施工可視化模擬技術在科威特醫保醫院EPC項目中的應用與研究

徐 云 羅 兵

上海寶冶集團有限公司 上海 201900

4D施工模擬技術采用三維模型與一維時間相結合的手段，創建可視化模擬施工的效果，達到改善項目組織間溝通協調的目的[1]。在4D模型中，項目的時空聯系十分緊密，這兩大因素的關系在工程實施中相互依存。4D模擬可應用在建筑工程的不同階段，如分析設計、可實施性、施工規劃及檢測環節[2-3]。工程中，三維模型與一維時間進行系統性的集成始終是建筑行業人員研究與關注的方向，并在很多大型工程項目中推廣應用且取得了一定成效。上海迪士尼項目4D施工模擬的應用數據表明：工程時間可節省10%～11%，工程成本可節省3%～4%。4D施工模擬技術可支持空間沖突分析、路徑分析、施工質量檢查和危害源識別。

1 研究背景

科威特醫保醫院項目是集設計、采購、建造及運營維護（EPC＋O）為一體的EPC項目，由Ahmadi和Jahra這2個規模大體相同的醫院組成，每個醫院包括1棟擁有300張住院病床的主樓、門診部、急診病房，擁有547個停車位的停車樓設施及外部工程，包括2個地點醫院的所有公共事業設備。其中，Ahmadi醫院占地3.6萬 m2，Jahra醫院占地5萬 m2。每座醫院主樓為地上5層、地下1層，建筑面積86 984 m2；停車樓地上5層，建筑面積19 892 m2。2座醫院主體建筑完全相同，布局因場地條件不同而異。

本文以科威特醫保醫院項目為工程背景，從4D模型的建立及4D模擬分析在工程實體中的應用等方面考慮，依托集成化Synchro軟件平臺，進行4D仿真可視化模擬，完成項目關鍵路徑和活動的監控和可視化查詢，降低傳統項目管理中組織的溝通協調冗長，減少施工時間、降低施工成本和提高施工質量等管理的效率，完善施工規劃。同時根據4D施工可視化模擬技術在工程上的成果進行技術方面的發展研究，在4D的基礎上加上資源與費用進行了工程項目5D仿真模擬。

隨著社會對建筑要求的不斷提高，建筑工程項目的復雜程度也大幅度提高，尤其是EPC項目。科威特醫保醫院EPC項目在執行過程中采用“邊設計、邊施工”的加速推進項目實體的建立管理模式，這對項目團隊的管理要求大大提高，如何在短時間內達到復雜工程的高標準要求是值得思考的，施工可視化模擬技術在一定程度上協助了項目管理團隊去執行復雜的工程項目。

2 施工模擬

2.1 仿真模型建立

1）利用Autodesk Revit將2D施工圖紙轉換為3D模型：將Auto-CAD中的平面圖紙導入到三維建模軟件Autodesk Revit中進行相關構件的制作，完成建筑3D模型。

2）利用Autodesk Navisworks將所需的3D模型進行抽取：從Autodesk Revit中導dwf.格式文件，并將該文件導入Autodesk Navisworks進行模型處理，抽取出計劃中作業對應的模型文件，并依次導入4D軟件Synchro軟件中。

3）利用Primavera P6軟件進行計劃編制：根據項目參考文件、圖紙、工程量清單、施工方案等進行施工計劃的制作，并從Primavera P6中導出xml.格式的文件，導入到4D軟件Synchro軟件中。

4）利用Synchro軟件進行計劃與模型搭建關系：將3D模型抽取出的構件分別分配到對應的計劃作業上，并按施工方案的順序定義相關構件可視化的先后關系，完成4D仿真模型的建立。同時在對應的構件上增加綜合費用，形成5D仿真模型。

2.2 4D數值仿真

4D技術的研究和應用在國內外已經得到了廣泛重視，是未來工程招投標、設計和施工管理必需的輔助工具[4]。金大鵬等[5]針對機房的管線綜合排布，通過4D可視化技術研究綜合支吊架系統，進行相關管線排布方案優化，實現了模型漫游，使觀感質量達到最優。以可視化模擬分析后的4D模型和施工進度計劃為依據進行群塔作業組織和安排，能夠清楚地知道每一個環節的工作時間和內容，從而合理安排施工人員及機械的施工時間[6]。4D數值仿真對項目管理的影響與作用逐漸在工程領域受到重視。科威特醫保醫院EPC項目同樣用到了4D技術，其醫院主樓結構進度計劃，如圖1所示。結構三維模型，如圖2所示。

圖1 結構進度計劃

圖2 結構三維模型

通過2.1仿真模型建立步驟對科威特醫保醫院項目工程實體的一個區域進行了4D數值仿真模擬，其仿真模型，如圖3所示。施工現場形象進度，如圖4所示。

圖3 4D數值仿真模型

圖4 施工現場形象進度

4D施工可視化模擬的結果表明：

1）改善了項目參與者對項目的理解，提高了工程師和項目團隊對現場動態的把控。

2）直觀地將計劃中施工作業的邏輯關系表現出來，保證了工程推進的計劃性與有效性。

3）在工程量相似的不同區域、相同的作業班組和機械條件下，采用施工模擬技術的效果明顯，相比傳統施工方法，能節省工期、節約成本，減少現場返工現象。

通過項目執行前的計劃安排，協調實體施工先后的邏輯關系，并將實施邏輯關系用三維模型生長的方式展示，不僅可以讓項目管理團隊對工程情況了解更加清楚，而且在生產過程中工作也將更加有序，可避免不必要的返工。

