基于BIM技术的建筑结构四维可视化施工模拟

周英博 吴 展 冯家旺 张少鹏

（中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450000）

建筑工程施工是一个高度动态性和多专业协调的过程，在施工过程中产生了海量的技术、管理以及建造数据信息，这些信息数据具有多源异构的特点，使得数据信息的交流与关联存在障碍[1,2]。传统的建筑建造方式是基于平面图纸的信息管理模式，运用的技术工具低效、静态且单一，无法实现施工过程中多源异构数据的集成，更无法实现对建造过程的可视化操作，而BIM技术融合了计算机技术与空间虚拟图形图像技术，可以实现建造过程的直观形象展示，多源数据的采集与集成，实现数据信息的交互探讨性和信息动态性，并与图形、符号、视频和三维虚拟模型的载体形式进行表达，大大提升了现代建筑施工过程的信息化和智能化[3]。BIM 技术的四维可视化是在三维模型的基础上集合了时间动态因素，比如施工进度计划，将时间和空间数据相互整合，实现建筑施工的动态过程、进度控制和施工模拟以更为立体的方式进行表达。

1 工程概况

东城半岛商住项目一期位于新密市溱水路北侧，密州大道东侧。总建筑面积为52081.92m2，其中地上面积36120.67m2，地下面积15961.25m2。项目主要功能用途为商业住宅，建筑主要为2 栋15 层民用住宅楼，2栋26层民用住宅楼，1栋小区大门，1栋商业用楼，具体如表1所示。

8#～11#采用剪力墙结构，其中8#楼基础采用天然地基+筏板基础，筏板厚700mm；9#楼基础采用干作业钻孔嵌岩灌注桩+筏板基础，筏板厚850mm；10#和11#楼基础采用干作业钻孔嵌岩灌注桩+筏板基础，筏板厚1150mm；G2#楼（大门）、G3#楼（商业）与地下车库均为独立基础+抗水板基础，结构形式为框架结构。施工内容包含施工图纸范围内的土建、安装工程（管线以出外墙1.5m为界限）、总承包施工（入户门、单元门、防火门、电梯、电梯前室精装修、智能化、消防及市政管网工程等除外），合同工期720d。

2 建筑结构四维可视化BIM模型的建立

在本研究中采用了通用建筑BIM模型程序Revit软件对建筑项目的各个实体进行模型创建，并有机整合形成三维建筑BIM模型[4]。对建筑模型的施工任务，采用Project 2020 软件进行创建，针对每一项施工任务进行详细划分，并设定了开始和结束时间，形成足够精度的施工进度计划文件，并以“*.MPP”（*代表文件名）的格式存储，如图1所示。建筑结构的四维可视化施工模拟就是将建筑三维BIM 模型与施工进度计划通过BIM软件开放接口的形式进行整合和关联，形成一个有机的四维可视化虚拟模型。构建的四维可视化模型的函数表达式可用公式（1）表示，建筑三维BIM模型中包含了实体空间几何信息和物理属性，比如门窗、楼梯、楼板和墙体的材质、长度、宽度和高度等，如图2 所示，而模拟施工进度文件中的时间信息能够有效地反映实体建筑的施工次序，因此，四维可视化模型在BIM模型环境中有着良好的演示和动画功能[5]。

图1 基于Project 2020软件创建的施工进度文件

图2 基于Revit软件创建的建筑结构三维BIM模型

式中u为建筑结构的四维可视化模型实体映射；t为四维可视化模拟中的时间因素，与建筑结构施工进度有关；f为建筑结构的四维可视化模型函数；(x,y,z)为与实体模型相互对应的空间坐标；n为四维可视化模型中对应实体的数量。

3 基于建筑结构BIM 模型四维可视化施工模拟的碰撞检测

BIM 技术的最大优势就是可实现建筑全生命周期的数字化、可视化，利用可视化的功能可以预先浏览建筑物建成的效果，判断建筑结构构件、配套管网和设备之间的空间关系，避免建筑施工过程中出现物理性的碰撞。碰撞检测是BIM 技术中最为热点的研究方向，建筑施工模拟阶段最为直观展现的功能，也是最容易产生工程价值的功能[6]。按照美国建筑行业研究员和斯坦福大学的研究表明，在建筑工程中由于传统的建筑二维图纸管理模式导致的无效工作（浪费）高达55%，这使得建筑施工图纸完成后产生了大量的变更，而采用BIM 技术可以有效防止不必要的建设拆除，可消除45%以上的预算外变更，在BIM 技术的价值应用上，在施工图完成后正式施工前，采用基于BIM技术的各种图形化工具可以有效避免冲突，尽早发现构件碰撞问题，可降低10%以上的合同价格[7]。

