基于BIM的基坑挖运施工过程仿真模拟

BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点。

首先，BIM软件要解决的是实现对于BIM中information（信息）的传递性，如果对于信息不存在传递作用，这个软件基本可以排除在BIM之外；其次，BIM软件要以BIM理论为基础，用软件的方式体现BIM中建筑相关信息的定义、利用与管理。利用这一技术或平台，设计阶段能够实现信息共享和协同设计，在施工阶段，BIM可以与进度计划链接形成4D施工模型，可以加入现场临时设施形成施工现场综合管理模型辅助施工决策与现场管理，提高沟通效率。

以案例为基础使用Autodesk Revit，Tekla等平台软件建立各阶段的BIM模型，如桩基础工程，混凝土工程，结构安装工程等，并在此基础上配合使用Autodesk Navisworks Manage软件，将静态的2D模型3D动态化以及4D化。如本案例即基坑挖运中，不仅考虑到基坑的长宽以及深度，更结合了基坑的具体地理坐标，还包括了具体施工过程中的各种细节。例如挖掘机之间，挖掘机与卡车之间、卡车与卡车之间的协调工作，施工车辆的调度、土方挖运的先后顺序等等施工环节。与真实施工过程紧密联系，将项目中复杂的 空间立体关系通过3D动态可视化技术形象地展现；接着将不同的进度计划与模型链接成4D施工模型，展示不同的进度安排；随后还将根据现场环境布置临时设施，形成三维综合施工现场模型。

1.基于BIM的施工仿真分析理论来源以及研究方法

BIM软件主要分成三个部分：数据源，数据层以及项目管理应用。

本研究主要涉及BIM中的三项内容，即数据源，主要是将BIM所需的信息从各种类型的工程文档资料中提取出来；数据层主要是对BIM中的I（information）进行管理，包括信息产生，交换等内容；项目管理应用是指对BIM中的M（model）进行管理，使之能够服务于实际施工，对项目的进度管理等提供指导。

在本案例中主要应用到的BIM软件有Autodesk Revit，Navisworks，或者3DSMax，还需要Microsoftproject等辅助软件。

其中Revit负责提供数据源，即设计施工现场的环境，建立模型并输出文件。之后继续用Revit对施工中的具体参数进行储存，同时应用Microsoftproject等工程管理软件对施工进度安排进行编辑，提供数据层支持，建立WBS与Microsoftproject的双向链接；通过模型，对施工进度进行查询，调整和控制。最后用Navisworks进行项目管理应用，将Revit的输出文件制作成施工过程4D动画。

　　图1 仿真过程需要考虑的因素的树状图

2.施工仿真步骤

2.1 确定制作施工模拟的步骤

1）前期数据收集以及编制施工进度；

2）建立Revit场地模型；

3）设计施工机械模型；

4）完成4D施工模拟制作。

2.2前期数据收集以及编辑施工进度

本案例施工任务是挖出一个长60m、宽20m、深度为5.5m的用作地下车库坑的基坑，施工时将分成4块区域分别由四台挖掘机进行开挖。

1）前期所要收集的数据包括通过全站仪或者GPS测量出的场地地理坐标以及长方形基坑四周的高程点坐标。

2）接下来要制定施工方案，见表1。

　　表1 施工进度安排表（括号内数字表示标高）

2.3 建立场地模型

1）通过全站仪或者GPS测量出的场地高程点坐标文件存为txt格式，之后将其导入Revit当中去，利用Revit中的场地选项建立场地表面模型。

2）通过测量的坐标确定出基坑的位置并在二维平面图上标出，用建筑地坪命令创建出一个基坑模型，基坑模型效果如图2所示。

　　图2 生成基坑模型

3）通过Revit中的体量功能，创建各种施工车辆的模型，也可以到网络族库中下载得到。

挖掘机构件较复杂，可由CAD或Inventor制作之后以DWG文件格式导入到Revit中进行应用。同时，这些族文件需要通过场地构件的方式 导入Revit，否则这些施工车辆模型会产生不能与场地贴合的问题。

4）建立土方模型。为了便于用Navisworks进行施工模拟，基坑内土方模型可以用楼板来建立，或者用内建模型，只需要将楼板（或体量）的材质调为土层即可。由实际土方挖运的顺序逆向建立土方模型，即从第六层开始，按照标高的顺序，填满每一层一直到第一层，在第一层的土方不要铺满，要随地面地面坡度适量增减，最后使用楼板创建的土方量等于实际所挖土方量相等即可，这样可以表现出地形的高低变化趋势从而模拟场地的原始状态。在本案例中，兼顾工作量和仿真的真实性，即用若干块长度为7.5m宽度为2.5m厚度为1.1m的楼板块（土方）填满基坑。

同时，在创建土方模型期间，要对每块土方进行命名，命名时要考虑到的因素有：所在的工作区域，所在的层数，以及挖运的顺序。如图3中蓝色土方为4-1-1号土方即表示4号挖土机所工作的4区域的第1层挖运工作中的第一块土方。这样的命名工作可以使以后的Navisworks动画模拟处理起来更加方便快捷。

