陶玉波　藺志剛　董甲甲

摘要：為了實(shí)現(xiàn)水利工程建設(shè)進(jìn)度計(jì)劃的優(yōu)化和實(shí)際進(jìn)度的實(shí)時(shí)感知與控制，采用基于BIM的4D進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)可以有效解決施工過(guò)程中的“信息孤島”現(xiàn)象，給施工管理提供新的視角。該系統(tǒng)將采集到的BIM信息放入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)人機(jī)交互即點(diǎn)即顯的方式展示出來(lái);利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的計(jì)劃進(jìn)度和現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)際進(jìn)度驅(qū)動(dòng)數(shù)字化模型，用不同的顏色表示計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度偏差的對(duì)比，通過(guò)異常記錄分析和仿真計(jì)算，采取趕工措施，確保進(jìn)度目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：4D進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng);虛擬建造;進(jìn)度采集;進(jìn)度優(yōu)化;水利工程施工

中圖分類號(hào)：TV512;TU17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.028

1 4D BIM進(jìn)度監(jiān)控技術(shù)發(fā)展

通過(guò)使用新的技術(shù)以及與新興技術(shù)配套的生產(chǎn)流程，航空航天、汽車、電子等制造業(yè)在過(guò)去幾十年中不斷提升自己的生產(chǎn)效率，到現(xiàn)在已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，這也迫使建筑行業(yè)向其他行業(yè)學(xué)習(xí)新的技術(shù)和方法來(lái)提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量[1]。

隨著BIM（建筑信息模型）、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)的應(yīng)用，項(xiàng)目管理理論和技術(shù)有了新的發(fā)展支撐。在現(xiàn)有施工管理理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧施工的理念，充分融合BIM和4D技術(shù)，有效解決施工過(guò)程中的“信息孤島”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度計(jì)劃的優(yōu)化和施工實(shí)際進(jìn)度的實(shí)時(shí)感知與控制，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)度偏差并給予合理、可信的糾正，彌補(bǔ)現(xiàn)有進(jìn)度管理系統(tǒng)數(shù)字化程度不高、信息流轉(zhuǎn)不充分、更新周期長(zhǎng)、無(wú)法可視化等缺陷，達(dá)到對(duì)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)度管理優(yōu)化和促進(jìn)的目的[2]。

4D BIM概念源于建筑產(chǎn)品模型和施工過(guò)程模型的整合，將時(shí)間（進(jìn)度）維度插入到3D建筑信息模型上，形成4D模型[3]。該模型不僅包含3D模型的構(gòu)件參數(shù)，而且關(guān)聯(lián)著詳細(xì)的工程進(jìn)度數(shù)據(jù)。運(yùn)用4D BIM模型不僅可以模擬產(chǎn)品建造過(guò)程，而且具備過(guò)程分析功能，各參建單位之間可以進(jìn)行無(wú)損信息傳遞。通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控，可以顯著提高工程進(jìn)度管理的效率與效果，提升企業(yè)管理水平。

研究如何在三維模型基礎(chǔ)上關(guān)聯(lián)時(shí)間維度實(shí)現(xiàn)4D模擬是國(guó)外BIM技術(shù)在進(jìn)度管理應(yīng)用的重要方向。美國(guó)斯坦福大學(xué)整合設(shè)施工程中心（ CIFE）于1996年率先提出4D理論。在長(zhǎng)期不懈努力下，CIFE成功關(guān)聯(lián)了3D模型及工程進(jìn)度信息，使建造過(guò)程的可視化成為可能[4]。

我國(guó)對(duì)于4D模型和相關(guān)軟件的研究工作始于20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)張建平著手建造過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬、工程進(jìn)度控制和現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃三維可視化模擬。2004年，我國(guó)“十五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目將4D建模及應(yīng)用研究列為專題，4D建模研究成果在國(guó)家體育場(chǎng)項(xiàng)目中得到示范應(yīng)用，4D

