BIM技术在4D施工进度模拟的应用探讨

王 婷， 池文婷

(南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063)

BIM技术在4D施工进度模拟的应用探讨

王 婷， 池文婷

(南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063)

随着建筑施工动态管理日趋复杂，传统的进度管理方式已无法适应现代化建设的需要，基于BIM的施工进度模拟应运而生。4D施工进度模拟以BIM技术为工具，以某公共建筑为工程背景，利用Navisworks软件关联由Revit建立的建筑、结构以及机电设备的BIM模型和施工进度计划Project文件，动态演示整体和局部的施工过程以及施工场地布置情况。一方面可以直观地展示整个施工过程，实现施工过程的可视化管理。另一方面，有效实现了4D进度模拟与 Project文件中的数据对接，为工程管理者管理大型建设项目提供了新途径和方法。

建筑信息模型技术；3D模型；4D施工进度模拟；施工管理

在建设工程项目管理中，其施工进度管理一直是难点，因其受到内在因素诸如施工技术、施工工艺、人工、材料和机械等资源调配情况以及外在的因素如天气、管理水平和人员素质等的影响，使得建设工程经常出现工期拖延现象。传统的施工进度管理方法主要是通过网络图、横道图、直方图等方式来对建设项目的进度进行管理，而项目管理者在编制这些进度计划时大部分是依靠多年积累的项目经验来完成，其精确程度不言而喻，且无法清晰描述施工进度以及各种复杂关系，所以在实际施工过程中，进度拖延现象也实为普遍。

1 基于BIM的4D进度模拟

4D技术将进度相关的时间信息(如Project文件)和动态3D模型链接产生4D的施工进度模拟，即是用计算机软件建立3D模型并借助各种可视化的设备对项目进行虚拟描述，附加时间维度，通过WBS关联施工进度计划，将施工过程的每一个工作以可视化形象的建筑构件虚拟建造过程来显示[1]。

1996年，美国斯坦福大学的工程中心(Center for Integrated Facility Engineering，CIFE)最先提出了4D理论[2-4]，十几年来，在建筑施工进度中，实现了三维可视化动态管理以及施工现场场地布置的动态管理。并且随着建筑信息模型(building informationModeling，BIM)的发展，其运用正在向5D甚至6D的技术方向延伸[5]，面向建筑的全寿命周期。

在我国 BIM的应用价值已经得到政府的高度关注和行业的普遍认可。“基于BIM技术的下一代建筑工程应用软件研究”课题被列为“十一五”国家科技支撑计划重点项目，其目的在于进一步研究施工优化管理理论以及4D施工管理方法[6]。“十二五”期间，力度明显加大，《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》的总体目标明确提出，“十二五”期间，加快BIM、基于网络的协同工作等新技术在工程项目中的应用。以张建平教授为首的清华大学研究团队，多年来在三维可视化的建筑虚拟施工和场地布置以及动态管理方面取得了显著的研究成果。其开发的“基于BIM的4D虚拟施工及动态管理系统”和“基于BIM的4D建筑施工优化系统”在多个大型工程应用示范成功，如青海湾大桥中。BIM已经在业内一些项目上不同程度和不同项目阶段得到了成功运用[7]。

为探讨BIM技术在4D施工进度模拟的价值，本文以 BIM技术为工具，以某公共建筑为工程背景，利用Navisworks软件将由Revit软件建立的建筑、结构及机电设备的 BIM模型和施工进度计划Project文件(.mpp格式)动态演示整体和局部的施工过程以及施工场地布置情况，运用Navisworks软件建立相应的4D进度模拟模型。研究建筑施工进度模拟模型及其价值，深化其运用。与传统施工进度管理方法相比基于BIM的4D施工进度模拟具有以下特点：

(1)4D进度模拟能够直观地展示整个施工过程，从而为项目管理者提供三维可视化的平台，使施工过程可视管理化成为可能。

(2) 实现了3D参数化模型与Project文件中数据的完全对接，从而保证了施工现场管理与施工进度在时间和空间上协调一致，有效地帮助项目管理者合理安排施工进度和施工场地布置，并且根据进度要求优化分配人、材、机等各种资源。

(3)4D进度模拟不但可以模拟整个项目的施工过程，还可以对复杂技术方案的施工过程和进度进行模拟，实现施工方案可视化交底，避免了由于语言文字和二维图纸交底引起的理解分歧和信息错漏等问题。

