面向高铁特大桥虚拟化施工的4D BIM系统开发研究

余柏廷，杨 骏

（西南交通大学 地球科学与环境工程学院，成都 611756）

随着我国经济的飞速发展，高铁建设也呈现出极高的增长态势。与此同时，面对如高铁特大桥规模大、工时长、施工要求高的施工项目，传统施工行业施工规划仍然存在依靠大量人力、施工数据无法互相适配、施工流程无法实现自动化等问题。因此，实现高铁特大桥施工的虚拟化进而实现具有自动化、信息化建造流程的智慧工地（Smart Construction Site）已成为现代建造领域的研究热点。

虚拟施工（VC，Virtual Construction），是实际施工过程在计算机上的虚拟实现[1]。顾名思义是在一个假设的环境下，充分考虑各种变量对施工的影响后，对工程的预期与评估，有着便捷、直观、精确性高等诸多优势。作为建造行业信息化的主要手段之一，BIM技术也是虚拟化施工的关键技术，文献[2]论述了BIM在多学科、协同制造上的巨大作用；文献[3]建立了基于BIM技术的地下建筑信息模型，以获得施工线路周围的地下详尽信息，为前期的规划和后期的施工提供了极大的便利；文献[4]采用基于4D BIM的可互操作流程，优化了住宅建筑的设计和施工；文献[5]详细论述了4D BIM工具在建筑制造风险管理中的作用。

我国在建造行业应用BIM技术起步稍晚于发达国家，但近年来也取得了不俗的成果。文献[6]建立了4D BIM施工信息模型，实现了面向4D BIM的虚拟建造在工程管理的应用；文献[7]运用BIM技术实现了基于智能施工的精细化工程成本管控研究；文献[8]基于BENTLEY平台研究了桥梁快速智能建造方案；文献[9]将BIM与3D扫描技术结合，研究了BIM在风、水、电安装工程的作用与前景。

总体而言，国内实现虚拟施工的方法大多处在项目前期阶段基于AutoCAD及Unity3D建模进行的，而对4D BIM技术的运用，大部分只局限于工程人员物料管理方面，没有实现将从VC中得出的数据反馈到实际施工过程中，从而实现施工自动化的应用。作为新一代BIM技术，4D BIM将工程建筑物的三维信息模型与施工工期元素进行结合，即在三维模型基础上添加时间维度，构建四维模型，用可视化方式展示施工模拟过程与相关数据，有效地解决了上述问题。

1 面向虚拟施工的4D BIM技术

1.1 传统3D BIM技术的局限

传统3D BIM模型优点是可以通过计算机让设计、施工人员直观、确切地了解建筑物的形态、内部构造、所需用料等。这一优点使得BIM技术在过去10余年间为建筑和制造行业做出了卓越的贡献。

传统3D BIM技术仍然有着无法克服的缺陷与局限性：（1）目前，大部分BIM软件数据互通性、适配性差，导致3D BIM技术联合其它行业、其它学科发挥作用的能力十分有限；（2）传统3D BIM技术在实现展示，诸如施工建造的动态过程上有着其固有的局限性。4D BIM技术通过时间维度的引入，有效地解决了动态过程上的局限性。

1.2 4D BIM技术

根据Moslem Sheikhkhoshkar[10]等人所述，BIM技术为信息传递和数据集成配备了多个维度，能够在整个建筑领域与现有的实际施工流程进行转换、反馈。其中，附加的建筑施工信息被添加到3D模型中，以创建附加尺寸并实现可视化过程。4D BIM系统将时间维度与3D模型联系起来，使得3D模型中的数据随着工程进度的变化而变化，实现了施工进度的实时可视化，是一种创新性的补充和解决方案，可以克服当前设计规划过程中的不足。

在给3D模型增加一个时间维度后，便可以将构筑的3D模型与施工流程中的细节联系起来。4D BIM的使用提供了对项目的更大的可控性，有助于避免前期规划而导致的时间与成本问题。4D BIM应用程序可以涵盖活动和操作级别，包括临时组件，例如：设备移动，资源可用性和拥塞，操作问题，以及施工现场的布局和动态分析。传统3D BIM和4D BIM特点的对比，如表1所示。

表1 传统3D BIM和4D BIM特点的对比

1.3 面向虚拟施工的4D BIM方案设计

如前所述，4D BIM技术的优势在于将3D模型与施工流程相关联，实现两者间的信息耦合，进而为虚拟施工服务。本文正是将从项目勘察到项目验收整个流程作为时间维度，加载于3D BIM之上，设计了面向虚拟施工的4D BIM方案，系统集成概念，如图1所示。

图1 基于4D BIM的集成系统概念

本方案较好地实现了以BIM模型为核心，时间轴为主线，将施工流程的各个部分有机串联，流程间数据互联互通的核心功能。使用者在对系统和数据库设置进行初始化后，需要将BIM建模数据导入至数据库中，再将不同坐标系统一并导入设计坐标。上述准备工作完成后，系统将会把BIM数据发送至施工设备，驱动设备进行自动化施工并反馈施工结果，在此过程中，系统会输出电子报表，进行成果检核。施工流程设计，如图2所示。

