基于BIM的水利工程4D进度监控系统关键技术

陶玉波　蔺志刚　董甲甲

摘要：为了实现水利工程建设进度计划的优化和实际进度的实时感知与控制，采用基于BIM的4D进度监控系统可以有效解决施工过程中的“信息孤岛”现象，给施工管理提供新的视角。该系统将采集到的BIM信息放入网络数据库，并通过人机交互即点即显的方式展示出来;利用数据库中的计划进度和现场采集到的实际进度驱动数字化模型，用不同的颜色表示计划进度和实际进度，实现进度偏差的对比，通过异常记录分析和仿真计算，采取赶工措施，确保进度目标的实现。

关键词：4D进度监控系统;虚拟建造;进度采集;进度优化;水利工程施工

中图分类号：TV512;TU17

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.028

1 4D BIM进度监控技术发展

通过使用新的技术以及与新兴技术配套的生产流程，航空航天、汽车、电子等制造业在过去几十年中不断提升自己的生产效率，到现在已经有了质的飞跃，这也迫使建筑行业向其他行业学习新的技术和方法来提升生产效率和质量[1]。

随着BIM（建筑信息模型）、物联网、云计算、互联网+等技术的应用，项目管理理论和技术有了新的发展支撑。在现有施工管理理论的基础上，结合智慧施工的理念，充分融合BIM和4D技术，有效解决施工过程中的“信息孤岛”现象，实现对施工进度计划的优化和施工实际进度的实时感知与控制，从而能够及时发现进度偏差并给予合理、可信的纠正，弥补现有进度管理系统数字化程度不高、信息流转不充分、更新周期长、无法可视化等缺陷，达到对建设项目进度管理优化和促进的目的[2]。

4D BIM概念源于建筑产品模型和施工过程模型的整合，将时间（进度）维度插入到3D建筑信息模型上，形成4D模型[3]。该模型不仅包含3D模型的构件参数，而且关联着详细的工程进度数据。运用4D BIM模型不仅可以模拟产品建造过程，而且具备过程分析功能，各参建单位之间可以进行无损信息传递。通过实时跟踪监控，可以显著提高工程进度管理的效率与效果，提升企业管理水平。

研究如何在三维模型基础上关联时间维度实现4D模拟是国外BIM技术在进度管理应用的重要方向。美国斯坦福大学整合设施工程中心（ CIFE）于1996年率先提出4D理论。在长期不懈努力下，CIFE成功关联了3D模型及工程进度信息，使建造过程的可视化成为可能[4]。

我国对于4D模型和相关软件的研究工作始于20世纪90年代，清华大学张建平着手建造过程动态模拟、工程进度控制和现场规划三维可视化模拟。2004年，我国“十五”重点科技攻关项目将4D建模及应用研究列为专题，4D建模研究成果在国家体育场项目中得到示范应用，4D

项目管理的研究和推广由此取得重大突破[5]。

2 基于達索系统的4D BIM技术方法研究

达索系统（ Dassault Systemes）是一家法国的软件公司，致力于3D体验、为企业和人们的可持续创新提供一个虚拟世界，是世界领先的3D设计软件、3D数字化实体模型和产品生命周期管理（ PLM）解决方案供应商。达索系统有一系列的设计展示分析软件，主要以CATIA和Solidworks Composer为基础，配合两个软件的二次开发及网络数据库技术进行开发。

系统开发平台为Visual Studio.Net 2013，采用面向对象程序设计（ Object Oriented Programming，OOP）方法，采用组件对象模型（ COM）、对象连接与嵌入（ OLE）等技术，利用CAⅡA和Solidworks Composer开放的应用程序编程接口（ Application Programming In-terface，API），对两者已有的功能进行扩展，更好地服务于项目需求，定制专有交互式菜单，数据库采用Mi-crosoft Sql Server2008。技术路线及系统架构见图1、图2。

2.1 4D模型要求

以CATIA软件为载体，创建设计模型，将项目按照整体工程、单位工程、分部分项工程、施工段、工序依次分解，按一定的进尺划分为进度模型，工作分解结构宜达到可支持制订进度计划的详细程度，并包括任务间的关联关系。这是4D进度监控系统的第一步，也是最基础的工作。划分进度模型采用自主二次开发的CATIA插件对CATIA模型进行快速划分.见图3。