(4) 通过这项技术的使用，提高了建筑信息的交流层次并且使参与各方沟通方便，降低了建设项目由于信息过载或信息流失所产生的影响，提升了建筑施工管理者的工作效率和管理能力，为大型建设项目的管理开创新途径和新方法提供了有力的支持[7]。

2 项目概况与总体研究思路

项目概况和总体研究思路见表1和图1。

表1 项目概况

图1 本文总体研究思路

3 3D参数化模型的创建

3.1 基于BIM平台的建模给建设项目带来的价值

3.1.1 可视化

BIM 模型可以从任意位置和任意角度查看模型，从模型中点选构件，模型不仅可以提供图元的尺寸、材质等参数属性，还可以查看该图元的设备型号和有关技术指标等场地属性[8]。

3.1.2 协调性

整个三维建筑模型是一个集成的数字化数据库。模型中构件所有的实体和功能特征都参数化并以数字形式储存在数据库中。存在于数据库与视图和视图与视图间的双向关联性，使所有的图形和非图形数据都能够轻松协调。比如修改项目中的三维图形，其平、立、剖视图和明细表统计也会同步修改。

3.1.3 模拟性

通过显示、隐藏或设置不同颜色等方法，由BIM软件建立的3D场地实体模型不仅能够对建筑项目整体和节点施工工艺进行直观演示，而且能够结合一系列辅助设计工具进行各施工阶段的场地布置。

3.1.4 参数化

基于BIM的3D模型还具有参数化修改功能。即构件的移动、删除和尺寸的修改所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联的变化，在任意视图下所产生的变更都能参数化地、双向地传播到所有视图。并且模型的参数化修改不受时间顺序和空间顺序的限制，这对于后期的优化修改工作具有重要的意义。

3.2 参数化建模思路及主要步骤

3.2.1 建模思路

基于BIM的参数化建模，本文使用Autodesk Revit Architecture和Autodesk RevitMEP两个软件对本项目建筑、结构、机电以及场地设施等进行参数化模型创建，包括3个步骤即前期准备工作、建模过程以及后期文件处理(见图2)。

图3 Revit建筑与结构整合模型

图2 基于BIM的参数化建模思路

3.2.2 结构模型

结构一般包括梁、板、柱、剪力墙以及其他砼结构，结构建模主要是按照先桩基础、基础梁、柱、梁、板的顺序进行建模，建模过程构件命名需规范。

3.2.3 建筑建模

建筑建模主要是指墙体建模、窗的放置和楼梯创建等，各构件命名及编号规范是建模的关键。比如对墙体分为剪力墙、外墙、内墙以及幕墙等。建筑与结构模型整合完成后如图3所示。

3.2.4 机电建模

图4 Revit机电整合模型

MEP(mechanical，electrical and plumbing)设备分别由暖通系统、给排水系统以及电气系统组成。机电建模的先后顺序为暖通的风管(送风、回风、排风、新风)，强电和弱电电缆桥架，给排水，消防管，喷淋管。图4为全部的机电模型以及从内部观察处理后的模型。

4 进度计划的编制

本文中4D进度模拟是通过将“.mpp”格式的进度计划文件与参数化3D模型链接来实现。其关键在于进度任务和进度安排必须划分足够详细。例如前期的平整场地、设备进场、材料进场和搭设脚手架等活动需要详细划分。同时，编制合理的次序和进度计划，需要充分考虑空间、时间等各方面的因素。本项目使用Project 2007项目管理软件，创建工程的任务，并设定好各工作任务之间的关系，制定甘特图保存为“.mpp”格式文件，如图5所示。进度任务安排和3D施工模型的构件对象相对应，运用BIM工具将细分的活动在4D进度模拟中展示出来，实现任务、甘特图和三维模型完全对接，整个进度计划就是4D模拟需要展示的全部内容。

图5 project环境下项目进度任务文件

5 基于BIM的4D进度模拟分析

5.1 运用BIM软件实现施工进度模拟

4D模拟是在制定的进度计划文件和 3D BIM模型之间建立连接，并依据时间信息给定合理的装配次序使其在可视化环境中演示出来的过程。

目前，Navisworks软件在BIM施工方面应用非常广泛，运用该软件能够进行三维模型实时漫游，无需CAD和昂贵硬件支持，快速进行碰撞检查，避免重大失误，集成不同格式的设计模型，附加时间维度进行4D动态进度模拟。其突出的特点是具有百余种不同格式接口，制定的进度计划文件和3D BIM模型可以通过这些接口实现连接，而且还提供二次开发的功能，所以该平台可以很好地用于创建4D进度模拟。