图2 施工流程

以上，实现了虚拟施工到实际施工之间的信息反馈。实现了在3D模型上添加时间维度的4D理念，使得BIM信息得以进行快速实时的迭代更新。

2 系统实例研究

2.1 研究项目概述

笔者在参加沪蓉高铁某特大铁路桥项目中，基于Revit设计的BIM模型，运用C#语言开发了一套基于4D BIM的高铁特大桥虚拟化施工系统，在工程实践中取得了较好的效果。下面以系统中高铁特大桥下部结构虚拟化施工模块的开发为例说明4D BIM施工方案的应用。

2.2 系统功能设计

下部结构是高铁特大桥工程中最重要的部分，其施工质量甚至可能决定整个高铁项目的成败，因此需要严谨缜密的前期准备工作及完备的施工组织方案，本文提出的基于4D BIM虚拟施工方案为此提供了技术支持。系统功能设计，如图3所示。

图3 系统架构

2.3 系统功能实现

本系统开发使用VS2012平台；BIM建模采用Revit软件；空间数据管理组件采用AE10.2；放样设备采用徕卡MS60。系统主界面设计，如图4所示，具体实现过程共有4个阶段，分别是项目勘察阶段、项目设计阶段、项目施工阶段、项目验收阶段。具体描述如下。

2.3.1 项目勘察阶段

系统数据库以桩基实体为核心对象，与施工设备及属性关联，建立1∶N关系，系统扩展实体-关系（EE-R）图，如图5所示，将每一个桩基实体作为一个施工的基本单元，将其基本数据整合至一个数据集合中。相对应的，将每一个基本单元所对应的属性数据和施工设备建立1∶N对应关系，实现了不同桩基实体在不同维度上的存储与表达。在此基础上，再将施工设备与动态施工数据进行1∶N对应连接，实现了施工数据的管理与迭代。

图4 系统主界面设计

图5 系统扩展实体-关系

2.3.2 项目设计阶段

本阶段主要任务是施工数据导入及坐标统一。在实际调研中发现，在以往施工流程中，3D模型设计数据难以反馈到实际施工中的原因除了大部分BIM软件数据适配性差之外，一个重要原因是施工方和设计方采用的坐标系不统一，这使得在实际施工中3D BIM只能对施工流程提供有限的参考作用。为深入挖掘BIM技术潜力，在系统中为所有模型设置了统一的坐标系转换标准，使设计方和施工方以一套标准、一套流程完成工程项目。下面以坐标信息的统一说明系统的工作流程。

用户需要将设计模型导入至系统中，然后用户需要将设计坐标和施工坐标导入至系统中，加载坐标并导入成果。完成坐标的导入后，系统可根据导入数据生成设计坐标图层并添加至2D视图中，将其与模型坐标进行对比。

用户可以使用空间变换对不同图层进行坐标转换。完成桩基圈定之后系统可以进行自动标号。完成2D场景中桩基的圈定之后选择所需转换坐标图层，即可进行坐标转换。变换后各图层坐标属性。

在以上工作完成后，用户可根据所选项目和所输入参数信息（项目参数、控制点、线路信息）将信息录入原模型。实践表明，各部分坐标经统一后均在误差容限之内，符合施工要求。

2.3.3 项目施工阶段

项目施工阶段的主要工作是将所有数据置于统一坐标系下实现BIM数据与现场施工数据的交互，下面以自动放样说明具体工作流程。

（1）设备远程控制：将系统与全站仪通过硬件驱动建立远程连接并进行参数和设站等设置。

（2）自动放样：完成参数设置后用户便可在系统中进行虚拟施工。在系统中进行虚拟放样时，用鼠标点击桩基上需要放样的位置，即在3D场景视图中选择需要坐标放样的要素，系统会自动获取鼠标点击所在位置的设计坐标。

（3）自动测量：鼠标点击桩基上某个位置获取目标坐标，之后将全站仪调整到目标区域，完成自动测量。同一个位置可以最多点击测量4次，最终目标坐标是根据多次测量的结果求平均值。

2.3.4 项目验收阶段

误差控制是施工中最重要的一环，对于高铁特大桥这样对于精度需求极高的项目更是如此。本系统提供了对比桩中心及承台四角的模型坐标和计算坐标的功能，系统将自动计算坐标对比数据，并以Excel形式导出。在对比计算完成后，用户便可根据需求导出成果以供参考与审核。导出控制点成果，如图6所示。桩中心坐标对比成果输出如图7所示。承台坐标对比成果输出如图8所示。成果显示，虚拟施工成果完全符合工程限差。

3 结束语

面向虚拟施工的4D BIM技术使得施工部门具备了在时间维度上对工程建设进行统筹驱动的能力，突破了3D BIM只能在规划阶段作为参考工具这一传统使用范畴，实现了在实际建造过程中对建筑项目直接性的虚拟操控与干预。本文从BIM在施工流程内具体应用的角度出发，针对高铁特大桥施工的技术特点，探讨了以施工流程为时间轴，将BIM与施工信息耦合于同一坐标系的机制，实践证明，该机制在虚拟施工中切实可行。

图6 控制点成果

图7 桩中心坐标对比导出成果

图8 承台坐标对比导出成果

作为建造领域的研究热点，今后的工作主要在以下两个方面展开：

（1）提高以BIM为首的各项新兴技术之间的数据通用程度，促进传统建造行业和以BIM为首的新兴技术及学科的紧密协作，更大程度地实现“BIM+”；

（2）在保证工程的精确性、安全性前提下，更多地实现基于BIM+对施工流程的可视化及管理乃至完全虚拟化的操控，打造一个真正意义上的“智慧工地”。