面向高鐵特大橋虛擬化施工的4D BIM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

余柏廷，楊 駿

（西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高鐵建設(shè)也呈現(xiàn)出極高的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。與此同時(shí)，面對(duì)如高鐵特大橋規(guī)模大、工時(shí)長(zhǎng)、施工要求高的施工項(xiàng)目，傳統(tǒng)施工行業(yè)施工規(guī)劃仍然存在依靠大量人力、施工數(shù)據(jù)無(wú)法互相適配、施工流程無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等問(wèn)題。因此，實(shí)現(xiàn)高鐵特大橋施工的虛擬化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具有自動(dòng)化、信息化建造流程的智慧工地（Smart Construction Site）已成為現(xiàn)代建造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

虛擬施工（VC，Virtual Construction），是實(shí)際施工過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的虛擬實(shí)現(xiàn)[1]。顧名思義是在一個(gè)假設(shè)的環(huán)境下，充分考慮各種變量對(duì)施工的影響后，對(duì)工程的預(yù)期與評(píng)估，有著便捷、直觀、精確性高等諸多優(yōu)勢(shì)。作為建造行業(yè)信息化的主要手段之一，BIM技術(shù)也是虛擬化施工的關(guān)鍵技術(shù)，文獻(xiàn)[2]論述了BIM在多學(xué)科、協(xié)同制造上的巨大作用；文獻(xiàn)[3]建立了基于BIM技術(shù)的地下建筑信息模型，以獲得施工線(xiàn)路周?chē)牡叵略敱M信息，為前期的規(guī)劃和后期的施工提供了極大的便利；文獻(xiàn)[4]采用基于4D BIM的可互操作流程，優(yōu)化了住宅建筑的設(shè)計(jì)和施工；文獻(xiàn)[5]詳細(xì)論述了4D BIM工具在建筑制造風(fēng)險(xiǎn)管理中的作用。

我國(guó)在建造行業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)起步稍晚于發(fā)達(dá)國(guó)家，但近年來(lái)也取得了不俗的成果。文獻(xiàn)[6]建立了4D BIM施工信息模型，實(shí)現(xiàn)了面向4D BIM的虛擬建造在工程管理的應(yīng)用；文獻(xiàn)[7]運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于智能施工的精細(xì)化工程成本管控研究；文獻(xiàn)[8]基于BENTLEY平臺(tái)研究了橋梁快速智能建造方案；文獻(xiàn)[9]將BIM與3D掃描技術(shù)結(jié)合，研究了BIM在風(fēng)、水、電安裝工程的作用與前景。

總體而言，國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)虛擬施工的方法大多處在項(xiàng)目前期階段基于AutoCAD及Unity3D建模進(jìn)行的，而對(duì)4D BIM技術(shù)的運(yùn)用，大部分只局限于工程人員物料管理方面，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)將從VC中得出的數(shù)據(jù)反饋到實(shí)際施工過(guò)程中，從而實(shí)現(xiàn)施工自動(dòng)化的應(yīng)用。作為新一代BIM技術(shù)，4D BIM將工程建筑物的三維信息模型與施工工期元素進(jìn)行結(jié)合，即在三維模型基礎(chǔ)上添加時(shí)間維度，構(gòu)建四維模型，用可視化方式展示施工模擬過(guò)程與相關(guān)數(shù)據(jù)，有效地解決了上述問(wèn)題。

1 面向虛擬施工的4D BIM技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)3D BIM技術(shù)的局限

傳統(tǒng)3D BIM模型優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)讓設(shè)計(jì)、施工人員直觀、確切地了解建筑物的形態(tài)、內(nèi)部構(gòu)造、所需用料等。這一優(yōu)點(diǎn)使得BIM技術(shù)在過(guò)去10余年間為建筑和制造行業(yè)做出了卓越的貢獻(xiàn)。