5.2 4D进度模拟过程

将建筑、结构以及MEP的所有各专业的.rvt格式文件分层并全部转化为DWF/DWFX文件，并用 Navisworks软件打开并整合。同时“timeliner”命令是“.mpp”文件的接口，通过该接口将进度任务Project文件链接后，设置“规则”为“使用相同名称小写将 TimeLine任务从列名称对应到选择集。”这样就能实现任务、甘特图和三维模型完全对接如图6所示。

为了达到更好的效果，可以为构件的出现添加动画，设置任务类型以及播放时间等。至此，4D进度模拟就创建完成，过程包括：

(1) 创建完成的4D进度模拟，以天、周、月为时间单位，而且可以按照不同的时间间隔对施工的进度进行正序的模拟或者是逆序的模拟，形象地反映整个施工的进度。

(2) 播放的同时右上角显示出日期和当天完成的和未完成的工程量，方便随时查看。

(3) 系统会在更改施工时间和当前状态后对进度数据库进行实时更新，并调整Microsoft Project进度计划。

(4) 三维模型上的不同颜色代表不同工序，在建的部位表现为绿色，建完绿色消失表现为真实的颜色(如图7所示)。

图6 project文件与Navisworks数据有效对接

图7 Navisworks环境下施工进度模拟界面图

5.3 运用BIM软件实现技术方案模拟

一些复杂的技术方案在二维图纸中很难表现出来，语言文字说明也容易造成信息传递错误，导致技术领导向施工参与方进行技术交底时出现信息错漏或者不明确的现象。本工程运用施工方案模拟对一些技术型措施实现了可视化技术交底，比如预埋件的施工，塔吊的安装工序和安全操作技术以及吊装材料设备的合理定位等问题，从而提高了管理者的工作效率，降低成本，在整个施工过程中产生了巨大效益。

(1) 塔吊的4D进度方案模拟跟上述工程的施工进度模拟实施方法一致。图8为塔吊的安装及运行过程，根据工程的实况，编制出合理、有效的塔吊施工安装进度任务和安全施工方案，并且根据工程进度合理安排塔吊的作业时间。在软件中详细地展示了塔吊的安装工序及其进度安排，保证准确无误的技术交底且确保施工人员安全、高质量地进行施工。

(2) 通过塔吊的模拟旋转，考虑塔吊的安装与拆除是否有足够的空间，安装后是否覆盖或基本覆盖整个建筑物，是否布置在材料运输方便的通道旁，是否避开障碍物等因素，可以确定塔吊的回转半径及其准确定位。

(3) 模拟建造过程塔吊的运行，合理分配材料的堆放位置，避免施工材料的二次搬运。特别是建筑结构完工后进行大型设备的吊装，如果吊装位置没有找对，后期要搬运至室内进行安装，可能会存在无法避免的障碍物而导致返工。本工程中事先对大型设备的吊装进行了模拟，确定好了起吊位置和放置位置，使整个过程顺利进行。

图8 塔吊安装及运行过程模拟

5.4 作用分析

通过上述4D模拟分析，可以获得：

(1) Project进度任务数据的完全对接，即时间与模型量的对接，形象直观地体现了整个进度任务的安排，方便查找以及管理。

(2) 实现了场地、材料和设备的合理安排，如脚手架的搭设、塔吊的位置安排等，整个施工过程更加顺畅(如图9所示)。

(3) 随时对施工进度任务安排进行优化调整以达到最优方案，从而保证了施工现场管理与施工进度在时间和空间上协调一致。

(4) 方便参与各方的沟通，降低建设项目由于信息过载或者信息流失所产生的影响。

由此，获得4D进度模拟在整个工程项目全寿命周期中的作用：

图9 Navisworks 环境下施工场地布置图

(1) 施工组织设计的优化：4D进度模拟提供3D可视化平台，让项目相关人员都能够更加轻松地预见到施工建设的进度计划，并且可随时对施工进度任务安排进行优化调整以达到最优方案，有利于在建设前对施工组织设计进行优化。

(2) 提高投标过程的竞争力：在项目评标阶段，专家可以从投标单位提供的4D模拟中迅速了解工程中使用的主要施工技术，初步判断施工组织安排是否合理，并做出初步评估，逼真的三维效果更具竞争力，提高项目中标几率。

(3) 复杂节点安装模拟：在施工过程中，尤其是复杂项目，往往存在图纸复杂部位表达不清，施工交底不清楚的问题，这样就可以通过4D虚拟模型的创建，能够看清楚复杂节点的三维布置。装置操作人员在岗位培训时可以更加直观、方便、快捷地了解掌握装置的工艺流程、设备的属性，使操作员岗位培训的效率得到提高。

