BIM 4D虛擬建造在施工進度管理中的應用

王勝軍

摘要：工程施工通常是一個動態過程，抽水蓄能電站工程屬于較復雜工程，通常規模大，施工進度管理復雜。提出了一套基于BIM 4D虛擬建造技術的施工進度管理方案，實現了施工信息的高效整合，建立基于Navisworks Manage平臺的BIM 4D施工信息模型，通過一套施工階段將工期管理細化到WBS工序節點的方法與機制，實現了三維模型與施工進度的耦合關聯，為施工進度管理與進度優化提供依據。并選取河南天池抽水蓄能電站作為應用案例，對該方法的應用進行了說明。

關鍵詞：BIM;4D虛擬建造;施工進度管理;進度優化;抽水蓄能電站

中圖分類號：TV743

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 13 79.2019.03.030

抽水蓄能電站工程具有專業涉及廣、地形條件復雜多變、工程布置復雜等特點，施工進度管理難度較大。傳統的二維進度表達方式難以準確反映施工的動態變化與不同施工任務的內在關系，更無法及時有效地對施工資源以及工程造價進行動態展示與調控，從而動態優化和調整施工過程。BIM（建筑信息建模）是當今工程建設領域的新興技術，是對一個設施的實體和功能特性的數字化表達，可應用于抽水蓄能電站工程施工進度的可視化管理。在BIM 3D模型的基礎上，BIM 4D虛擬建造技術形象地模擬工程復雜的施工過程，將工程施工數據與工程管理數據集成在數字模型中，通過虛擬建造的方式對構筑物的施工建造過程進行動態的、交互式的可視化展示，可以為工程施工組織設計和宏觀決策提供數據支持、分析手段，并提前制定應對措施，再用來指導施工進度管理工作，從而確保整個工程施工的順利完成[1-2]。

1 BIM 4D虛擬建造技術概述

BIM通過建立三維建筑模型，共享知識資源，分享有關設施的信息，為該設施從概念設計到拆除的整個生命周期中的所有決策提供依據。在項目不同階段，不同參與方可以通過在BIM中新增、修改、更新和刪除信息來實現各個參與方的協同作業。BIM 4D是在BIM技術的基礎上，將工程建筑物的三維信息模型與施工工期元素進行結合，即在三維模型基礎上添加時間維度，構建四維模型，用可視化方式展示施工模擬過程與相關數據，而不再是僅僅采用圖表、文字敘述的表達方式。

BIM 4D虛擬建造技術是多形態、多維度的表現方式，除了通過三維方式展現構筑物各個組件的相關數據外，還可以動態表達施工不同階段構筑物的施工面貌，從而幫助管理人員清楚地了解工程施工狀態，通過虛擬建造尋找潛在的空間沖突，優化施工方案。虛擬建造技術可以按照工程項目的施工計劃模擬現實的建造過程，通過反復模擬施工建造的整個過程，發現施工過程中可能存在或者將要發生的問題和風險，并以此為基礎，對4D數據模型或計劃進行針對性調整，進而優化施工計劃，輔助項目管理[4-5]。

2 BIM 4D虛擬建造關鍵技術

2.1 BIM 4D虛擬建造平臺選擇

抽水蓄能電站工程的施工過程往往需要反映建筑物施工、設備進出場和地形動態填挖等動態邏輯關系，因此施工過程的虛擬建造不單單局限于傳統的水工樞紐布置與各種建筑物等，還必須將具有空間地理位置特征的靜態數據與和工期相關聯的靜態數據進行有效結合，選取合適的平臺構建BIM 4D模型[7-8]。Navis-works Manage作為一款4D/5D協助設計檢視軟件，針對工程項目的全生命周期可以有效地對工程施工的動態過程進行施工模擬。同時，在設計工作中可以利用Navisworks Manage把工程項目管理數據集成到建筑信息模型中，從而形成可視化模型，對項目進行動態模擬與虛擬描述。該平臺具有4D模擬功能。通過導人時間進度數據并按照一定的規則與場景中的模型一一對應，使得組成三維模型的圖形單元具有時間屬性，從而直接進行施工過程的動態演示。Navisworks Manage支持數據庫的信息掛接，采用SQL語言使模型與數據庫表中的字段通過唯一標識符建立鏈接，從而將空間實體模型與其屬性逐一對應。

