基于BIM仿真模型的施工过程模拟研究——以科技图书馆建筑施工为例

刘一鸣，金必煌，刘沐洁

(安徽粮食工程职业学院,安徽 合肥 230011)

现代工程项目管理[1]是涉及到施工材料、技术、工艺、施工进度以及人力资源配置等多方面要素的复杂性系统工程。要想提升施工管理的效率必须要兼顾多方面的要素，这就对施工管理人员的能力提出了较高的要求。一直以来，施工管理主要依赖于管理人员的综合素质与经验，主要是以横道图、简单的施工模拟软件为工具，施工管理的科学性不高，管理随机性较强，难以实现施工质量与施工进度的均衡提升。BIM技术的发展则打通了不同软件之间的连接障碍，能够将仿真模型与施工进度管理软件连接起来，从而实现对施工过程的模拟。

1 相关研究综述

早在20世纪90年代中期学术界就已经开始研究施工过程模拟的相关技术，但是由于在当时计算机硬件配套相对落后，施工模拟软件也不够发达，最终只允许通过构建仿真模型的方式来对施工过程进行模拟，施工过程模拟也只能采用多环节的静态模拟来替代。随着BIM技术的快速发展与计算机技术的突破，施工过程模拟已经逐渐成为现实。所谓施工过程模拟是指在三维仿真模型的基础之上模拟工程项目的具体施工流程与进度[2]，从而满足工程项目管理的现实需求。具体而言主要是通过Revit等软件构建三维模型，并将WBS所制定的施工进度计划表连接到模型当中，赋予不同构建对应的时间维度。

现阶段国内在BIM技术研究方面也已经取得了许多重要突破，其中清华大学在BIM施工过程模拟方面一直走在前列，以陆新征教授为首的清华大学BIM研究团队开发了一款基于BIM技术的工程建筑全过程模拟与管理系统，并被应用于石首长江公路大桥项目建设当中[2]，取得了良好的经济效益。近年来，产业内部与政府部门对BIM技术的重视程度都在不断提升，BIM技术研发已在我国“十三五”规划当中，围绕着BIM技术的科研创新正处于全面开展当中。

为了进一步探索构建BIM施工过程模拟模型的可能性，在本文的研究当中以科技图书馆为例，采用revit软件构建了建筑结构模型，用Revit MEP构建了机电设备模型，并将两个模型融合起来，最后通过autodest navisworks软件将三维仿真模型与project文件联合起来构建了富含时间维度的施工模拟模型。与传统模型相比，该模型的优点主要集中体现在如下几个方面当中：(1)基于BIM技术的施工过程模型依然具备三维展示功能，同时允许不同专业在同一模型中就具体问题展开沟通与交流，减少现场返工。(2)施工过程模拟模型能够将施工现场与时间维度统一起来，能够将施工条件与进度直观地展示在管理者面前，有利于资源的优化配置，降低施工成本；(3)施工过程模拟模型还能被应用于施工交底、方案论证等环节之中。

本文通过BIM仿真模拟施工方案为优化传统施工组织流程和管理方案提供新的思路，通过案例分析，创建新的管理流程与施工过程管理，构建基于BIM的大型管理构架。

2 BIM三维建模分析

2.1 工程概况

以科技图书馆为研究对象，对工程施工全过程用BIM仿真施工技术全过程进行模拟，建筑共计7层，总高度为32.20 m，建筑面积为23 654 m2，占地总面积为3 568.9 m2，结构形式为框架结构，基础形式为PHC桩基础。

2.2 建模内容

BIM三维模型主要分为三个不同的组成部分：建筑模型、结构模型以及机电设备模型。建筑模型主要是指建筑的门窗、墙体以及装饰性材料等相关内容，结构模型则主要包含了建筑的主要结构构件，如梁、板、柱等承重性结构构件；机电设备模型主要是指水、电、暖等相关构件。建筑模型与结构模型建模的关键在于构件的编码与命名，在实际建模当中需要标准的编码序列对不同构件类别进行详细划分，从而确保建筑与结构模型的统一性。在本文的研究当中建筑模型与结构模型建立均采用revit软件，在完成建筑结构模型整合之后，则采用revit MEP软件读取模型中的内容，并在此基础之上进行设备模型建模，该公建建筑的建筑结构整合模型以及机电设备模型(见图1—2)。

图1 科技图书馆建筑与结构整合模型

图2 科技图书馆内部视角机电设备模型

3 编制施工进度计划

施工过程模拟的基本原理是在三维模型的基础之上增设时间维度，也就是需要将施工进度计划将三维模型连接起来。为了确保模拟的精准性，必须要确保施工进度计划与三维模型的匹配性。在该工程项目当中选择采用project 2011作为施工进度计划编制的基本软件，最终以横道图“·mpp”格式文件作为施工进度计划文件，该工程项目所编制的施工进度计划文件如图3所示。从图3中可以发现，该施工进度计划与三维模型中的具体构件能够做到一一对应，这就使得施工进度文件、三维模型以及具体施工任务之间能够实现逻辑上的统计，从而为施工过程模拟提供必要的条件。