項(xiàng)目管理的研究和推廣由此取得重大突破[5]。

2 基于達(dá)索系統(tǒng)的4D BIM技術(shù)方法研究

達(dá)索系統(tǒng)（ Dassault Systemes）是一家法國(guó)的軟件公司，致力于3D體驗(yàn)、為企業(yè)和人們的可持續(xù)創(chuàng)新提供一個(gè)虛擬世界，是世界領(lǐng)先的3D設(shè)計(jì)軟件、3D數(shù)字化實(shí)體模型和產(chǎn)品生命周期管理（ PLM）解決方案供應(yīng)商。達(dá)索系統(tǒng)有一系列的設(shè)計(jì)展示分析軟件，主要以CATIA和Solidworks Composer為基礎(chǔ)，配合兩個(gè)軟件的二次開發(fā)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。

系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)為Visual Studio.Net 2013，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（ Object Oriented Programming，OOP）方法，采用組件對(duì)象模型（ COM）、對(duì)象連接與嵌入（ OLE）等技術(shù)，利用CAⅡA和Solidworks Composer開放的應(yīng)用程序編程接口（ Application Programming In-terface，API），對(duì)兩者已有的功能進(jìn)行擴(kuò)展，更好地服務(wù)于項(xiàng)目需求，定制專有交互式菜單，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Mi-crosoft Sql Server2008。技術(shù)路線及系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。

2.1 4D模型要求

以CATIA軟件為載體，創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型，將項(xiàng)目按照整體工程、單位工程、分部分項(xiàng)工程、施工段、工序依次分解，按一定的進(jìn)尺劃分為進(jìn)度模型，工作分解結(jié)構(gòu)宜達(dá)到可支持制訂進(jìn)度計(jì)劃的詳細(xì)程度，并包括任務(wù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。這是4D進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)的第一步，也是最基礎(chǔ)的工作。劃分進(jìn)度模型采用自主二次開發(fā)的CATIA插件對(duì)CATIA模型進(jìn)行快速劃分.見(jiàn)圖3。

該工具二次開發(fā)思路如下：

（1）在CATIA中建立支洞軸線。

（2）按分段間距建立軸線上的點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)建立分割平面。主要用到下列語(yǔ)句：

PointOnCurve（i）=oHSF. AddNewPointOnCurve-FromDistance（Curve，h*i，F(xiàn)alse）

SplitPlane （i） = oHSF. AddNewPlaneNormal（ Curve， PointOnCurve（i））

其中：h表示系列點(diǎn)間距;Curve表示系列點(diǎn)所在的曲線;PointOnCurve（i）表示曲線上定義間距為hl的系列點(diǎn)：AddNewPointOnCurveFromDistance表示CATIA建立曲線上點(diǎn)的方法;SplitPlane（i）表示分割平面;AddNewPlaneNormal表示CATIA曲線的法線平面建立的方法。

（3）用步驟（2）建立的平面對(duì)三維模型（隧洞、斜井等）進(jìn)行分段。主要語(yǔ)句為：

HybridShapeSplit（i）= oHSF. AddNewHybridSplit（ OElement， SplitPlane（i）， dir）

其中：HybridShapeSplit（i）表示分段后的三維模型;AddNewHybridSplit表示CATIA分段的方法;OEle-ment表示需要分段的模型;dir表示分段的方向，保留左側(cè)或者右側(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

將CATIA 4D模型導(dǎo)人Solidworks Composer，Solidworks Composer作為達(dá)索系統(tǒng)的主要展示平臺(tái)，優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生變化時(shí)不必重新創(chuàng)建，可大大節(jié)約時(shí)間和節(jié)省返工成本，而且它能通過(guò)3D動(dòng)畫和創(chuàng)建交互產(chǎn)品文檔更好地傳達(dá)產(chǎn)品信息。4D BIM系統(tǒng)開發(fā)的主要工作是對(duì)Solidworks Composer插件和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行二次開發(fā)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)Solidworks Composer模型，其使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)，包括隱藏、顯示、修改顏色、創(chuàng)建剖切面、交互操作等所有的可視化方法、屬性或過(guò)程。