该工具二次开发思路如下：

（1）在CATIA中建立支洞轴线。

（2）按分段间距建立轴线上的点，根据点建立分割平面。主要用到下列语句：

PointOnCurve（i）=oHSF. AddNewPointOnCurve-FromDistance（Curve，h*i，False）

SplitPlane （i） = oHSF. AddNewPlaneNormal（ Curve， PointOnCurve（i））

其中：h表示系列点间距;Curve表示系列点所在的曲线;PointOnCurve（i）表示曲线上定义间距为hl的系列点：AddNewPointOnCurveFromDistance表示CATIA建立曲线上点的方法;SplitPlane（i）表示分割平面;AddNewPlaneNormal表示CATIA曲线的法线平面建立的方法。

（3）用步骤（2）建立的平面对三维模型（隧洞、斜井等）进行分段。主要语句为：

HybridShapeSplit（i）= oHSF. AddNewHybridSplit（ OElement， SplitPlane（i）， dir）

其中：HybridShapeSplit（i）表示分段后的三维模型;AddNewHybridSplit表示CATIA分段的方法;OEle-ment表示需要分段的模型;dir表示分段的方向，保留左侧或者右侧。

2.2 数据库建设

将CATIA 4D模型导人Solidworks Composer，Solidworks Composer作为达索系统的主要展示平台，优点在于当产品发生变化时不必重新创建，可大大节约时间和节省返工成本，而且它能通过3D动画和创建交互产品文档更好地传达产品信息。4D BIM系统开发的主要工作是对Solidworks Composer插件和数据库进行二次开发，利用数据库驱动Solidworks Composer模型，其使用了Windows OLE技术、直观式设计，包括隐藏、显示、修改颜色、创建剖切面、交互操作等所有的可视化方法、属性或过程。

数据库采用Microsoft Sql Server2008，以4D模型名称作为主键建立数据库，其他字段包括每一段4D模型名称對应的工作面、计划开挖时间、实际开挖时间、计划衬砌时间、实际衬砌时间、桩号、工程量、基准桩号、开挖或衬砌方向等BIM信息。

2.3 实际进度监控技术

在录入进度时，首先选择施工部位，然后选择施工方向，填写开始和结束日期，日期将平均分配到4D模型中。如图4所示，例如从桩号K1+ 110到K1+ 180，施工方向为从小桩号到大桩号，开挖起止日期为2016-08-10和2016-08-23.系统将这一时间段平均分配到K1+1lO-K1+ 180之间的模型，然后更改这些模型的颜色，从而实现实际进度的输入。主要关键技术如下。

（1）在数据库中选择符合桩号的模型，根据输入的桩号选择模型名称，用sql中的select语句即可得到模型名称。

（2）将符合条件的模型赋予已开挖的颜色。

模型在程序上以字符串的形式出现，如：”

2.5 计划进度修改

计划进度修改模块主要是在数据库中修改4D模型名称对应的计划开挖时间或计划衬砌时间。以某竖井的开挖为例，假设其对应的4D模型名称为竖井一分段1、竖井一分段2、竖井一分段3、……、竖井一分段80，共80段，最新的进度计划为2017 -07 - 01-2017 - 12 -01，利用sql中的update语句将该段日期平均分配到这80段模型中，即可完成计划进度的修改。

3 工程应用

兰州市水源地工程将刘家峡水库作为引水水源地，向兰州市供水。工程包括取水口、输水隧洞主洞、分水井、芦家坪输水支线、彭家坪输水支线及其调流调压站、芦家坪水厂和彭家坪水厂等。由于要解决迫切的民生问题，建设工期异常紧迫，设计常规工期为40个月，而实际要求工期为17个月，因此要求除了使用常规手段如增加工作面、改进施工工艺等外，还要使用先进的、信息化的管理手段实现进度目标。4D BIM进度监控系统在兰州水源地工程进行了实际应用。系统主界面见图5。该系统主要功能如下。

