來源丨建筑設(shè)計(jì)管理

作者丨祁兵 遼寧省大連市大連理工大學(xué)

摘要：簡要介紹BIM軟件的概念,，闡述基于BIM的施工模擬的理論來源以及優(yōu)勢,，解析設(shè)計(jì)施工過程模擬動畫的具體步驟，研究 基于BIM所包含的軟件,，并結(jié)合基坑挖運(yùn)施工的特點(diǎn),，結(jié)合具體施工案例制作基坑挖運(yùn)的仿真模擬。

BIM是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立,，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息,。它具有可視化、協(xié)調(diào)性,、模擬性,、優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)。

首先,，BIM軟件要解決的是實(shí)現(xiàn)對于BIM中information（信息）的傳遞性,，如果對于信息不存在傳遞作用，這個(gè)軟件基本可以排除在BIM之外,；其次,，BIM軟件要以BIM理論為基礎(chǔ)，用軟件的方式體現(xiàn)BIM中建筑相關(guān)信息的定義,、利用與管理,。利用這一技術(shù)或平臺，設(shè)計(jì)階段能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享和協(xié)同設(shè)計(jì),，在施工階段,，BIM可以與進(jìn)度計(jì)劃鏈接形成4D施工模型，可以加入現(xiàn)場臨時(shí)設(shè)施形成施工現(xiàn)場綜合管理模型輔助施工決策與現(xiàn)場管理,，提高溝通效率,。

以案例為基礎(chǔ)使用Autodesk Revit，Tekla等平臺軟件建立各階段的BIM模型,，如樁基礎(chǔ)工程,，混凝土工程，結(jié)構(gòu)安裝工程等,，并在此基礎(chǔ)上配合使用Autodesk Navisworks Manage軟件,，將靜態(tài)的2D模型3D動態(tài)化以及4D化。如本案例即基坑挖運(yùn)中,，不僅考慮到基坑的長寬以及深度,，更結(jié)合了基坑的具體地理坐標(biāo)，還包括了具體施工過程中的各種細(xì)節(jié),。例如挖掘機(jī)之間,，挖掘機(jī)與卡車之間、卡車與卡車之間的協(xié)調(diào)工作,，施工車輛的調(diào)度,、土方挖運(yùn)的先后順序等等施工環(huán)節(jié)。與真實(shí)施工過程緊密聯(lián)系,，將項(xiàng)目中復(fù)雜的 空間立體關(guān)系通過3D動態(tài)可視化技術(shù)形象地展現(xiàn),；接著將不同的進(jìn)度計(jì)劃與模型鏈接成4D施工模型，展示不同的進(jìn)度安排；隨后還將根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境布置臨時(shí)設(shè)施,，形成三維綜合施工現(xiàn)場模型,。

1.基于BIM的施工仿真分析理論來源以及研究方法

BIM軟件主要分成三個(gè)部分：數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)層以及項(xiàng)目管理應(yīng)用,。

本研究主要涉及BIM中的三項(xiàng)內(nèi)容,，即數(shù)據(jù)源，主要是將BIM所需的信息從各種類型的工程文檔資料中提取出來,；數(shù)據(jù)層主要是對BIM中的I（information）進(jìn)行管理,，包括信息產(chǎn)生，交換等內(nèi)容,；項(xiàng)目管理應(yīng)用是指對BIM中的M（model）進(jìn)行管理,，使之能夠服務(wù)于實(shí)際施工，對項(xiàng)目的進(jìn)度管理等提供指導(dǎo),。

在本案例中主要應(yīng)用到的BIM軟件有Autodesk Revit,，Navisworks，或者3DSMax,，還需要Microsoftproject等輔助軟件,。

其中Revit負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)源，即設(shè)計(jì)施工現(xiàn)場的環(huán)境,，建立模型并輸出文件,。之后繼續(xù)用Revit對施工中的具體參數(shù)進(jìn)行儲存，同時(shí)應(yīng)用Microsoftproject等工程管理軟件對施工進(jìn)度安排進(jìn)行編輯,，提供數(shù)據(jù)層支持,，建立WBS與Microsoftproject的雙向鏈接；通過模型,，對施工進(jìn)度進(jìn)行查詢,，調(diào)整和控制。最后用Navisworks進(jìn)行項(xiàng)目管理應(yīng)用,，將Revit的輸出文件制作成施工過程4D動畫,。

圖1 仿真過程需要考慮的因素的樹狀圖

2.施工仿真步驟

2.1 確定制作施工模擬的步驟

1）前期數(shù)據(jù)收集以及編制施工進(jìn)度；

2）建立Revit場地模型,；

3）設(shè)計(jì)施工機(jī)械模型,；

4）完成4D施工模擬制作。

2.2前期數(shù)據(jù)收集以及編輯施工進(jìn)度

本案例施工任務(wù)是挖出一個(gè)長60m,、寬20m,、深度為5.5m的用作地下車庫坑的基坑,，施工時(shí)將分成4塊區(qū)域分別由四臺挖掘機(jī)進(jìn)行開挖,。