傳統(tǒng)3D BIM技術(shù)仍然有著無(wú)法克服的缺陷與局限性：（1）目前，大部分BIM軟件數(shù)據(jù)互通性、適配性差，導(dǎo)致3D BIM技術(shù)聯(lián)合其它行業(yè)、其它學(xué)科發(fā)揮作用的能力十分有限；（2）傳統(tǒng)3D BIM技術(shù)在實(shí)現(xiàn)展示，諸如施工建造的動(dòng)態(tài)過(guò)程上有著其固有的局限性。4D BIM技術(shù)通過(guò)時(shí)間維度的引入，有效地解決了動(dòng)態(tài)過(guò)程上的局限性。

1.2 4D BIM技術(shù)

根據(jù)Moslem Sheikhkhoshkar[10]等人所述，BIM技術(shù)為信息傳遞和數(shù)據(jù)集成配備了多個(gè)維度，能夠在整個(gè)建筑領(lǐng)域與現(xiàn)有的實(shí)際施工流程進(jìn)行轉(zhuǎn)換、反饋。其中，附加的建筑施工信息被添加到3D模型中，以創(chuàng)建附加尺寸并實(shí)現(xiàn)可視化過(guò)程。4D BIM系統(tǒng)將時(shí)間維度與3D模型聯(lián)系起來(lái)，使得3D模型中的數(shù)據(jù)隨著工程進(jìn)度的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了施工進(jìn)度的實(shí)時(shí)可視化，是一種創(chuàng)新性的補(bǔ)充和解決方案，可以克服當(dāng)前設(shè)計(jì)規(guī)劃過(guò)程中的不足。

在給3D模型增加一個(gè)時(shí)間維度后，便可以將構(gòu)筑的3D模型與施工流程中的細(xì)節(jié)聯(lián)系起來(lái)。4D BIM的使用提供了對(duì)項(xiàng)目的更大的可控性，有助于避免前期規(guī)劃而導(dǎo)致的時(shí)間與成本問(wèn)題。4D BIM應(yīng)用程序可以涵蓋活動(dòng)和操作級(jí)別，包括臨時(shí)組件，例如：設(shè)備移動(dòng)，資源可用性和擁塞，操作問(wèn)題，以及施工現(xiàn)場(chǎng)的布局和動(dòng)態(tài)分析。傳統(tǒng)3D BIM和4D BIM特點(diǎn)的對(duì)比，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)3D BIM和4D BIM特點(diǎn)的對(duì)比

1.3 面向虛擬施工的4D BIM方案設(shè)計(jì)

如前所述，4D BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于將3D模型與施工流程相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩者間的信息耦合，進(jìn)而為虛擬施工服務(wù)。本文正是將從項(xiàng)目勘察到項(xiàng)目驗(yàn)收整個(gè)流程作為時(shí)間維度，加載于3D BIM之上，設(shè)計(jì)了面向虛擬施工的4D BIM方案，系統(tǒng)集成概念，如圖1所示。

圖1 基于4D BIM的集成系統(tǒng)概念

本方案較好地實(shí)現(xiàn)了以BIM模型為核心，時(shí)間軸為主線(xiàn)，將施工流程的各個(gè)部分有機(jī)串聯(lián)，流程間數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的核心功能。使用者在對(duì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置進(jìn)行初始化后，需要將BIM建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入至數(shù)據(jù)庫(kù)中，再將不同坐標(biāo)系統(tǒng)一并導(dǎo)入設(shè)計(jì)坐標(biāo)。上述準(zhǔn)備工作完成后，系統(tǒng)將會(huì)把BIM數(shù)據(jù)發(fā)送至施工設(shè)備，驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化施工并反饋施工結(jié)果，在此過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)輸出電子報(bào)表，進(jìn)行成果檢核。施工流程設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 施工流程

以上，實(shí)現(xiàn)了虛擬施工到實(shí)際施工之間的信息反饋。實(shí)現(xiàn)了在3D模型上添加時(shí)間維度的4D理念，使得BIM信息得以進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的迭代更新。

