基于BIM 抽水蓄能電站施工進度可視化仿真的研究與探討

賈朋　李振波

摘 要：文章側重于抽水蓄能電站施工可視化進度仿真的理論研究，并在天池抽水蓄能電站籌建期的施工方案基礎上進行了基于Navisworks的施工進度可視化施工實施方法研究，提出了適合抽水蓄能電站的施工仿真方法。鑒于當前施工仿真方法理論和施工可視化進度仿真軟件還在不斷發展，且當前不同的施工仿真方法側重點不同，不存在一個公認的適合抽水蓄能電站的仿真方法和虛擬建造軟件，因此文章僅為一種基于現有數學、系統論、信息化的可行方法。

關鍵詞：BIM；電站；施工進度；可視化仿真

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0070-03

Abstract： This paper focuses on the theoretical research of visual construction schedule simulation of pumped storage power station， and studies the visual construction implementation method of construction schedule based on Navisworks on the basis of the construction scheme of Tianchi pumped storage power station during the preparation period. The simulation method for the construction of pumped storage power station is put forward. In view of the fact that the theory of construction simulation method and the simulation software of construction visual progress are still developing， and that the emphases of different construction simulation methods are different. There is no recognized simulation method and virtual construction software for pumped-storage power station， so this paper is only a feasible method based on existing mathematics， system theory and information technology.

Keywords： BIM； power station； construction progress； visual simulation

1 概述

典型抽水蓄能電站一般由上水庫、引水發電系統和下水庫三部分組成。上、下水庫庫容一般較小（或利用已建水庫），作為主要建設項目的壩，它的工程規模一般不大。引水發電系統由引泄水系統及電站廠房系統兩部分組成。其中引泄水系統一般由隧洞、豎井、斜井、調壓設施等組成，主要特點是洞線長度較長、地質條件復雜，如遇到洞徑較大、質量要求較高的或出現不良地質條件需要特殊處理的情況，則可能影響整個項目的工期。

電站廠房系統是由若干地下洞室群組成，特別是主廠房，體量大、埋藏深、開挖量集中、施工通道少、施工干擾大，正常情況下，地下廠房對整個項目的工期起決定性作用。在抽水蓄能電站施工進度可視化仿真中，最重要的就是針對上、下庫系統和引水發電系統，分析其重要的主體建筑物，從而得出施工進度可視化仿真應針對的主要對象。

2 基于BIM的抽水蓄能電站施工進度可視化仿真實施方案

基于BIM的施工進度可視化仿真技術，是將設計階段所完成的三維模型附加以時間維度T，構成4D施工模擬所需的BIM模型，通過在計算機上借助各種可視化軟硬件對項目進行基于時間描述的四維施工仿真。其主要目的是按照工程項目的施工進度計劃模擬建造過程，在虛擬環境中發現施工過程中可能存在的風險和問題，針對問題對資源和計劃進行調整和修改，進而優化施工進度計劃，指導施工管理。

2.1 基于WBS的項目進度計劃制定

進度計劃的制定是進行項目進度控制與施工模擬的第一步。而基于BIM的建設項目進度控制系統的進度計劃制定，要建立在工作結構分解（WBS）的基礎上。WBS將項目進行逐級分解為總項目、單體項目、項目任務、子任務、工作包，并以編碼表示的若干大小不同的項目單元。

2.2 三維模型與進度信息的關聯

將設計方案轉換為三維模型后，需要在三維模型上附加第四維的進度信息。基于BIM的施工模擬中，進度信息的添加是非常關鍵的一步。首先根據WBS的分解原理，將三維模型中的構件分類合并為構件集，對應于最基本的工作包，代替單個構件。生成構件集后，則依據傳統的計劃進度編制方式，在進度計劃軟件中對工作的進度信息和前后搭接關系進行定義。最后再加這一進度模型導入至三維模型中，根據內生的規則自行對構件集和其進度信息進行關聯，最終形成四維的模型，并能根據不同的時間節點進行動畫的演示。

針對抽水蓄能水電站籌建備期的主要建筑物，考慮到三維模型的設計源于不同三維設計軟件，三維模型數據文件多樣，單純采用傳統的手工操作方法或基于構件集的方法并不能有效解決三維模型與進度信息的掛接問題，需將以上兩種方法有效結合。

（1）分解工作包

分解工作包是建立施工模擬模型的關鍵，項目工期只有通過合理的分解，才能系統地將項目的工作逐步分解為各個工作包，再通過進度計劃軟件，在WBS的基礎上，對各工作任務進行工期的安排。

工作包分解時，應進一步考慮具體施工情況，如洞身的開挖支護，開挖與支護交替進行，噴錨支護應在開挖后適時跟進，可將開挖支護這一子任務先細分為洞身開挖與洞身支護兩個工作包，再在此基礎上進行進一步的工作包分解，形成以周為基本工期單位的工作包。

工作包分解是對工程項目實施的主要工作任務以及工程項目技術系統的綜合分解，它能把要進行的項目與可交付成果分解成為更小的、易于管理的組成部分，以便于和三維模型進行一一掛接。

（2）三維模型切分

原始三維模型并不能滿足施工模擬的基本需求，需基于工作包的分解結果，對三維模型進行進一步的切塊劃分，如進廠交通洞的洞身是一個整體模型，需專門針對該模型切段劃分，形成多個等間距的洞體。

三維模型的切分應綜合考慮施工工期、工程量、工作包工期等多個因素，保證切分后的三維模型能夠直接與工作包進行掛接，本工程針對進廠交通洞的三維模型，采用平均切分的方式，對三維模型進行了有效切分。

