發展前景

隨著我國城鎮建設的快速發展，面對我國加入WTO后的激烈國際競爭以及全國十萬多家建設企業信息化發展需要，為4D施工管理技術的應用提供了廣闊的應用前景。基于IFC的建筑工程4D施工管理技術的發展將從應用廣度和研究深度兩方面展開。

（1）應用廣度：將技術向道路、橋梁、隧道、水利、電力以及設備安裝等工程領域的應用推廣。目前已成功應用于橋梁工程，地鐵工程和風電工程的4D管理系統正在開發中。廣泛應用對于提高我國工程建設施工的工作效率和管理水平，推動工程信息化管理，具有積極作用。

（2）研究深度：將技術應用于施工安全分析和管理、施工過程模擬和優化、虛擬工程建造、物業管理等方面，已成功申請到國家“十一五”支撐計劃等相關課題，理論研究和相關軟件開發正在進行中。深入研究對于保持該項技術研究和應用在國際上的領先地位，提高我國建設領域信息化管理水平，具有重要意義。

（注：此項目獲2009年華夏建設科技項目一等獎）