BIM建筑|BIM技术的信息集成与虚拟施工实时仿真管理

现代建筑项目施工过程是一项十分复杂的活动，现在各种异型曲面的建筑设计不断涌现。虽然这在一定程度上满足了人们追求视觉美感的需求，应用传统的建筑施工模式已经无法满足当代建筑的迫切需求。在这种情况下，建筑信息模型技术无疑给当前面临窘境的建筑施工领域带来了希望。虚拟建造的提出旨在区别于传统的工程建造方法和管理模式。本质在于以数字化技术为基础，带动组织形式、建造过程的变革，虚拟建造将极大提高建造的效率，使得工程管理的水平和手段发生革命性的变化。通过对施工阶段BIM应用的技术、方法、标准和软件进行深入研究，根据我国施(BIM工作)工管理特点和实际需求，提出工程施工BIM应用的技术架构、系统流程和应对措施，并将BIM与4D技术相结合，研究建筑施工BIM建模系统和基于BIM的4D施工项目管理平台。

1 平台开发内容

基于BIM技术，并结合虚拟现实和结构仿真等计算机技术，在高性能计算机等硬件设备的支持下进行协同工作，对建筑施工活动中的资源流动过程进行全面的仿真模拟，让用户体验“身临其境”，各施工参与方可以直观的对工程项目进行管理、优化及进行风险控制，为建筑项目施工过程选择最佳施工方案及加强实时管理，以提高整体建筑工程效率。主要包括以下几方面内容。

1.1 基于BIM的设计可视化展示

按照设计图纸，通过使用Revit、Navisworks和C＃语言等相关三维建模工具及开发平台，能直观进行方案论证、业主决策、多专业协调、结构分析、造价估算、能量分析、光照分析等建筑物理分析和设计文档生成等，检验设计的可施工性，在施工前能预先发现存在的问题。

1.2 基于BIM的碰撞检测与施工模拟

把BIM模型和施工方案集成，可以在虚拟环境中对项目的重点或难点进行可建性模拟，譬如对管线的碰撞检测和分析、对场地、工序、安装模拟等，进而优化施工方案。通过模拟来实现虚拟的施工过程，在一个虚拟的施工过程中可以发现不同专业需要配合的地方，以便真正施工时及早做出相应的布置，避免等待其余相关专业或承包商进行现场协调，从而提高了工作效率。主要是在Revit、Navisworks等基础上进行二次开发的施工动态管理系统。

1.3 施工资源及造价管理

施工资源和工程造价控制是工程施工阶段的核心指标之一。工程管理人员通过BIM模型在工程正式开始施工前即可确定不同时间节点的施工进度与施工成本，可以直观查看形象进度，并得到各时间节点的资源消耗和造价数据，从而避免设计与造价、施工脱节，变更频繁的问题，是的资源和造价控制更有效。当发生设计变更时，修改模型，BIM系统将自动检测哪些内容发生变更，并直观显示变更结果，统计变更工程量，并将结果反馈给施工人员进行控制。

1.4 基于BIM的施工项目管理

将BIM与4D技术结合起来，通过建立基于IFC的4D施工信息模型，将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度链接，与施工资源、安全质量以及场地布置等信息集成一体。能够实现基于BIM和网络的施工进度、人力、材料、设备、成本、安全、质量和场地布置的4D动态集成管理以及施工过程的4D可视化模拟。

2 平台实现的实施方案

根据集成BIM的基本结构、建模流程和应用架构，实现施工过程可视化仿真与资源动态管理的集成BIM建模需要解决以下关键技术。

2.1 建立集成BIM应用架构

首先结合集成BIM建模的流程，建立面向施工阶段的集成BIM应用架构，如图1所示。该架构是一个包括应用层、网络层、平台层和数据层的结构体系。

2.2 基于BIM的虚拟施工及动态管理功能构建

（１）完整的基于IFC的建筑施工4D信息模型：通过建立基于IFC的BIM结构及其信息描述与扩展机制，根据施工过程模拟的需求对已有的4D施工信息模型进行完善和扩展，建立完整的基于IFC的建筑施工4D信息模型。

（２）构建4D虚拟施工环境：研究施工过程虚拟仿真、数值模拟以及过程模拟交互处理等核心技术，基于BIM的虚拟建造安装施工方案模拟现实的建造过程，通过反复的施工过程模拟，在虚拟的环境下发现施工过程中可能存在的问题和风险，并针对问题对模型和计划进行调整和修改，提前制定应对措施，进而优化施工方案和计划，再用来指导实际的项目施工，从而保证项目顺利进行。

（３）施工现场临设规划模拟：施工现场规划能够减少作业空间的冲突，优化空间利用效益，包括施工机械设施规划、现场物流和人流规划等。将BIM技术应用到施工现场临时设施规划阶段，可更好地指导施工，为施工企业降低施工风险与成本运营，譬如BIM可以实现在模型上展现塔吊的外形和姿态，配合BIM应用的塔吊规划就显得更加贴近实际。将BIM与物联网集成，可实现基于BIM施工现场实时物资需求驱动的物流规划和供应，以BIM空间载体，集成建筑物中的人流分布数据，可进行施工现场各个空间的人流模拟，检测碰撞，调整布局，并以3D模型进行表现。