數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft Sql Server2008，以4D模型名稱作為主鍵建立數(shù)據(jù)庫(kù)，其他字段包括每一段4D模型名稱對(duì)應(yīng)的工作面、計(jì)劃開挖時(shí)間、實(shí)際開挖時(shí)間、計(jì)劃襯砌時(shí)間、實(shí)際襯砌時(shí)間、樁號(hào)、工程量、基準(zhǔn)樁號(hào)、開挖或襯砌方向等BIM信息。

2.3 實(shí)際進(jìn)度監(jiān)控技術(shù)

在錄入進(jìn)度時(shí)，首先選擇施工部位，然后選擇施工方向，填寫開始和結(jié)束日期，日期將平均分配到4D模型中。如圖4所示，例如從樁號(hào)K1+ 110到K1+ 180，施工方向?yàn)閺男短?hào)到大樁號(hào)，開挖起止日期為2016-08-10和2016-08-23.系統(tǒng)將這一時(shí)間段平均分配到K1+1lO-K1+ 180之間的模型，然后更改這些模型的顏色，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際進(jìn)度的輸入。主要關(guān)鍵技術(shù)如下。

（1）在數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇符合樁號(hào)的模型，根據(jù)輸入的樁號(hào)選擇模型名稱，用sql中的select語(yǔ)句即可得到模型名稱。

（2）將符合條件的模型賦予已開挖的顏色。

模型在程序上以字符串的形式出現(xiàn)，如：”

2.5 計(jì)劃進(jìn)度修改

計(jì)劃進(jìn)度修改模塊主要是在數(shù)據(jù)庫(kù)中修改4D模型名稱對(duì)應(yīng)的計(jì)劃開挖時(shí)間或計(jì)劃襯砌時(shí)間。以某豎井的開挖為例，假設(shè)其對(duì)應(yīng)的4D模型名稱為豎井一分段1、豎井一分段2、豎井一分段3、……、豎井一分段80，共80段，最新的進(jìn)度計(jì)劃為2017 -07 - 01-2017 - 12 -01，利用sql中的update語(yǔ)句將該段日期平均分配到這80段模型中，即可完成計(jì)劃進(jìn)度的修改。

3 工程應(yīng)用

蘭州市水源地工程將劉家峽水庫(kù)作為引水水源地，向蘭州市供水。工程包括取水口、輸水隧洞主洞、分水井、蘆家坪輸水支線、彭家坪輸水支線及其調(diào)流調(diào)壓站、蘆家坪水廠和彭家坪水廠等。由于要解決迫切的民生問(wèn)題，建設(shè)工期異常緊迫，設(shè)計(jì)常規(guī)工期為40個(gè)月，而實(shí)際要求工期為17個(gè)月，因此要求除了使用常規(guī)手段如增加工作面、改進(jìn)施工工藝等外，還要使用先進(jìn)的、信息化的管理手段實(shí)現(xiàn)進(jìn)度目標(biāo)。4D BIM進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)在蘭州水源地工程進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。系統(tǒng)主界面見(jiàn)圖5。該系統(tǒng)主要功能如下。

（1）計(jì)劃進(jìn)度變更模塊。只需要輸入或更改各工作面工藝的起止時(shí)間和工作面長(zhǎng)度即可對(duì)計(jì)劃進(jìn)度或設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，修改完成后程序自動(dòng)更新與計(jì)劃進(jìn)度有關(guān)內(nèi)容，包括虛擬建造、進(jìn)度偏差等，見(jiàn)圖6。

（2）實(shí)際進(jìn)度及異常記錄上傳模塊。該模塊主要功能是上傳每天各工作面的實(shí)際進(jìn)尺及施工異常情況，在模型上點(diǎn)擊某建筑物，可查看該建筑物所有歷史異常記錄，對(duì)后期的施工及工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到一定的指導(dǎo)作用，見(jiàn)圖7。