图3 科技图书馆施工进度表

4 基于BIM技术的施工过程模拟分析

施工过程模拟的根本目标是提升施工管理的可视化程度，传统以二维平法施工图为基础的施工管理要求施工管理人员需要具备较强的空间思维与逻辑判断能力，但由于人的精力有限，在具体管理过程中必然会存在诸多漏洞。施工过程模拟以三维BIM模型为基础，在施工进度文件的对应下，能够将具体施工过程形象地展示在施工管理人员面前，能够从直观视觉上来表达施工管理内容，有效提升了管理的有效性。

由于revit软件只能进行三维结构建模，而无法进行动态演示。为此，在该工程项目当中施工过程模拟则采用了autodest navisworks软件，能够满足revit、revit MEP以及project软件的接入需求，并直接整合软件内容进行碰撞检查。为此，在该工程项目当中采用其为模拟基础软件。

4.1 全过程施工模拟

首先，需要将利用revit以及revit MEP软件所制作的建筑、结构、机电设备模型全部转存为·dwf文件，并在autodest navisworks按照规定次序打开文件，实现三维模型的重新整合。此外，还需要通过autodest navisworks的“timeliner”接口导入施工进度文件，在完成“·mpp”文件之后还需要将软件中的“规则”项`改为“任务从列名称对应到选择集”，从而完成模型与施工进度文件之间的完全统一。该工程项目在autodest navisworks完成数据对接的结果(见图4)。

图4 科技图书馆施工进度文件与autodest navisworks的数据

为了进一步提升施工过程模拟的效果，提升模拟的可视化性能，还可以就具体施工工序以及构件制作施工动画，具体而言主要可以从以下四个方面入手：(1)允许用户通过拉动工作条等方式来等间隔或按照不同的施工顺序来对具体施工过程进行探查，从而满足工程项目进度管理的需求；(2)在施工动画场景播放窗口同时显示当日日期以及当日剩余的任务量；(3)当施工管理者在施工模拟窗口对施工模型进行更改之后，修改的内容会同步反馈到模型当中，同时会自动通知其他专业人员施工管理者所作出的具体内容调整；(4)采用不同的颜色标识将施工的具体环节表达出来，例如，在autodest navisworks中绿色[3]表示正在施工的位置，图5所示表示正在进行出屋面位置施工。

图5 autodest navisworks施工环节模拟

4.2 复杂技术方案模拟

复杂技术方案模式是BIM施工过程模拟的一大重要应用热点，同时也是解决现阶段施工技术难点的一个重要工具[4]。长期以来，复杂技术方案在二维图纸中的表达存在严重欠缺，而语言表达则不够严谨，无法满足标准化施工管理的现实需求。在传统施工管理中只能采用技术交底、图纸会审的方式来解决这一问题。这种方法不仅耗时耗力，也难以彻底根治非标准化管理的问题。全过程施工模拟则为可视化交底提供了便捷的条件[5]。例如，在该工程项目当中，塔吊的按装存在着较大的难度，且由于一线安装人员经验不足，对具体安装过程的把握不足。为此，该工程采用了全过程施工模拟的方式对塔吊安装技术方案进行了模拟，从而提升了塔吊安装人员对具体操作流程[6]的认知，主要包含以下三个不同的方面：(1)采用了与主体结构全过程施工模拟相类似的方法对塔吊安装全过程进行了模拟，编制了具体的塔吊安装方案与作业安装时间流程，为塔吊施工人员提供了形象化的作业思路，具体如图6中所示；(2)通过模拟塔吊的旋转、拆除等对塔吊的安装[7]可行性进行了分析论证，从而确保塔吊在后期使用过程当中能够覆盖所有有需求的区域，并避开障碍物[8]；(3)将建筑结构三维模型与塔吊运行整合起来，避免建筑结构施工对大型设备吊装搬运造成影响。

图6 塔吊安装进度模拟

5 结 语

BIM技术的发展为施工过程模拟提供了有利条件，建立在BIM三维模型之上的BIM施工过程模拟技术不仅能为施工管理人员提供一个便捷的可视化施工管理窗口，同时也能在一定程度上为复杂施工方案模拟交底提供新的支撑。随着计算机技术的发展与BIM软件的日益丰富，BIM施工过程模拟技术也必将逐渐趋于完善，施工过程模拟技术也必然会逐渐趋于完善。