（3）基于施工進度模擬軟件鏈接施工進度數據

施工進度模擬軟件是利用BIM模型進行施工進度模擬的專用軟件。Navisworks是一款用于分析、仿真和項目信息交流的軟件，它將其他軟件的設計數據整合集成進入單一項目模型，進行施工可視化分析、調整、優化，以便于后期進行可視化虛擬建造，預測和避免潛在的問題。

采用施工進度模擬軟件可基于已完成BIM模型，采用外部鏈接（直接單向互用）的方式創建任務。在Navisworks軟件中將BIM模型與Primavera P6等項目管理軟件進行實時交互。

該軟件在工程領域主要用于工程的進度管理，資源與造價管理，同時P6數據可通過格式轉換方式，實現與Navisworks的數據互通。通過在Navisworks中讀入P6的甘特圖，與施工構件進行關聯，即實現施工可視化4D模擬。

基于P6制作的施工進度計劃，可通過格式轉換方式將P6數據文件導入到Microsoft Project項目管理軟件中，然后統一與三維模型一同導入到Navisworks平臺進行集成，把模型中的模型塊與編制計劃中的工作包進行對應并建立鏈接。

3 施工進度可視化仿真在建設期的應用

本文以BIM理論及其相關軟件為基礎，建立施工可視化分析模型，并在Navisworks軟件平臺上展現基于BIM技術的施工可視化實施過程。通過結合河南天池抽水蓄能電站工程建設施工組織設計，針對通風兼安全洞、進廠交通洞、業主營地等籌建期典型建、構筑物進行基于BIM模型的施工可視化進行模擬和分析。通過Navisworks軟件平臺實現施工階段信息的集成與共享，得到基于BIM技術的施工可視化模型，通過三維動態可視化的方式，使項目管理者直觀地對項目進度計劃進行分析，及時發現其中所存在的問題，以便在制定項目進度計劃中對相關問題進行修正，合理進行事前控制。

3.1 施工進度動態管理

在施工過程中，可根據進度信息或者三維模型對項目施工進度進行查詢、調整與控制，實現對項目施工進度的動態管理，指導施工的進行。同時可結合直觀的3D BIM模型以及4D施工工藝展示，有效地管理檢測整個工程項目的施工過程，有效地排查不合理的工期與計劃施工方案。

在P6建立的施工進度數據，可與Navisworks建立單向鏈接關系，即當項目管理者對P6中的進度數據進行修改后，可在Navisworks中直接與P6數據進行更新同步，對施工進度的更新部分進行直接同步，而不影響施工任務與三維模型建立的原有鏈接關系。

3.2 施工進度動態展示

基于BIM技術的施工進度動態管理，可結合項目施工方案調整進度計劃，找出施工過程中可能存在的問題，優化4D 虛擬建造過程；同時，當施工項目發生工程變更時，施工項目管理者依據變更情況對進度、資源等信息進行相應的調整，再將調整后的信息交互到BIM模型中，進行4D虛擬建造。完成進度調整后，利用4D虛擬建造過程模型進行施工進度動態展示。

3.3 工程施工進度監控

基于BIM技術的4D虛擬建造能夠進行施工進度的查詢和調整，展示動態的施工進度，同時能夠利用4D虛擬建造對施工項目進行施工進度監控。

在4D虛擬施工模型中，通過工程實際進度與計劃進度進行對比，進行進度偏差分析和進度預警。同時，項目管理者通過軟件項目工期預警管理，清晰地看出滯后范圍，并計算出滯后部分的工程量，然后針對滯后的工程部分，合理組織資源加快施工進度或進行進度調整。計劃進度與實際進度對比如圖1所示。

3.4 施工現場工序模擬

根據項目的實際情況，建立設備與場地的三維模型，對施工場地進行動態布置，對項目中重要的施工任務進行施工工序模擬。本工程中，基于Navisworks平臺的Timeliner模塊與Animator模塊，針對進廠交通洞的平開挖過程進行施工工序模擬。

平洞開挖采用鉆爆法開挖，本項目中基于現有4D模型，選取洞身典型段，對鉆爆法的鉆孔、爆破、開挖和廢渣出場等過程進行模擬，實現施工現場的4D形象化展示。

同時，還可賦予各施工設施設備參數信息。當點取任何設施時，可以查詢或修改設施的類型、型號和存在時間等施工屬性信息，如圖2所示。通過軟件界面，可以實時查看場地施工機械及設施的分布，將施工進度與施工場地布置對應，形成4D施工場地的動態管理。

3.5 施工進度優化

基于BIM的4D進度管理，通過反復的施工過程模擬，在模擬環境中暴露施工階段可能出現的問題，逐一修改，并提前制定應對措施，以獲得最有施工方案和施工計劃，指導實際的項目施工，從而保證項目的順利實施。

4 基于.NET的施工進度可視化仿真開發

本工程基于Navisworks API與C#.NET開發設計Navisworks圖例插件，輔助于施工模擬模型的查詢審閱。

5 結束語

隨著我國抽水蓄能電站建設的發展和施工技術的改進，工程規模和工程復雜度也越來越高，這給施工進度管理帶來了挑戰。如何制定進度計劃，更好地指導實際施工，如何利用施工仿真，優化工程施工方法的選擇，對抽水蓄能電站的施工組織設計和現場管理十分重要。

隨著BIM技術的發展，越來越多的施工仿真模擬將與BIM模型相結合完成。與此同時，BIM技術意味著信息的集成，因此，如何利用BIM模型內的信息，讓仿真過程能夠從設計階段到施工階段依靠BIM模型內蘊，從而實現施工可視化仿真模擬的動態可調，讓可視化仿真成果跟隨項目進展不斷根據實際進展進行再調整，從而形成基于BIM的施工進度實時控制方法，成為下一步研究的重點。

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