基于BIM技術的建筑結構四維可視化施工模擬

周英博 吳 展 馮家旺 張少鵬

（中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

建筑工程施工是一個高度動態性和多專業協調的過程，在施工過程中產生了海量的技術、管理以及建造數據信息，這些信息數據具有多源異構的特點，使得數據信息的交流與關聯存在障礙[1,2]。傳統的建筑建造方式是基于平面圖紙的信息管理模式，運用的技術工具低效、靜態且單一，無法實現施工過程中多源異構數據的集成，更無法實現對建造過程的可視化操作，而BIM技術融合了計算機技術與空間虛擬圖形圖像技術，可以實現建造過程的直觀形象展示，多源數據的采集與集成，實現數據信息的交互探討性和信息動態性，并與圖形、符號、視頻和三維虛擬模型的載體形式進行表達，大大提升了現代建筑施工過程的信息化和智能化[3]。BIM 技術的四維可視化是在三維模型的基礎上集合了時間動態因素，比如施工進度計劃，將時間和空間數據相互整合，實現建筑施工的動態過程、進度控制和施工模擬以更為立體的方式進行表達。

1 工程概況

東城半島商住項目一期位于新密市溱水路北側，密州大道東側。總建筑面積為52081.92m2，其中地上面積36120.67m2，地下面積15961.25m2。項目主要功能用途為商業住宅，建筑主要為2 棟15 層民用住宅樓，2棟26層民用住宅樓，1棟小區大門，1棟商業用樓，具體如表1所示。

8#～11#采用剪力墻結構，其中8#樓基礎采用天然地基+筏板基礎，筏板厚700mm；9#樓基礎采用干作業鉆孔嵌巖灌注樁+筏板基礎，筏板厚850mm；10#和11#樓基礎采用干作業鉆孔嵌巖灌注樁+筏板基礎，筏板厚1150mm；G2#樓（大門）、G3#樓（商業）與地下車庫均為獨立基礎+抗水板基礎，結構形式為框架結構。施工內容包含施工圖紙范圍內的土建、安裝工程（管線以出外墻1.5m為界限）、總承包施工（入戶門、單元門、防火門、電梯、電梯前室精裝修、智能化、消防及市政管網工程等除外），合同工期720d。

2 建筑結構四維可視化BIM模型的建立

在本研究中采用了通用建筑BIM模型程序Revit軟件對建筑項目的各個實體進行模型創建，并有機整合形成三維建筑BIM模型[4]。對建筑模型的施工任務，采用Project 2020 軟件進行創建，針對每一項施工任務進行詳細劃分，并設定了開始和結束時間，形成足夠精度的施工進度計劃文件，并以“*.MPP”（*代表文件名）的格式存儲，如圖1所示。建筑結構的四維可視化施工模擬就是將建筑三維BIM 模型與施工進度計劃通過BIM軟件開放接口的形式進行整合和關聯，形成一個有機的四維可視化虛擬模型。構建的四維可視化模型的函數表達式可用公式（1）表示，建筑三維BIM模型中包含了實體空間幾何信息和物理屬性，比如門窗、樓梯、樓板和墻體的材質、長度、寬度和高度等，如圖2 所示，而模擬施工進度文件中的時間信息能夠有效地反映實體建筑的施工次序，因此，四維可視化模型在BIM模型環境中有著良好的演示和動畫功能[5]。

圖1 基于Project 2020軟件創建的施工進度文件

圖2 基于Revit軟件創建的建筑結構三維BIM模型

式中u為建筑結構的四維可視化模型實體映射；t為四維可視化模擬中的時間因素，與建筑結構施工進度有關；f為建筑結構的四維可視化模型函數；(x,y,z)為與實體模型相互對應的空間坐標；n為四維可視化模型中對應實體的數量。

3 基于建筑結構BIM 模型四維可視化施工模擬的碰撞檢測

BIM 技術的最大優勢就是可實現建筑全生命周期的數字化、可視化，利用可視化的功能可以預先瀏覽建筑物建成的效果，判斷建筑結構構件、配套管網和設備之間的空間關系，避免建筑施工過程中出現物理性的碰撞。碰撞檢測是BIM 技術中最為熱點的研究方向，建筑施工模擬階段最為直觀展現的功能，也是最容易產生工程價值的功能[6]。按照美國建筑行業研究員和斯坦福大學的研究表明，在建筑工程中由于傳統的建筑二維圖紙管理模式導致的無效工作（浪費）高達55%，這使得建筑施工圖紙完成后產生了大量的變更，而采用BIM 技術可以有效防止不必要的建設拆除，可消除45%以上的預算外變更，在BIM 技術的價值應用上，在施工圖完成后正式施工前，采用基于BIM技術的各種圖形化工具可以有效避免沖突，盡早發現構件碰撞問題，可降低10%以上的合同價格[7]。