（４）基于BIM的施工进度管理：基于BIM的施工模拟可将建筑从业人员从复杂抽象的图形、表格和文字中解放出来，以形象的3D模型作为建设项目的信息载体，方便建设项目各阶段，各专业以及相关人员之间的沟通和交流，提高工作效率。BIM技术可以支持工程进度管理相关信息在规划、设计、建造和运营维护全过程无损传递和充分共享。支持管理者实现各工作阶段所需的人员、材料和机械用量的精确计算，从而提高工作时间估计的精确度，保障资源分配的合理化。

（５）集成交付及在设施管理：施工阶段及其前序阶段积累的BIM数据最终能够为建成的建筑物及其设施增加附加价值，在交付后的运营阶段再现、在处理交付前的各种数据信息，从而更好地服务于运营阶段。基于BIM提供的多维数据，可实现建成设施的运营模拟，可视化检修与维护管理、设施灾害识别和应急管控等。

（６）将资源管理细化到WBS工序节点。WBS工序节点是对施工具体工作内容的分类与细化，根据《建设工程工程量清单计价规范》将资源统一划分和编码，细化到WBS工序节点也是本课题研究过程中需要解决的技术关键。

3 应用过程与效果

（１）项目中引入BIM技术，在应用前根据项目的特点和情况，进行详细周密的策划，开展准备工作。BIM应用策划包括BIM应用目标、约定BIM模型标准、确定BIM应用范围、构建BIM组织构架、确定信息交互方式等内容。

（２）应用建筑信息模型BIM技术，实现基于IFC标准的工程信息建模，建立基于IFC标准的４Ｄ施工管理扩展模型，将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度计划相链接，并与人力、材料、机械、成本等施工资源以及场地布置信息集成一体，形成多维信息管理。

（３）通过将BIM应用于施工过程，并结合虚拟现实等技术的应用，可以在不消耗现实材料资源和能量的前提下，让设计者，施工方和业主在项目设计策划和施工之前就能看到并了解施工的详细过程和结果，避免不必要的返工所带来的人力和物力消耗，为实际工程项目施工提供经验和最优的可行性方案。包括基于BIM的预制构件虚拟拼装和施工方案模拟技术。

（４）施工(BIM设计)环节之间不同工种的协同。BIM模型能够支持从深化设计到构件预制，再到现场安装的信息传递，将设计阶段产生的构件模型供生产阶段提取、深化和更新。如将BIM设计模型导入到构件分析软件中，完成配筋等深化设计工作。同时自动完成构件设计自动化、生产计划管理自动化、自动下料工作，完成构件设计、预制、加工、预安装一体化管理。

（５）对施工过程仿真及资源动态管理技术概念及其理论实践体系进行系统分析，并使用Revit等软件建立BIM模型，然后借助于Navisworks和Rvit API分别对模型施工过程进行真实的模拟再现，实现对BIM模型中特定信息的获取以及施工过程的建筑构件之间的碰撞检测功能，从而优化并获得最佳施工方案，为施工阶段提供很好的技术和数据支持。

（６）可进行施工场地布置。将BIM技术提前应用到施工场地布置中，就是为了避免反复调整平面位置，对施工现场进行合理的场地布置，例如合理布置施工电梯，能够最大程度地利用施工电梯的运能，将大大加快施工进度。同时也能通过模拟施工，直观地看出物流和人流的变化值，从中提前测算出施工电梯的合理拆除时间，为外墙施工收尾争取宝贵的时间，确保施工进度。

4 应用前景与意义

（１）提供信息资源利用的解决方案。将识别施工过程主要信息资源并建立标准信息资源模型；实现对信息资源的管理和利用，为施工过程利用信息资源提供有效的解决途径。

（２）深化BIM技术在数字建造领域的集成应用。BIM技术通过集成工程管理信息的收集、管理、交换、(BIM培训)更新、储存过程和项目业务流程，实现数字建造模式下数字流和物质流的高程度集成与高水平组织，推动工程建造走向精益化，实现精益建造。

（３）实现施工项目资源动态管理。通过系统地分析施工项目信息资源，可为建筑施工管理提供详实可靠的科学依据，从而辅助提高施工项目管理决策水平，提高施工效益与竞争力。

（４）多个专业信息系统的集成是一个基于BIM模型的集成过程。通过3D实体构件，将其

对应的工程量信息与进度计划任务进行对接，实现基于成本控制的5D系统。同样地，通过3D实体构件，还能够将其对应的质量控制单元与进度计划任务项进行对接，实现基于质量控制的系统。在此基础上，还可以赋予安全施工信息，形成施工安全控制系统。

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