1）前期所要收集的數(shù)據(jù)包括通過全站儀或者GPS測量出的場地地理坐標(biāo)以及長方形基坑四周的高程點(diǎn)坐標(biāo),。

2）接下來要制定施工方案，見表1,。

表1 施工進(jìn)度安排表（括號內(nèi)數(shù)字表示標(biāo)高）

2.3 建立場地模型

1）通過全站儀或者GPS測量出的場地高程點(diǎn)坐標(biāo)文件存為txt格式,，之后將其導(dǎo)入Revit當(dāng)中去，利用Revit中的場地選項(xiàng)建立場地表面模型,。

2）通過測量的坐標(biāo)確定出基坑的位置并在二維平面圖上標(biāo)出,，用建筑地坪命令創(chuàng)建出一個(gè)基坑模型，基坑模型效果如圖2所示,。

圖2 生成基坑模型

3）通過Revit中的體量功能,，創(chuàng)建各種施工車輛的模型，也可以到網(wǎng)絡(luò)族庫中下載得到,。

挖掘機(jī)構(gòu)件較復(fù)雜,，可由CAD或Inventor制作之后以DWG文件格式導(dǎo)入到Revit中進(jìn)行應(yīng)用。同時(shí),，這些族文件需要通過場地構(gòu)件的方式 導(dǎo)入Revit,，否則這些施工車輛模型會產(chǎn)生不能與場地貼合的問題。

4）建立土方模型,。為了便于用Navisworks進(jìn)行施工模擬,，基坑內(nèi)土方模型可以用樓板來建立，或者用內(nèi)建模型,，只需要將樓板（或體量）的材質(zhì)調(diào)為土層即可,。由實(shí)際土方挖運(yùn)的順序逆向建立土方模型，即從第六層開始,，按照標(biāo)高的順序,，填滿每一層一直到第一層，在第一層的土方不要鋪滿,，要隨地面地面坡度適量增減,，最后使用樓板創(chuàng)建的土方量等于實(shí)際所挖土方量相等即可，這樣可以表現(xiàn)出地形的高低變化趨勢從而模擬場地的原始狀態(tài),。在本案例中,，兼顧工作量和仿真的真實(shí)性，即用若干塊長度為7.5m寬度為2.5m厚度為1.1m的樓板塊（土方）填滿基坑,。

同時(shí),，在創(chuàng)建土方模型期間，要對每塊土方進(jìn)行命名,，命名時(shí)要考慮到的因素有：所在的工作區(qū)域,，所在的層數(shù)，以及挖運(yùn)的順序,。如圖3中藍(lán)色土方為4-1-1號土方即表示4號挖土機(jī)所工作的4區(qū)域的第1層挖運(yùn)工作中的第一塊土方,。這樣的命名工作可以使以后的Navisworks動畫模擬處理起來更加方便快捷,。

圖3 填充土方，完成基坑模型

2.4施工模擬動畫的制作

2.4.1Timeliner處理

施工過程可視化模擬可以日,、周,、月為時(shí)間單位，按不同的時(shí)間間隔對施工進(jìn)度進(jìn)行正序模擬,，形象地反映施工計(jì)劃和實(shí)際進(jìn)度,。首先用Microsoftproject建立較為具體的土方挖運(yùn)工作進(jìn)度安排表，工作進(jìn)度安排表需要細(xì)化到每一塊土方,，即每一塊土方都要建立與自身相對應(yīng)的任務(wù),，由于土方挖運(yùn)的工期較短，所以每一塊土方挖除的開始和結(jié)束時(shí)間都要精確到小時(shí),。并且土方的任務(wù)類型都是“拆除”,。再通過Navisworks中的數(shù)據(jù)源選項(xiàng)將其導(dǎo)入到Navisworks中的Timeliner。

2.4.2Animation設(shè)計(jì)

在Animation中創(chuàng)建動畫,，先后捕捉挖掘機(jī),、卡車等場地構(gòu)件，用旋轉(zhuǎn),、平移等命令,，模擬出施工車輛工作的動畫。制作Animaton的過程中需要統(tǒng)籌施工車輛調(diào)度,，即如果卡車數(shù)量太少,，挖掘機(jī)挖出的土方裝滿卡車以后，卡車要有一個(gè)運(yùn)出土方的過程,，沒有另外的卡車及時(shí)補(bǔ)上的話,，勢必會造成挖掘機(jī)停工的現(xiàn)象，降低了工作效率,。

由此可以設(shè)計(jì)出優(yōu)化方案,，即挖掘機(jī)挖土運(yùn)送到卡車上，卡車裝滿之后將土方運(yùn)走,，另一輛卡車在前一輛卡車運(yùn)土之前及時(shí)補(bǔ)上,，同時(shí)還要注意避免運(yùn)送土方的卡車數(shù)量過多造成施工道路擁擠的情況。通過這樣的分析得出的車輛優(yōu)化工作方案可以避免挖掘機(jī)暫時(shí)停工的現(xiàn)象,，提高施工效率,。設(shè)計(jì)動畫的過程中要調(diào)度好各類車輛，在Animation中安排好時(shí)間分配,，以實(shí)現(xiàn)效率的最大化,。除此以外也可以制作視點(diǎn)動畫以及漫游動畫，后期處理時(shí)與施工車輛調(diào)度動畫一起添加到Timeliner中,，使制作出來的動畫更具立體感,、畫面感與層次感,，并且可以全方位地展示施工現(xiàn)場。