在現實物理世界中，兩個具有空間物理屬性的物體并不能在同一個空間內進行重疊，而在虛擬世界中，由于采用理想化的數學模型，對物體的幾何意義和物理意義的定義具有明顯的數字化[8]。因此，在實際建筑工程施工中，為例避免兩個實體構件產生相交，對結構的碰撞定義為實體間的距離小于設定的公差。建筑結構四維可視化模型中的實體模型可以表示為一個隨時間變化的齊次坐標矩陣，用于分析建筑結構在空間上的位置、外形以及在時間上的占據情況，基于這個矩陣可以支持結構的碰撞檢測，見公式（2）。

式中m為建筑結構四維可視化施工模型中考慮了時間因素的階躍函數，屬于一個4×4階的函數。

結合公式（1）定義兩個不同的建筑結構實體A 和實體B，見公式（3）。

因此，判斷建筑結構實體A和實體B之間是否存在沖突，即可判別兩者是否存在一致的時間點和空間位置，判斷準則見公式（4）。

在本項目中，對建立的BIM模型進行碰撞檢測，如圖3所示，重點考察建筑管網之間的專業沖突以及排布上的空間邏輯關系。根據BIM模型提供的碰撞檢測報告，從而將一些看上去沒問題，而實際上卻存在的深層次問題暴露出來，針對目標問題對模型進行進一步修正，并按方案要求優化設計變更，有效地避免了施工中的返工、停工等情況發生，降低了設計變更，保障了工程進度按時完成。針對復雜連接結點，可以利用BIM分析大型鋼筋和墻體之間的連接結點及各個結點之間鋼筋的排布規律，如圖4 所示，可以有效減少鋼筋和墻體結構之間的相互碰撞，降低現場的返工率。

圖3 基于四維可視化模型的管線碰撞檢查

圖4 基于四維可視化模型的復雜連接節點

4 基于建筑結構BIM 模型四維可視化施工模擬的進度控制

BIM技術可以對施工現場總平面圖布置、施工電梯運力分析、塔吊運力分析、多專業協調、技術交底等方面進行四維動態實時模擬，通過一種直觀的方式使所有工程人員深入地了解現場情況。通過BIM技術實現四維虛擬施工動態模擬，在BIM模型的可視化環境下，將實體模型的空間物理屬性和施工工序的時間特征數據進行融合，能夠更為直觀地觀測施工節點的進度，模型動畫也可以反映各結構構件的施工工藝流程，同時也可以實現人機交互，對施工任務進行調整，達到控制關鍵施工節點的目的，有利于協調各個參建方的人員與資源配置。

圖5 為項目基于BIM 技術四維可視化施工模型的進度計劃分析結果。圖中A線為最早開工時間曲線，B線為最晚開工時間曲線，C線為基于BIM技術四維可視化施工模擬的進度計劃控制曲線，項目的總工期為720d。從圖中可以看出，C 線整體上呈現標準的“S形”，初期施工進度速率較慢，中期施工進度速率迅速，而后期則處于收尾階段，施工進度速率總體放緩。在380d 之內，項目的計劃完成工作量均位于A 線和B 線之間，表明實際的工期進度能夠滿足計劃的工期進度要求，而在380d～720d，C 線位于B 線之外，表明累計的完成工作量大于計劃的完成工作量，施工進度超前。基于BIM技術四維可視化施工模型的進度計劃可以有效地提高項目的周期，為實際的工程施工提供充裕的工期保障。

圖5 基于BIM技術四維可視化施工模型的進度計劃分析

5 結語

以新密市東城半島商住項目一期為例，采用Revit軟件建立建筑結構三維BIM 模型，運用Project 2020 軟件創建施工進度文件，通過BIM 軟件開放接口將兩者進行集成，用于實現建筑施工過程中的碰撞檢測以及施工進度優化，得到以下結論：

（1）BIM技術融合了計算機技術與空間虛擬圖形圖像技術，可以實現建造過程的直觀形象展示，多源數據的采集與集成，實現數據信息的交互探討性和信息動態性，并以圖形、符號、視頻和三維虛擬模型的載體形式進行表達，大大提升了現代建筑施工過程的信息化和智能化。

（2）建筑結構四維可視化模型中的實體模型碰撞檢測準則，如公式（2）～公式（4）所示，基于BIM 技術各種圖形化工具可以有效避免沖突，也可以實現復雜連接結點的鋼筋排布，有效避免了施工中的返工、停工等情況發生。

（3）結合本項目的四維可視化施工模擬表明，在380d 之內，項目實際的工期進度能夠滿足計劃的工期進度要求，而在380d～720d，施工進度超前。基于BIM技術四維可視化施工模型的進度計劃可以有效地提高項目的周期，為實際的工程施工提供充裕的工期保障。