　　图3 填充土方，完成基坑模型

2.4施工模拟动画的制作

2.4.1Timeliner处理

施工过程可视化模拟可以日、周、月为时间单位，按不同的时间间隔对施工进度进行正序模拟，形象地反映施工计划和实际进度。首先用Microsoftproject建立较为具体的土方挖运工作进度安排表，工作进度安排表需要细化到每一块土方，即每一块土方都要建立与自身相对应的任务，由于土方挖运的工期较短，所以每一块土方挖除的开始和结束时间都要精确到小时。并且土方的任务类型都是“拆除”。再通过Navisworks中的数据源选项将其导入到Navisworks中的Timeliner。

2.4.2Animation设计

在Animation中创建动画，先后捕捉挖掘机、卡车等场地构件，用旋转、平移等命令，模拟出施工车辆工作的动画。制作Animaton的过程中需要统筹施工车辆调度，即如果卡车数量太少，挖掘机挖出的土方装满卡车以后，卡车要有一个运出土方的过程，没有另外的卡车及时补上的话，势必会造成挖掘机停工的现象，降低了工作效率。

由此可以设计出优化方案，即挖掘机挖土运送到卡车上，卡车装满之后将土方运走，另一辆卡车在前一辆卡车运土之前及时补上，同时还要注意避免运送土方的卡车数量过多造成施工道路拥挤的情况。通过这样的分析得出的车辆优化工作方案可以避免挖掘机暂时停工的现象，提高施工效率。设计动画的过程中要调度好各类车辆，在Animation中安排好时间分配，以实现效率的最大化。除此以外也可以制作视点动画以及漫游动画，后期处理时与施工车辆调度动画一起添加到Timeliner中，使制作出来的动画更具立体感、画面感与层次感，并且可以全方位地展示施工现场。

这样就制作完成了基坑挖运的施工模拟。最后，用Navisworks中的presenter渲染功能对场景进行渲染，再以AVI格式导出即可得到施工模拟的4D动画了。另外，导出动画的时候用presenter导出可以使动画的效果更具有真实感。

2.4.3基于BIM施工仿真模拟的优势

1）首先，三维可视化功能再加上时间维度，可以进行包括基坑工程在内任意施工形式的施工模拟。同时有效的协同工作，打破基坑设计、施工和监测之间的传统隔阂，实现多方无障碍的信息共享，让不同的团队可以共同工作，通过添加时间轴的4D变形动画可以准确判断基坑的变形趋势，让工程施工阶段的任意人群如施工方、 监理方、甚至非工程行业出身的业主及领导都能掌握 基坑工程实施的形式以及运作方式。

通过输入实际施工计划与计划施工计划，可以直观快速地将施工计划与实际进展进行对比。这样将BIM技术与施工方案、施工模拟和现场视频监测相结合，减少建筑质量问题、安全问题。并且通过三维可视化沟通加强管理团队对成本、进度计划及质量的直观控制，提高工作效率，降低差错率，减少现场返工，节约投资，并给使用者带来新增价值。

　　图4 施工模拟动画展示（阶段1）

　　图5 Presenter渲染后的施工动画

2）通过在Animation中对施工车辆工作时间、工作方式的设计，克服了以往做Navisworks动画的时候施工项目与施工机械相隔离的缺点，使Animation不仅仅停留在动画设计的功能上，更能用来分析施工现场，提供工作效率等，这样就能使案例中基坑挖运的整个过程更加具有可读性和真实性。

3）同时，这一技术或平台在教学中也能体现优势，既能以案例教学的方法安排教学内容，又能借助BIM完整性以及可视化等特点配合案例教学中各部分的内容，将传统教学内容中零散的知识以项目全寿命周期为主线形成系统完整的教学安排，提高学生对建筑空间关系的认识，达到综合运用相关知识的能力。而且利用BIM，不仅生动形象，可互操作，提高课堂教学的效率，而且BIM提供的虚拟平台使学生能自主完成课程实践内容，提高学生动手能力，真正将理论和实践联系起来。

3.结语

如今的大部分施工模拟中，由于工期相对而言较短，模拟难度较大，因此基坑挖运通常是被制作者忽视的环节。但是在整个建筑施工过程中，基坑挖运的确是不可或缺的重要部分，在本案例建立Revit模型时，也可以添加进防沙板、活动屋等等场地构件，或者应用Civil3D对场地进行更加细致的处理，这样还会使场地模型更加真实。

另外，用Navisworks进行动画制作时，可以用统筹学的知识对施工车辆调度进行优化，甚至可以运用实际参数，运用相关理论计算施工车辆工作路线，制定细化到每一台卡车与挖掘机的工作安排，进而可以进一步提高工作效率，体现了BIM信息一致化的特点，使项目更具有可靠性和可研究性。因此，做好基坑挖运的施工模拟，能更好地模拟出整个施工过程，使施工模拟更加完整真实，这也就是本项目的最大价值所在。

作者丨辽宁省大连市大连理工大学祁兵

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