2.2 BIM 4D模型數據組織結構

三維模型在進行格式轉換后往往會造成信息丟失。Navisworks Manage作為一個綜合信息集成平臺，為避免三維模型信息的丟失，需要采用外鏈數據庫的方式實現屬性數據與三維模型的掛接。NavisworksManage平臺提供ODBC數據庫驅動，可結合SQL語言實現模型與信息的掛接，其中包括關鍵設備參數信息、地理坐標、尺寸信息等文本信息，以及圖片、圖紙、視頻等文件類信息。完整地定義并添加屬性信息是實現基于BIM技術的施工虛擬建造的前提。同時，為實現施工可視化，還需要針對模型關聯施工進度信息，如計劃進度和實際進度。進度信息的制定可以通過MicrosoftProject和Primavera P6等項目管理軟件實現，并導出MPP，CSV等格式文件，導人Navisworks平臺與3D模型進行數據掛接。

為了構建基于BIM 4D的虛擬建造分析模型，整個可視化模型和進度信息要建立相耦聯的關系。可視化模擬的調整優化過程本質上是進度信息的調整優化過程。施工進度數據可與Navisworks Manage建立單向鏈接關系，即當項目管理者對進度數據進行修改后，可在Navisworks Manage中直接對進度數據進行更新、同步，不影響施工任務與三維模型建立的原有鏈接關系，從而根據項目的實際情況與現場狀況做出動態調整。Navisworks Manage中BIM 4D模型數據組織結構見圖1。

2.3 BIM 4D模型構建

BIM 4D模型是BIM 3D模型與時間維度的整合。BIM 4D模型構建過程分為基于WBS（工作結構分解）的進度計劃制訂、三維模型構建和三維模型與進度信息的關聯3個關鍵步驟。

（1）基于WBS的進度計劃制訂。工作結構分解指對工程項目實施的主要工作任務和工程項目技術系統的綜合分解。進度計劃的制訂是進行BIM 4D模型構建的一個關鍵步驟，基于BIM的進度計劃制訂要建立在工作結構分解的基礎上，根據編碼與規范將要進行的項目及可交付成果分解成更小的.易于管理的項目組成部分。WBS作為項目進度管理的前提可以使項目計劃具有很強的層次性，輔助進度管理細化到工序節點。它將項目逐級分解為總項目、單體項目、項目任務、子任務、工作包，一般的級別層次劃分見表1。

總項目（第1級）由一些單體項目（第2級）組成，單體項目的成本與工期總和應與總項目一致，而單體項目可以劃分為很多個項目任務（第3級），以上三級統稱為管理層。項目任務由多個子任務組成，而子任務又由工作包構成，其中工作包包括工程項目計劃中明確的活動，子任務與工作包屬于技術層。

（2）三維模型構建。抽水蓄能電站工程涉及專業多，模型復雜，需要采用多個建模軟件進行綜合建模。在進行復雜地形、開挖回填和大壩等異形結構的模型設計時，可采用CATIA進行建模，以保證模型精度;對于普通建筑物、設備和管線等常規模型結構，可采用REVIT進行模型設計，以保證建模效率。最終不同數據格式的模型文件可以統一導人Navisworks Manage平臺進行集成。

建模過程應考慮三維模型與施工進度信息相匹配，原始三維模型往往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，如抽水蓄能電站工程常見的洞身模型，最初是一個整體模型，需專門針對該模型切段劃分，形成多個等間距的洞體，見圖2。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。

（3）三維模型與進度信息的關聯。當完成進度信息的工作結構分解與三維模型的設計后，需要在三維模型上附加第四維的進度信息，實現進度信息的添加并將工作包與模型塊一一對應是實現基于BIM 4D的虛擬建造的技術重點和難點。

模型關聯的實現主要依靠Navisworks Manage的Timeliner功能模塊實現，TimeLiner可以進行進度數據關聯、模型關聯、實際進度模擬、計劃進度模擬和進度查詢等。為實現進度信息與三維模型的一一對應，首先需要將三維模型基于工作包進行統一劃分，制定選擇集，從而形成最基本的三維模型工作包：然后將進度控制軟件制作的項目進度信息導人到Navisworks Man-age平臺;最后通過預先設定的關聯規則，并結合手動關聯，對進度計劃和三維模型工作包進行關聯。

為提高進度信息關聯效率，應針對工程進度劃分工作包，并基于現有的工作包分解結果，對三維模型進行切割分塊，實現模型與工作包的一一對應，有效降低后期三維模型與進度信息掛接的工作量，最終通過規則關聯與手動掛接相結合的方式構建BIM 4D模型。Timeliner實現模型與進度關聯流程見圖3。

