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引用格式：王胜军.BIM 4D虚拟建造在施工进度管理中的应用[J].人民黄河,2019,41(3):145-149.

作者简介：王胜军（1970—），男，河南长垣人，教授级高级工程师，主要从事抽水蓄能电站建设管理工作

摘要

摘要：工程施工通常是一个动态过程，抽水蓄能电站工程属于较复杂工程，通常规模大，施工进度管理复杂。提出了一套基于BIM 4D虚拟建造技术的施工进度管理方案，实现了施工信息的高效整合，建立基于Navisworks Manage平台的BIM 4D施工信息模型，通过一套施工阶段将工期管理细化到WBS工序节点的方法与机制，实现了三维模型与施工进度的耦合关联，为施工进度管理与进度优化提供依据。并选取河南天池抽水蓄能电站作为应用案例，对该方法的应用进行了说明。

关键词：BIM；4D虚拟建造；施工进度管理；进度优化；抽水蓄能电站

抽水蓄能电站工程具有专业涉及广、地形条件复杂多变、工程布置复杂等特点，施工进度管理难度较大。传统的二维进度表达方式难以准确反映施工的动态变化与不同施工任务的内在关系，更无法及时有效地对施工资源以及工程造价进行动态展示与调控，从而动态优化和调整施工过程。BIM（建筑信息建模）是当今工程建设领域的新兴技术，是对一个设施的实体和功能特性的数字化表达，可应用于抽水蓄能电站工程施工进度的可视化管理。在BIM 3D模型的基础上，BIM 4D虚拟建造技术形象地模拟工程复杂的施工过程，将工程施工数据与工程管理数据集成在数字模型中，通过虚拟建造的方式对构筑物的施工建造过程进行动态的、交互式的可视化展示，可以为工程施工组织设计和宏观决策提供数据支持、分析手段，并提前制定应对措施，再用来指导施工进度管理工作，从而确保整个工程施工的顺利完成［1－2］。

1 BIM 4D虚拟建造技术概述

BIM通过建立三维建筑模型，共享知识资源，分享有关设施的信息，为该设施从概念设计到拆除的整个生命周期中的所有决策提供依据。在项目不同阶段，不同参与方可以通过在BIM中新增、修改、更新和删除信息来实现各个参与方的协同作业。BIM 4D是在BIM技术的基础上，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，而不再是仅仅采用图表、文字叙述的表达方式。

BIM 4D虚拟建造技术是多形态、多维度的表现方式，除了通过三维方式展现构筑物各个组件的相关数据外，还可以动态表达施工不同阶段构筑物的施工面貌，从而帮助管理人员清楚地了解工程施工状态，通过虚拟建造寻找潜在的空间冲突，优化施工方案。虚拟建造技术可以按照工程项目的施工计划模拟现实的建造过程，通过反复模拟施工建造的整个过程，发现施工过程中可能存在或者将要发生的问题和风险，并以此为基础，对4D数据模型或计划进行针对性调整，进而优化施工计划，辅助项目管理［4－5］。

2 BIM 4D虚拟建造关键技术

●2.1 BIM 4D虚拟建造平台选择

抽水蓄能电站工程的施工过程往往需要反映建筑物施工、设备进出场和地形动态填挖等动态逻辑关系，因此施工过程的虚拟建造不单单局限于传统的水工枢纽布置与各种建筑物等，还必须将具有空间地理位置特征的静态数据与和工期相关联的静态数据进行有效结合，选取合适的平台构建 BIM 4D 模型［7－8］。Navisworks Manage作为一款4D／5D协助设计检视软件，针对工程项目的全生命周期可以有效地对工程施工的动态过程进行施工模拟。同时，在设计工作中可以利用Navisworks Manage把工程项目管理数据集成到建筑信息模型中，从而形成可视化模型，对项目进行动态模拟与虚拟描述。该平台具有4D模拟功能。通过导入时间进度数据并按照一定的规则与场景中的模型一一对应，使得组成三维模型的图形单元具有时间属性，从而直接进行施工过程的动态演示。Navisworks Manage支持数据库的信息挂接，采用SQL语言使模型与数据库表中的字段通过唯一标识符建立链接，从而将空间实体模型与其属性逐一对应。

●2.2 BIM 4D模型数据组织结构

三维模型在进行格式转换后往往会造成信息丢失。Navisworks Manage作为一个综合信息集成平台，为避免三维模型信息的丢失，需要采用外链数据库的方式实现属性数据与三维模型的挂接。Navisworks Manage平台提供ODBC数据库驱动，可结合SQL语言实现模型与信息的挂接，其中包括关键设备参数信息、地理坐标、尺寸信息等文本信息，以及图片、图纸、视频等文件类信息。完整地定义并添加属性信息是实现基于BIM技术的施工虚拟建造的前提。同时，为实现施工可视化，还需要针对模型关联施工进度信息，如计划进度和实际进度。进度信息的制定可以通过Microsoft Project和Primavera P6等项目管理软件实现，并导出MPP、CSV等格式文件，导入Navisworks平台与3D模型进行数据挂接。