（1）计划进度变更模块。只需要输入或更改各工作面工艺的起止时间和工作面长度即可对计划进度或设计进行修改，修改完成后程序自动更新与计划进度有关内容，包括虚拟建造、进度偏差等，见图6。

（2）实际进度及异常记录上传模块。该模块主要功能是上传每天各工作面的实际进尺及施工异常情况，在模型上点击某建筑物，可查看该建筑物所有历史异常记录，对后期的施工及工期目标的实现起到一定的指导作用，见图7。

（3）整体滞后情况/进度模拟。如图8所示，点击“开挖滞后面貌展示”或“衬砌滞后面貌展示”，可在模型区查看开挖或衬砌滞后情况，开挖衬砌和开挖衬砌滞后分别用不同颜色表示。除了在模型区用三维模型表示滞后情况外，还可以用柱状图表示，如图9所示，纵坐标值表示该工作面完成的百分比，每一柱体上的值代表该工作面已完成的开挖或衬砌方量。“进度模拟”即虚拟建造，可将模型按照计划进度进行模拟，从而实现施工中的事前控制和动态管理。

（4）快捷菜单功能。点击模型中任何工程部位都能弹出图10所示快捷菜单，可查询该建筑物的进度信息、质量信息、安全信息、综合状态指数、现场视频和滞后工作面列表。

4 结语

基于BIM的4D进度监控系统融合了BIM信息、进度信息、进度监控等模块，且采用个性化人机交互式，在兰州市水源地建设工程得到成功应用。4D进度监控系统实现了所有信息的可追溯性，保证实际进度信息录入的及时性和准确性，加强了对现场施工过程的动态控制，实现了进度的可视化管理，为工程节约了时间成本。

（1）明确进度节点目标，层层分解落实。在4D进度监控系统中，对年度进度控制目标进行分解，分解到各个单位工程、分部工程及各节点目标，同时将各节点目标分解到各班组作业队。建立以项目经理为责任主体，由项目生产副经理、现场施工技术人员、合同计划人员、班组长参加的项目进度控制体系。年、季、月、旬、周施工进度计划逐级落实，最终通过施工任务书由班组作业队实施。

（2）进度比较分析与纠偏，形成进度检查报告。根据4D进度监控系统的实际进度，与监理单位批准的年、季、月、周施工进度计划进行比较，及时跟踪计划和分析计划。主要检查实际完成和累计完成工程量、进度偏差情况、影响进度的特殊原因及分析，跟踪计划的实施，当发现进度计划执行受到干扰时，及时采取调度措施。

（3）BIM信息融人系统，更好控制工程质量和安全。系统中除了进度信息外，还包括质量信息和安全信息。质量信息是所有工作面的单元工程质量评定表及优良率和合格率，安全信息是该工作面分包商的安全度和安全保障能力，项目决策人员可以直观地查看所有工作面的质量信息和安全信息，更好地把控全局。

项目需求的不同.4D进度监控系统的个性化要求往往不同，但是其原理都是围绕着工程技术、计算机技术、互联网技术、数字化技术等展开的不同学科的交叉研究。除了实现上述功能外，还可以实现施工资源动态管理、成本实时监控等，给项目提供智能决策支持，尤其是在物联网日益发达的今天，基于BIM的4D进度监控系统将会在工程项目管理中提供新的管理手段和方法，为工程带来巨大的经济效益。

参考文献：

[1] BRIAN G K.JVDC Use in 2007： Significant Use， DramaticCrowth，and Apparent Business Opportunity[ EB/OL]. http：∥cife. stanford. edu./online. publications/WP103. pdf， 2009 -04-10.

[2] 尹朝接，基于新兴信息技术的智慧施工进度管理研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014：2-3.

[3] 张建平，胡振中，基于4D技术的施工期建筑结构安全分析研究[J].工程力学，2008（增刊2）：204 - 212.

[4]KATHLEEN McKinney Liston， MARTIN A Fischer. Cenera-ting， Evaluating and Visualizing Construction Schedules with4D-CAD Tools[J].Automation in Construction， 1998（6）：433-447.

[5] 张苏，基于改进的4D模型的可视化施工管理系统[J].计算机与数字工程，2009（4）：98-101.