施工可視化模擬技術在工程結構上的應用所帶來的價值并不是非常明顯，因為單個專業（結構）的幾類構件空間上的協調并不困難，但是在異常復雜的工程中，由于專業內子專業的施工穿插、專業與專業間施工穿插、實體的工作交接錯綜復雜的項目等，該技術的應用價值就會表現明顯。

2.3 5D數值仿真

基于BIM技術的懸臂施工連續橋梁5D施工管理能夠實現施工管理由靜態、粗放向動態、精益的轉變，提升建筑施工企業的生產效率，節省工期、節約成本[7]。將BIM 5D技術與傳統成本控制中的掙值法理論結合，研究出新的基于BIM 5D的成本動態控制法[8]。

基于BIM 5D技術實施局部區域的成本精細管理，針對合同價、目標成本、實際成本，輸出周、月、年對比曲線，有效地促進成本精細化管理[9]。基于BIM 5D施工模型的歷史建筑修復施工模擬，不僅能優化修復方式、提高工程效率，還可動態追蹤項目進度，實現修復現場的精準管控，取得更好的經濟效益[10]。5D數值仿真技術提供了集信息協同及交互為一體的施工可視化模擬管理，提高了項目管理效率。工程前期的5D策劃非常重要，可為項目團隊進行工程實施提供一定的參考，從而提升工程項目的執行效率，避免機電管線實施碰撞的返工，造成成本浪費。機電各子專業的施工穿插相比結構構件的穿插施工要復雜得多，因為機電涉及暖通、給排水、消防、強弱電及特殊系統專業工程，機電各子專業之間綜合協調的施工管理難度大且費用高，所以進行有效的時間、成本及資源的監控是有必要的。

科威特醫保醫院EPC項目機管線不同于簡單的結構體系，就地下室機電管線而言，因其體量大、系統多、空間小、造價高等特點，錯綜復雜的機電管線的關系導致地下室機電管線必須做到先后有序實施的高效管理，這對項目團隊來說是一個挑戰。地下室機電管線三維模型，如圖5所示。在2.1章節中4D數值仿真模型建立的流程基礎之上選取地下室一個區域進行5D數值仿真模擬，通過在一個區域的機電管線的進度計劃上增加對應作業機電管線預算成本費用，就形成了機電該區域各專業管線5D施工可視化模擬。機電管線5D施工可視化模擬，如圖6所示。

圖5 地下室機電管線三維模型

圖6 機電管線5D施工可視化模擬

通過對地下室機電管線的5D施工可視化模擬對項目執行指導的成果表明：

1）項目管理團隊利用工程的5D數值仿真效果對工程實施的安排、工期及費用控制進行了系統的研究分析，并在實體實施執行過程中進行了借鑒，效果明顯。

2）不定期對5D數值仿真的模型進行更新，不僅能動態地監控工程實體進展，并且對工期的偏差、費用的偏差進行定量分析，給項目管理層提供進一步決策的作用。

除了機電工程各個子專業管線的進行5D施工可視化模擬技術的應用之外，也可以去解決工程實體在實施中專業間穿插、專業與專業間穿插、區域與區域間穿插及單體與單體間執行先后錯綜復雜的協調問題。

5D技術隨建筑行業中項目復雜程度的提高漸漸出現并逐步推廣應用，與此同時，對這方面有研究的人員已將5D發展到6D，即在5D的基準之上加上項目文件資料及風險評估的可視化施工模擬集成管理。同時，對項目管理團隊的綜合能力要求逐步提高，并且推動著建筑行業的項目管理水平提升。

3 結語

通過施工模擬可視化模擬技術在科威特醫保醫院EPC項目上的應用與研究，得出以下結論：

1）在該技術應用的過程中發現，前期模型的處理與計劃的編制需要消耗大量的時間，但是在工程實施時會減少干系人之間冗長的溝通所帶來的拖期風險。

2）經過實踐證明：可視化施工模擬技術提高了計劃對工程施工指導的水平，能節省一定的時間與費用。

3）利用4D可視化施工模擬，可以增強施工工藝邏輯與方案邏輯關系的理解效果，提高了工程管理人員對工程實施的認識和遠程監控的能力，加快了工程實施的進度，節約了人工成本。

4）在該技術的工程應用帶來良好效益的同時，對其開發與研究，并進一步加深4D的應用（如5D，在4D的基礎之上加上費用的概念），對相關工作人員的綜合能力有較高的要求，因此可以通過適當的培訓與交流提升工程管理人員的整體水平。

5）施工可視化技術隨著社會的進步、工程需求的提高在逐步發展（如6D技術），該技術的應用會因項目實踐產生的優良效益被人所接受并推廣。