为了构建基于BIM 4D的虚拟建造分析模型，整个可视化模型和进度信息要建立相耦联的关系。可视化模拟的调整优化过程本质上是进度信息的调整优化过程。施工进度数据可与Navisworks Manage建立单向链接关系，即当项目管理者对进度数据进行修改后，可在Navisworks Manage中直接对进度数据进行更新、同步，不影响施工任务与三维模型建立的原有链接关系，从而根据项目的实际情况与现场状况做出动态调整。Navisworks Manage中BIM 4D模型数据组织结构见图1。

图1 Navisworks Manage中BIM 4D模型数据组织结构

●2.3 BIM 4D 模型构建

BIM 4D模型是BIM 3D模型与时间维度的整合。BIM 4D模型构建过程分为基于WBS（工作结构分解）的进度计划制订、三维模型构建和三维模型与进度信息的关联3个关键步骤。

（1）基于WBS的进度计划制订。工作结构分解指对工程项目实施的主要工作任务和工程项目技术系统的综合分解。进度计划的制订是进行BIM 4D模型构建的一个关键步骤，基于BIM的进度计划制订要建立在工作结构分解的基础上，根据编码与规范将要进行的项目及可交付成果分解成更小的、易于管理的项目组成部分。WBS作为项目进度管理的前提可以使项目计划具有很强的层次性，辅助进度管理细化到工序节点。它将项目逐级分解为总项目、单体项目、项目任务、子任务、工作包，一般的级别层次划分见表1。

表1 WBS级别层次划分

总项目（第1级）由一些单体项目（第2级）组成，单体项目的成本与工期总和应与总项目一致，而单体项目可以划分为很多个项目任务（第3级），以上三级统称为管理层。项目任务由多个子任务组成，而子任务又由工作包构成，其中工作包包括工程项目计划中明确的活动，子任务与工作包属于技术层。

（2）三维模型构建。抽水蓄能电站工程涉及专业多，模型复杂，需要采用多个建模软件进行综合建模。在进行复杂地形、开挖回填和大坝等异形结构的模型设计时，可采用CATIA进行建模，以保证模型精度；对于普通建筑物、设备和管线等常规模型结构，可采用REVIT进行模型设计，以保证建模效率。最终不同数据格式的模型文件可以统一导入Navisworks Manage平台进行集成。

建模过程应考虑三维模型与施工进度信息相匹配，原始三维模型往往不能满足施工模拟的基本需求，需基于工作包的分解结果对三维模型进行进一步的切块划分，如抽水蓄能电站工程常见的洞身模型，最初是一个整体模型，需专门针对该模型切段划分，形成多个等间距的洞体，见图2。三维模型的切分应综合考虑施工工期、工程量、工作包工期等多个因素，保证切分后的三维模型能够直接与工作包进行挂接。

图2 洞身三维模型切分

（3）三维模型与进度信息的关联。当完成进度信息的工作结构分解与三维模型的设计后，需要在三维模型上附加第四维的进度信息，实现进度信息的添加并将工作包与模型块一一对应是实现基于BIM 4D的虚拟建造的技术重点和难点。

模型关联的实现主要依靠Navisworks Manage的Timeliner功能模块实现，TimeLiner可以进行进度数据关联、模型关联、实际进度模拟、计划进度模拟和进度查询等。为实现进度信息与三维模型的一一对应，首先需要将三维模型基于工作包进行统一划分，制定选择集，从而形成最基本的三维模型工作包；然后将进度控制软件制作的项目进度信息导入到Navisworks Manage平台；最后通过预先设定的关联规则，并结合手动关联，对进度计划和三维模型工作包进行关联。

为提高进度信息关联效率，应针对工程进度划分工作包，并基于现有的工作包分解结果，对三维模型进行切割分块，实现模型与工作包的一一对应，有效降低后期三维模型与进度信息挂接的工作量，最终通过规则关联与手动挂接相结合的方式构建BIM 4D模型。Timeliner实现模型与进度关联流程见图3。

图3 Timeliner实现模型与进度关联流程

3 应用实例

抽水蓄能电站作为水利水电工程的一个分支，工程复杂多变，可借助BIM 4D虚拟建造技术为项目管理者制定合理的施工工期方案提供数据支持与决策支持，通过有效地集成施工相关数据信息，对重要施工环节进行三维可视化模拟，辅助抽水蓄能电站的施工进度管理工作。