這樣就制作完成了基坑挖運(yùn)的施工模擬,。最后,，用Navisworks中的presenter渲染功能對場景進(jìn)行渲染,，再以AVI格式導(dǎo)出即可得到施工模擬的4D動畫了,。另外，導(dǎo)出動畫的時(shí)候用presenter導(dǎo)出可以使動畫的效果更具有真實(shí)感,。

2.4.3基于BIM施工仿真模擬的優(yōu)勢

1）首先,，三維可視化功能再加上時(shí)間維度，可以進(jìn)行包括基坑工程在內(nèi)任意施工形式的施工模擬,。同時(shí)有效的協(xié)同工作,，打破基坑設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測之間的傳統(tǒng)隔閡,，實(shí)現(xiàn)多方無障礙的信息共享,，讓不同的團(tuán)隊(duì)可以共同工作，通過添加時(shí)間軸的4D變形動畫可以準(zhǔn)確判斷基坑的變形趨勢,，讓工程施工階段的任意人群如施工方,、 監(jiān)理方、甚至非工程行業(yè)出身的業(yè)主及領(lǐng)導(dǎo)都能掌握 基坑工程實(shí)施的形式以及運(yùn)作方式,。

通過輸入實(shí)際施工計(jì)劃與計(jì)劃施工計(jì)劃,，可以直觀快速地將施工計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)展進(jìn)行對比。這樣將BIM技術(shù)與施工方案,、施工模擬和現(xiàn)場視頻監(jiān)測相結(jié)合,，減少建筑質(zhì)量問題、安全問題,。并且通過三維可視化溝通加強(qiáng)管理團(tuán)隊(duì)對成本,、進(jìn)度計(jì)劃及質(zhì)量的直觀控制，提高工作效率,，降低差錯率,，減少現(xiàn)場返工，節(jié)約投資,，并給使用者帶來新增價(jià)值,。

圖4 施工模擬動畫展示（階段1）

圖5 Presenter渲染后的施工動畫

2）通過在Animation中對施工車輛工作時(shí)間、工作方式的設(shè)計(jì),，克服了以往做Navisworks動畫的時(shí)候施工項(xiàng)目與施工機(jī)械相隔離的缺點(diǎn),，使Animation不僅僅停留在動畫設(shè)計(jì)的功能上，更能用來分析施工現(xiàn)場,，提供工作效率等,，這樣就能使案例中基坑挖運(yùn)的整個(gè)過程更加具有可讀性和真實(shí)性,。

3）同時(shí)，這一技術(shù)或平臺在教學(xué)中也能體現(xiàn)優(yōu)勢,，既能以案例教學(xué)的方法安排教學(xué)內(nèi)容,，又能借助BIM完整性以及可視化等特點(diǎn)配合案例教學(xué)中各部分的內(nèi)容，將傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中零散的知識以項(xiàng)目全壽命周期為主線形成系統(tǒng)完整的教學(xué)安排,，提高學(xué)生對建筑空間關(guān)系的認(rèn)識,，達(dá)到綜合運(yùn)用相關(guān)知識的能力。而且利用BIM,，不僅生動形象,，可互操作，提高課堂教學(xué)的效率,，而且BIM提供的虛擬平臺使學(xué)生能自主完成課程實(shí)踐內(nèi)容,，提高學(xué)生動手能力，真正將理論和實(shí)踐聯(lián)系起來,。

3.結(jié)語

如今的大部分施工模擬中,，由于工期相對而言較短，模擬難度較大,，因此基坑挖運(yùn)通常是被制作者忽視的環(huán)節(jié),。但是在整個(gè)建筑施工過程中，基坑挖運(yùn)的確是不可或缺的重要部分,，在本案例建立Revit模型時(shí),，也可以添加進(jìn)防沙板、活動屋等等場地構(gòu)件,，或者應(yīng)用Civil3D對場地進(jìn)行更加細(xì)致的處理,，這樣還會使場地模型更加真實(shí)。

另外,，用Navisworks進(jìn)行動畫制作時(shí),，可以用統(tǒng)籌學(xué)的知識對施工車輛調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，甚至可以運(yùn)用實(shí)際參數(shù),，運(yùn)用相關(guān)理論計(jì)算施工車輛工作路線,，制定細(xì)化到每一臺卡車與挖掘機(jī)的工作安排，進(jìn)而可以進(jìn)一步提高工作效率,，體現(xiàn)了BIM信息一致化的特點(diǎn),，使項(xiàng)目更具有可靠性和可研究性。因此,，做好基坑挖運(yùn)的施工模擬,，能更好地模擬出整個(gè)施工過程，使施工模擬更加完整真實(shí),，這也就是本項(xiàng)目的最大價(jià)值所在,。