2 系統(tǒng)實(shí)例研究

2.1 研究項(xiàng)目概述

筆者在參加滬蓉高鐵某特大鐵路橋項(xiàng)目中，基于Revit設(shè)計(jì)的BIM模型，運(yùn)用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套基于4D BIM的高鐵特大橋虛擬化施工系統(tǒng)，在工程實(shí)踐中取得了較好的效果。下面以系統(tǒng)中高鐵特大橋下部結(jié)構(gòu)虛擬化施工模塊的開(kāi)發(fā)為例說(shuō)明4D BIM施工方案的應(yīng)用。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

下部結(jié)構(gòu)是高鐵特大橋工程中最重要的部分，其施工質(zhì)量甚至可能決定整個(gè)高鐵項(xiàng)目的成敗，因此需要嚴(yán)謹(jǐn)縝密的前期準(zhǔn)備工作及完備的施工組織方案，本文提出的基于4D BIM虛擬施工方案為此提供了技術(shù)支持。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用VS2012平臺(tái)；BIM建模采用Revit軟件；空間數(shù)據(jù)管理組件采用AE10.2；放樣設(shè)備采用徠卡MS60。系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)，如圖4所示，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程共有4個(gè)階段，分別是項(xiàng)目勘察階段、項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段、項(xiàng)目施工階段、項(xiàng)目驗(yàn)收階段。具體描述如下。

2.3.1 項(xiàng)目勘察階段

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)以樁基實(shí)體為核心對(duì)象，與施工設(shè)備及屬性關(guān)聯(lián)，建立1∶N關(guān)系，系統(tǒng)擴(kuò)展實(shí)體-關(guān)系（EE-R）圖，如圖5所示，將每一個(gè)樁基實(shí)體作為一個(gè)施工的基本單元，將其基本數(shù)據(jù)整合至一個(gè)數(shù)據(jù)集合中。相對(duì)應(yīng)的，將每一個(gè)基本單元所對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)和施工設(shè)備建立1∶N對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了不同樁基實(shí)體在不同維度上的存儲(chǔ)與表達(dá)。在此基礎(chǔ)上，再將施工設(shè)備與動(dòng)態(tài)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行1∶N對(duì)應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)了施工數(shù)據(jù)的管理與迭代。

圖4 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

圖5 系統(tǒng)擴(kuò)展實(shí)體-關(guān)系

2.3.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段

本階段主要任務(wù)是施工數(shù)據(jù)導(dǎo)入及坐標(biāo)統(tǒng)一。在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，在以往施工流程中，3D模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)難以反饋到實(shí)際施工中的原因除了大部分BIM軟件數(shù)據(jù)適配性差之外，一個(gè)重要原因是施工方和設(shè)計(jì)方采用的坐標(biāo)系不統(tǒng)一，這使得在實(shí)際施工中3D BIM只能對(duì)施工流程提供有限的參考作用。為深入挖掘BIM技術(shù)潛力，在系統(tǒng)中為所有模型設(shè)置了統(tǒng)一的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計(jì)方和施工方以一套標(biāo)準(zhǔn)、一套流程完成工程項(xiàng)目。下面以坐標(biāo)信息的統(tǒng)一說(shuō)明系統(tǒng)的工作流程。

用戶(hù)需要將設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入至系統(tǒng)中，然后用戶(hù)需要將設(shè)計(jì)坐標(biāo)和施工坐標(biāo)導(dǎo)入至系統(tǒng)中，加載坐標(biāo)并導(dǎo)入成果。完成坐標(biāo)的導(dǎo)入后，系統(tǒng)可根據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)生成設(shè)計(jì)坐標(biāo)圖層并添加至2D視圖中，將其與模型坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

用戶(hù)可以使用空間變換對(duì)不同圖層進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。完成樁基圈定之后系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)號(hào)。完成2D場(chǎng)景中樁基的圈定之后選擇所需轉(zhuǎn)換坐標(biāo)圖層，即可進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。變換后各圖層坐標(biāo)屬性。

在以上工作完成后，用戶(hù)可根據(jù)所選項(xiàng)目和所輸入?yún)?shù)信息（項(xiàng)目參數(shù)、控制點(diǎn)、線(xiàn)路信息）將信息錄入原模型。實(shí)踐表明，各部分坐標(biāo)經(jīng)統(tǒng)一后均在誤差容限之內(nèi)，符合施工要求。