（3）整體滯后情況/進(jìn)度模擬。如圖8所示，點(diǎn)擊“開挖滯后面貌展示”或“襯砌滯后面貌展示”，可在模型區(qū)查看開挖或襯砌滯后情況，開挖襯砌和開挖襯砌滯后分別用不同顏色表示。除了在模型區(qū)用三維模型表示滯后情況外，還可以用柱狀圖表示，如圖9所示，縱坐標(biāo)值表示該工作面完成的百分比，每一柱體上的值代表該工作面已完成的開挖或襯砌方量?！斑M(jìn)度模擬”即虛擬建造，可將模型按照計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行模擬，從而實(shí)現(xiàn)施工中的事前控制和動(dòng)態(tài)管理。

（4）快捷菜單功能。點(diǎn)擊模型中任何工程部位都能彈出圖10所示快捷菜單，可查詢?cè)摻ㄖ锏倪M(jìn)度信息、質(zhì)量信息、安全信息、綜合狀態(tài)指數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)視頻和滯后工作面列表。

4 結(jié)語(yǔ)

基于BIM的4D進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)融合了BIM信息、進(jìn)度信息、進(jìn)度監(jiān)控等模塊，且采用個(gè)性化人機(jī)交互式，在蘭州市水源地建設(shè)工程得到成功應(yīng)用。4D進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所有信息的可追溯性，保證實(shí)際進(jìn)度信息錄入的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，加強(qiáng)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)度的可視化管理，為工程節(jié)約了時(shí)間成本。

（1）明確進(jìn)度節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，層層分解落實(shí)。在4D進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)年度進(jìn)度控制目標(biāo)進(jìn)行分解，分解到各個(gè)單位工程、分部工程及各節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，同時(shí)將各節(jié)點(diǎn)目標(biāo)分解到各班組作業(yè)隊(duì)。建立以項(xiàng)目經(jīng)理為責(zé)任主體，由項(xiàng)目生產(chǎn)副經(jīng)理、現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員、合同計(jì)劃人員、班組長(zhǎng)參加的項(xiàng)目進(jìn)度控制體系。年、季、月、旬、周施工進(jìn)度計(jì)劃逐級(jí)落實(shí)，最終通過(guò)施工任務(wù)書由班組作業(yè)隊(duì)實(shí)施。

（2）進(jìn)度比較分析與糾偏，形成進(jìn)度檢查報(bào)告。根據(jù)4D進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際進(jìn)度，與監(jiān)理單位批準(zhǔn)的年、季、月、周施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行比較，及時(shí)跟蹤計(jì)劃和分析計(jì)劃。主要檢查實(shí)際完成和累計(jì)完成工程量、進(jìn)度偏差情況、影響進(jìn)度的特殊原因及分析，跟蹤計(jì)劃的實(shí)施，當(dāng)發(fā)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃執(zhí)行受到干擾時(shí)，及時(shí)采取調(diào)度措施。

（3）BIM信息融人系統(tǒng)，更好控制工程質(zhì)量和安全。系統(tǒng)中除了進(jìn)度信息外，還包括質(zhì)量信息和安全信息。質(zhì)量信息是所有工作面的單元工程質(zhì)量評(píng)定表及優(yōu)良率和合格率，安全信息是該工作面分包商的安全度和安全保障能力，項(xiàng)目決策人員可以直觀地查看所有工作面的質(zhì)量信息和安全信息，更好地把控全局。

項(xiàng)目需求的不同.4D進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)的個(gè)性化要求往往不同，但是其原理都是圍繞著工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等展開的不同學(xué)科的交叉研究。除了實(shí)現(xiàn)上述功能外，還可以實(shí)現(xiàn)施工資源動(dòng)態(tài)管理、成本實(shí)時(shí)監(jiān)控等，給項(xiàng)目提供智能決策支持，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)日益發(fā)達(dá)的今天，基于BIM的4D進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)在工程項(xiàng)目管理中提供新的管理手段和方法，為工程帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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