3 應用實例

抽水蓄能電站作為水利水電工程的一個分支，工程復雜多變，可借助BIM 4D虛擬建造技術為項目管理者制定合理的施工工期方案提供數據支持與決策支持，通過有效地集成施工相關數據信息，對重要施工環節進行三維可視化模擬，輔助抽水蓄能電站的施工進度管理工作。

河南天池抽水蓄能電站位于河南省南陽市南召縣，裝機規模為1 200 MW（4x300 MW），為一等大型工程，其主要任務是為河南電力系統提供調峰填谷、調頻調相、事故緊急備用和黑啟動等任務。以河南天池抽水蓄能電站為例，通過Primavera P6、MicrosoftProject、Navisworks Manage軟件的綜合運用，完成基于BIM 4D的虛擬建造技術在實際工程中的應用，為優化施工進度、減少工程投資和優化資源調配提供科學直觀的數據支持與決策支持。

3.1 施工進度動態管理

在進度管理過程中，可根據進度信息或者三維模型對項目施工進度進行添加、調整、查詢與控制，實現對項目施工進度的動態管理，指導施工。同時可結合直觀的BIM 3D模型以及4D施工工藝展示，有效地管理、檢視整個工程項目的施工過程，排查不合理的工期與計劃施工方案，包括持續時間、各個工作包之間的邏輯等，從而通過反復模擬與全方位檢查，優化施工方案。

3.2 施工進度動態展示

在施工項目發生工程變更時，項目管理者依據變更情況，在項目管理軟件上對進度、資源等信息進行相應調整，同時更新同步到BIM 4D項目管理平臺，此時，同步的信息可以通過單向鏈接的方式驅動三維模型，將更新狀態反映在BIM 4D虛擬建造的模擬過程中。項目進度更新后，可進行工程施工進度的動態模擬展示，實現包括正序模擬、倒序模擬和按日、周、月與年等不同時間段模擬等功能。抽水蓄能電站業主營地的主要建筑物虛擬建造過程見圖4-圖6。

3.3 工程施工進度監控

在BIM 4D模型中，通過虛擬建造，將實際進度與計劃進度進行比對，并在三維動態模型上進行展示，可進行直觀的進度偏差分析和施工進度滯后預警。在施工過程中，項目管理人員需要錄入真實的施工進度，通過觀測模擬結果直接與計劃進度進行多方位的對比，查詢項目滯后范圍與工程量，并針對性地組織勞動力、材料和設備設施等，調整優化施工方案，加快施工進度。計劃進度與實際進度的模型對比見圖7。各個施工狀態可以通過模型顏色與模型顯示（隱藏）來表達，其中：紅色部分表示滯后的施工內容：淺綠色表示即將進行的施工工作：實體部分，即紅色與淺綠色以外的模型，表示已完成的工程內容。

3.4 施工現場工序模擬

根據該項目的實際情況，構建施工設備模型與開挖模型，可以實現施工場地的動態布置，將工程中關鍵施工任務進行施工工序模擬。采用Navisworks Manage平臺的Timeliner模塊與Animator模塊構建施工工序動畫，針對進廠交通洞的平洞開挖過程進行施工工序模擬。平洞開挖采用鉆爆法開挖，基于現有BIM 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，見圖8-圖10。

同時，實現施工設施設備信息與數據庫掛接，包括設備的類型、型號、運行參數等重要施工屬性信息，在點選相應設備后即可進行信息查詢。施工進度模擬與施工工序模擬可進行有效結合，從而更加真實形象地反映施工場地的面貌，包括地形開挖變化、場地設施數量等，實現施工場地的動態綜合管理。自卸汽車主要技術參數查詢見圖11。

4 結語

BIM 4D虛擬建造技術是施工進度與設計三維模型的結合，通過施工進度信息來驅動三維模型，使之在時間維度上按照一定的規則實現顯示、消失、變換等狀態變更，從而模擬建造過程。虛擬建造基于BIM 4D信息驅動模型，可方便快捷地進行信息添加、刪除與修改等操作，并驅動整個模型進行變更，是一種高效、直觀的信息化施工進度管理模式，在施工進度管理中可以發揮更大的作用。

本文提出了一套基于BIM 4D虛擬建造技術的施工進度管理方案，實現了施工信息的高效整合。建立基于Navisworks Manage平臺的BIM 4D施工信息模型，提出了一套施工階段將工期管理細化到WBS工序節點的方法與機制，實現了三維模型與施工進度的耦合關聯，為施工進度管理與進度優化提供依據。將BIM技術合理、有效運用在水利工程領域，并以河南天池抽水蓄能電站施工進度管理為典型案例，為水利水電施工領域探索了新的管理模式和方法。

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