2.3.3 項(xiàng)目施工階段

項(xiàng)目施工階段的主要工作是將所有數(shù)據(jù)置于統(tǒng)一坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)的交互，下面以自動(dòng)放樣說(shuō)明具體工作流程。

（1）設(shè)備遠(yuǎn)程控制：將系統(tǒng)與全站儀通過(guò)硬件驅(qū)動(dòng)建立遠(yuǎn)程連接并進(jìn)行參數(shù)和設(shè)站等設(shè)置。

（2）自動(dòng)放樣：完成參數(shù)設(shè)置后用戶(hù)便可在系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬施工。在系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬放樣時(shí)，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊樁基上需要放樣的位置，即在3D場(chǎng)景視圖中選擇需要坐標(biāo)放樣的要素，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取鼠標(biāo)點(diǎn)擊所在位置的設(shè)計(jì)坐標(biāo)。

（3）自動(dòng)測(cè)量：鼠標(biāo)點(diǎn)擊樁基上某個(gè)位置獲取目標(biāo)坐標(biāo)，之后將全站儀調(diào)整到目標(biāo)區(qū)域，完成自動(dòng)測(cè)量。同一個(gè)位置可以最多點(diǎn)擊測(cè)量4次，最終目標(biāo)坐標(biāo)是根據(jù)多次測(cè)量的結(jié)果求平均值。

2.3.4 項(xiàng)目驗(yàn)收階段

誤差控制是施工中最重要的一環(huán)，對(duì)于高鐵特大橋這樣對(duì)于精度需求極高的項(xiàng)目更是如此。本系統(tǒng)提供了對(duì)比樁中心及承臺(tái)四角的模型坐標(biāo)和計(jì)算坐標(biāo)的功能，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算坐標(biāo)對(duì)比數(shù)據(jù)，并以Excel形式導(dǎo)出。在對(duì)比計(jì)算完成后，用戶(hù)便可根據(jù)需求導(dǎo)出成果以供參考與審核。導(dǎo)出控制點(diǎn)成果，如圖6所示。樁中心坐標(biāo)對(duì)比成果輸出如圖7所示。承臺(tái)坐標(biāo)對(duì)比成果輸出如圖8所示。成果顯示，虛擬施工成果完全符合工程限差。

3 結(jié)束語(yǔ)

面向虛擬施工的4D BIM技術(shù)使得施工部門(mén)具備了在時(shí)間維度上對(duì)工程建設(shè)進(jìn)行統(tǒng)籌驅(qū)動(dòng)的能力，突破了3D BIM只能在規(guī)劃階段作為參考工具這一傳統(tǒng)使用范疇，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)際建造過(guò)程中對(duì)建筑項(xiàng)目直接性的虛擬操控與干預(yù)。本文從BIM在施工流程內(nèi)具體應(yīng)用的角度出發(fā)，針對(duì)高鐵特大橋施工的技術(shù)特點(diǎn)，探討了以施工流程為時(shí)間軸，將BIM與施工信息耦合于同一坐標(biāo)系的機(jī)制，實(shí)踐證明，該機(jī)制在虛擬施工中切實(shí)可行。

圖6 控制點(diǎn)成果

圖7 樁中心坐標(biāo)對(duì)比導(dǎo)出成果

圖8 承臺(tái)坐標(biāo)對(duì)比導(dǎo)出成果

作為建造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，今后的工作主要在以下兩個(gè)方面展開(kāi)：

（1）提高以BIM為首的各項(xiàng)新興技術(shù)之間的數(shù)據(jù)通用程度，促進(jìn)傳統(tǒng)建造行業(yè)和以BIM為首的新興技術(shù)及學(xué)科的緊密協(xié)作，更大程度地實(shí)現(xiàn)“BIM+”；

（2）在保證工程的精確性、安全性前提下，更多地實(shí)現(xiàn)基于BIM+對(duì)施工流程的可視化及管理乃至完全虛擬化的操控，打造一個(gè)真正意義上的“智慧工地”。