(4) 施工现场管理：所有的临时建筑、拟建建筑、构筑物、安全防火装置、水电管线、垂直运输机械和道路等都属于施工现场布置的内容[8]。场地布置与施工进度相对应，使整个施工过程更加顺畅，能够有效避免因材料在施工场地的远距离运输等耽误施工进度的情况，同时也可以降低因材料堆放和机械设备等搭设不合理造成的施工安全事故。

此外，运用4D进度模拟，通过进度模拟中的安装工作时间，进行时间倒排，可以获知备料、生产、运输等各个环节的时间节点安排，及时制定采购计划、生产运输计划，做到对材料用量的对比分析，对于整个工作起到很好的作用。

(5) 为设施维护提供依据：4D可视化进度模拟为生产操作人员提供了现场环境的空间真实感受，为运营方提供设施维护依据以及宣传展示、人员培训等作用。对于设备的维护，特别是隐蔽设备管道等的维护修理，运用4D可视化模拟可以为操作人员提供安装流程依据，更加安全、方便地对设备进行维护。

6 结 束 语

从项目管理的角度来看，从3D到4D再到nD (n dimensions)的集成管理是未来4D可视化项目管理发展的核心。对于基于BIM的4D技术的研究，有较高的价值，能解决工程施工与管理的很多问题，对建筑业的发展有重要意义。项目管理要更加重视以往类似工程项目的实践经验以及工程数据，并与新项目的进度计划、费用控制、资源优化相结合实现全面的项目管理，而不仅仅是进度模拟。随着进一步的研究，本课题组将结合成本管控与资源优化并基于IFC标准使4D进度模拟在工程的实际应用中进一步扩展，并在工程项目中充分发挥其作用，实现现代化管理。

[1] Eastman C, Teicholz P,Sacks R. BIM Handbook：A guide to building informationModeling ownersManagers designers engineers and contractors [M]. New York: John Wiley andSons, 2008: 2-244.

[2] 张建平. 基于IFC的建筑工程4D施工管理系统的研究和应用[J]. 中国建设信息, 2010, (4): 52-57.

[3] Froese T, FischerM, Grobler F, et al. Industry foundation classes for projectManagement-a trialimplementation [J]. Electronic Journal of Information Technology in Construction, 1999, (4): 17-36.

[4] Kam C, FischerM, Hiinninen R, et al. The productModel and fourth dimension project [J].Special Issue IFC一ProductModels for the AEC Arena, 2003, (8): 137-166.

[5] 张建平. 基于BIM和4D技术的建筑施工优化及动态管理[J]. 中国建设信息, 2010, (2): 18-23.

[6] 张建平, 曹 铭, 张 洋. 基于IFC标准和工程信息模型的建筑施工4D管理系统[J]. 工程力学, 2005, 22(S): 220-227.

[7] 张建平, 张 洋, 吴大鹏. 建筑工程项目4D施工管理[J].项目管理技术, 2006, (1): 23-27.

[8] 张建平, 寒 冰, 李久林, 等. 建筑施工现场的4D可视化管理[J]. 施工技术, 2006, 35(10): 36-62.

Discussion on the Application of BIM Technology in the Field of4D ConstructionSchedule

Wang Ting, Chi Wenting
(College of Civil and Architecture, Nanchang Hangkong University, Nanchang Jiangxi 330063, China)

With the increasing complexity of dynamic constructionManagement, the traditionalScheduleManagementMethod cannotMeet the needs ofModernization. The paper is aimed at linking 3DModeling of a certain public building with the constructionSchedule withSoftware Project to realize4D constructionSimulation ofSite and facilities. TheSimulation resultsMay be in two ways: one is that construction process can be exhibitedStraightly and visually, the other is that the 3DModeling date is effectively associated withSoftware of Project file.MoreScientific, effective approaches to the improvement of the constructionManagement are provided. It is of great theoreticalSignificance and practical value for BIM-based technology in the field of constructionSimulation.

building informationModeling technology; 3DModel;4D constructionScheduleSimulation; constructionManagement

TU 17

A

2095-302X(2015)02-0306-06

2014-06-18；定稿日期：2014-08-17

江西省教育厅2013年度科学技术研究资助项目(DB201311178)

王 婷(1975–)，女，江西南昌人，高级工程师，博士。主要研究方向为BIM与项目管理。E-mail：1070180557@qq.com