河南天池抽水蓄能电站位于河南省南阳市南召县，装机规模为1 200 MW（4×300 MW），为一等大型工程，其主要任务是为河南电力系统提供调峰填谷、调频调相、事故紧急备用和黑启动等任务。以河南天池抽水蓄能电站为例，通过 Primavera P6、Microsoft Project、Navisworks Manage软件的综合运用，完成基于BIM 4D的虚拟建造技术在实际工程中的应用，为优化施工进度、减少工程投资和优化资源调配提供科学直观的数据支持与决策支持。

●3.1 施工进度动态管理

在进度管理过程中，可根据进度信息或者三维模型对项目施工进度进行添加、调整、查询与控制，实现对项目施工进度的动态管理，指导施工。同时可结合直观的BIM 3D模型以及4D施工工艺展示，有效地管理、检视整个工程项目的施工过程，排查不合理的工期与计划施工方案，包括持续时间、各个工作包之间的逻辑等，从而通过反复模拟与全方位检查，优化施工方案。

●3.1 施工进度动态展示

在施工项目发生工程变更时，项目管理者依据变更情况，在项目管理软件上对进度、资源等信息进行相应调整，同时更新同步到BIM 4D项目管理平台，此时，同步的信息可以通过单向链接的方式驱动三维模型，将更新状态反映在BIM 4D虚拟建造的模拟过程中。项目进度更新后，可进行工程施工进度的动态模拟展示，实现包括正序模拟、倒序模拟和按日、周、月与年等不同时间段模拟等功能。抽水蓄能电站业主营地的主要建筑物虚拟建造过程见图4～图6。

图4 基于BIM 4D虚拟建造过程模型1

图5 基于BIM 4D虚拟建造过程模型2

图6 基于BIM 4D虚拟建造过程模型3

●3.3 工程施工进度监控

在BIM 4D模型中，通过虚拟建造，将实际进度与计划进度进行比对，并在三维动态模型上进行展示，可进行直观的进度偏差分析和施工进度滞后预警。在施工过程中，项目管理人员需要录入真实的施工进度，通过观测模拟结果直接与计划进度进行多方位的对比，查询项目滞后范围与工程量，并针对性地组织劳动力、材料和设备设施等，调整优化施工方案，加快施工进度。计划进度与实际进度的模型对比见图7。各个施工状态可以通过模型颜色与模型显示（隐藏）来表达，其中：红色部分表示滞后的施工内容；浅绿色表示即将进行的施工工作；实体部分，即红色与浅绿色以外的模型，表示已完成的工程内容。

图7 计划进度与实际进度对比

●3.4 施工现场工序模拟

根据该项目的实际情况，构建施工设备模型与开挖模型，可以实现施工场地的动态布置，将工程中关键施工任务进行施工工序模拟。采用Navisworks Manage平台的Timeliner模块与Animator模块构建施工工序动画，针对进厂交通洞的平洞开挖过程进行施工工序模拟。平洞开挖采用钻爆法开挖，基于现有BIM 4D模型，选取洞身典型段，对钻爆法的钻孔、爆破、开挖和废渣出场等过程进行模拟，实现施工现场的4D形象化展示，见图8～图10。

图8 钻孔

图9 开挖

图10 废渣出场

同时，实现施工设施设备信息与数据库挂接，包括设备的类型、型号、运行参数等重要施工属性信息，在点选相应设备后即可进行信息查询。施工进度模拟与施工工序模拟可进行有效结合，从而更加真实形象地反映施工场地的面貌，包括地形开挖变化、场地设施数量等，实现施工场地的动态综合管理。自卸汽车主要技术参数查询见图11。

图11 自卸汽车主要技术参数查询

4 结 语

BIM 4D虚拟建造技术是施工进度与设计三维模型的结合，通过施工进度信息来驱动三维模型，使之在时间维度上按照一定的规则实现显示、消失、变换等状态变更，从而模拟建造过程。虚拟建造基于BIM 4D信息驱动模型，可方便快捷地进行信息添加、删除与修改等操作，并驱动整个模型进行变更，是一种高效、直观的信息化施工进度管理模式，在施工进度管理中可以发挥更大的作用。

本文提出了一套基于BIM 4D虚拟建造技术的施工进度管理方案，实现了施工信息的高效整合。建立基于Navisworks Manage平台的BIM 4D施工信息模型，提出了一套施工阶段将工期管理细化到WBS工序节点的方法与机制，实现了三维模型与施工进度的耦合关联，为施工进度管理与进度优化提供依据。将BIM技术合理、有效运用在水利工程领域，并以河南天池抽水蓄能电站施工进度管理为典型案例，为水利水电施工领域探索了新的管理模式和方法。

参考文献

［1］ 苗倩.BIM技术在水利水电工程可视化仿真中的应用［J］.水电能源科学，2012，30（10）：139－142.

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