在现实物理世界中，两个具有空间物理属性的物体并不能在同一个空间内进行重叠，而在虚拟世界中，由于采用理想化的数学模型，对物体的几何意义和物理意义的定义具有明显的数字化[8]。因此，在实际建筑工程施工中，为例避免两个实体构件产生相交，对结构的碰撞定义为实体间的距离小于设定的公差。建筑结构四维可视化模型中的实体模型可以表示为一个随时间变化的齐次坐标矩阵，用于分析建筑结构在空间上的位置、外形以及在时间上的占据情况，基于这个矩阵可以支持结构的碰撞检测，见公式（2）。

式中m为建筑结构四维可视化施工模型中考虑了时间因素的阶跃函数，属于一个4×4阶的函数。

结合公式（1）定义两个不同的建筑结构实体A 和实体B，见公式（3）。

因此，判断建筑结构实体A和实体B之间是否存在冲突，即可判别两者是否存在一致的时间点和空间位置，判断准则见公式（4）。

在本项目中，对建立的BIM模型进行碰撞检测，如图3所示，重点考察建筑管网之间的专业冲突以及排布上的空间逻辑关系。根据BIM模型提供的碰撞检测报告，从而将一些看上去没问题，而实际上却存在的深层次问题暴露出来，针对目标问题对模型进行进一步修正，并按方案要求优化设计变更，有效地避免了施工中的返工、停工等情况发生，降低了设计变更，保障了工程进度按时完成。针对复杂连接结点，可以利用BIM分析大型钢筋和墙体之间的连接结点及各个结点之间钢筋的排布规律，如图4 所示，可以有效减少钢筋和墙体结构之间的相互碰撞，降低现场的返工率。

图3 基于四维可视化模型的管线碰撞检查

图4 基于四维可视化模型的复杂连接节点

4 基于建筑结构BIM 模型四维可视化施工模拟的进度控制

BIM技术可以对施工现场总平面图布置、施工电梯运力分析、塔吊运力分析、多专业协调、技术交底等方面进行四维动态实时模拟，通过一种直观的方式使所有工程人员深入地了解现场情况。通过BIM技术实现四维虚拟施工动态模拟，在BIM模型的可视化环境下，将实体模型的空间物理属性和施工工序的时间特征数据进行融合，能够更为直观地观测施工节点的进度，模型动画也可以反映各结构构件的施工工艺流程，同时也可以实现人机交互，对施工任务进行调整，达到控制关键施工节点的目的，有利于协调各个参建方的人员与资源配置。

图5 为项目基于BIM 技术四维可视化施工模型的进度计划分析结果。图中A线为最早开工时间曲线，B线为最晚开工时间曲线，C线为基于BIM技术四维可视化施工模拟的进度计划控制曲线，项目的总工期为720d。从图中可以看出，C 线整体上呈现标准的“S形”，初期施工进度速率较慢，中期施工进度速率迅速，而后期则处于收尾阶段，施工进度速率总体放缓。在380d 之内，项目的计划完成工作量均位于A 线和B 线之间，表明实际的工期进度能够满足计划的工期进度要求，而在380d～720d，C 线位于B 线之外，表明累计的完成工作量大于计划的完成工作量，施工进度超前。基于BIM技术四维可视化施工模型的进度计划可以有效地提高项目的周期，为实际的工程施工提供充裕的工期保障。

图5 基于BIM技术四维可视化施工模型的进度计划分析

5 结语

以新密市东城半岛商住项目一期为例，采用Revit软件建立建筑结构三维BIM 模型，运用Project 2020 软件创建施工进度文件，通过BIM 软件开放接口将两者进行集成，用于实现建筑施工过程中的碰撞检测以及施工进度优化，得到以下结论：

（1）BIM技术融合了计算机技术与空间虚拟图形图像技术，可以实现建造过程的直观形象展示，多源数据的采集与集成，实现数据信息的交互探讨性和信息动态性，并以图形、符号、视频和三维虚拟模型的载体形式进行表达，大大提升了现代建筑施工过程的信息化和智能化。

（2）建筑结构四维可视化模型中的实体模型碰撞检测准则，如公式（2）～公式（4）所示，基于BIM 技术各种图形化工具可以有效避免冲突，也可以实现复杂连接结点的钢筋排布，有效避免了施工中的返工、停工等情况发生。

（3）结合本项目的四维可视化施工模拟表明，在380d 之内，项目实际的工期进度能够满足计划的工期进度要求，而在380d～720d，施工进度超前。基于BIM技术四维可视化施工模型的进度计划可以有效地提高项目的周期，为实际的工程施工提供充裕的工期保障。