徐 云 羅 兵

上海寶冶集團(tuán)有限公司 上海 201900

4D施工模擬技術(shù)采用三維模型與一維時(shí)間相結(jié)合的手段，創(chuàng)建可視化模擬施工的效果，達(dá)到改善項(xiàng)目組織間溝通協(xié)調(diào)的目的[1]。在4D模型中，項(xiàng)目的時(shí)空聯(lián)系十分緊密，這兩大因素的關(guān)系在工程實(shí)施中相互依存。4D模擬可應(yīng)用在建筑工程的不同階段，如分析設(shè)計(jì)、可實(shí)施性、施工規(guī)劃及檢測(cè)環(huán)節(jié)[2-3]。工程中，三維模型與一維時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)性的集成始終是建筑行業(yè)人員研究與關(guān)注的方向，并在很多大型工程項(xiàng)目中推廣應(yīng)用且取得了一定成效。上海迪士尼項(xiàng)目4D施工模擬的應(yīng)用數(shù)據(jù)表明：工程時(shí)間可節(jié)省10%～11%，工程成本可節(jié)省3%～4%。4D施工模擬技術(shù)可支持空間沖突分析、路徑分析、施工質(zhì)量檢查和危害源識(shí)別。

1 研究背景

科威特醫(yī)保醫(yī)院項(xiàng)目是集設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建造及運(yùn)營(yíng)維護(hù)（EPC＋O）為一體的EPC項(xiàng)目，由Ahmadi和Jahra這2個(gè)規(guī)模大體相同的醫(yī)院組成，每個(gè)醫(yī)院包括1棟擁有300張住院病床的主樓、門診部、急診病房，擁有547個(gè)停車位的停車樓設(shè)施及外部工程，包括2個(gè)地點(diǎn)醫(yī)院的所有公共事業(yè)設(shè)備。其中，Ahmadi醫(yī)院占地3.6萬(wàn) m2，Jahra醫(yī)院占地5萬(wàn) m2。每座醫(yī)院主樓為地上5層、地下1層，建筑面積86 984 m2；停車樓地上5層，建筑面積19 892 m2。2座醫(yī)院主體建筑完全相同，布局因場(chǎng)地條件不同而異。

本文以科威特醫(yī)保醫(yī)院項(xiàng)目為工程背景，從4D模型的建立及4D模擬分析在工程實(shí)體中的應(yīng)用等方面考慮，依托集成化Synchro軟件平臺(tái)，進(jìn)行4D仿真可視化模擬，完成項(xiàng)目關(guān)鍵路徑和活動(dòng)的監(jiān)控和可視化查詢，降低傳統(tǒng)項(xiàng)目管理中組織的溝通協(xié)調(diào)冗長(zhǎng)，減少施工時(shí)間、降低施工成本和提高施工質(zhì)量等管理的效率，完善施工規(guī)劃。同時(shí)根據(jù)4D施工可視化模擬技術(shù)在工程上的成果進(jìn)行技術(shù)方面的發(fā)展研究，在4D的基礎(chǔ)上加上資源與費(fèi)用進(jìn)行了工程項(xiàng)目5D仿真模擬。

隨著社會(huì)對(duì)建筑要求的不斷提高，建筑工程項(xiàng)目的復(fù)雜程度也大幅度提高，尤其是EPC項(xiàng)目?？仆蒯t(yī)保醫(yī)院EPC項(xiàng)目在執(zhí)行過程中采用“邊設(shè)計(jì)、邊施工”的加速推進(jìn)項(xiàng)目實(shí)體的建立管理模式，這對(duì)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的管理要求大大提高，如何在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到復(fù)雜工程的高標(biāo)準(zhǔn)要求是值得思考的，施工可視化模擬技術(shù)在一定程度上協(xié)助了項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)去執(zhí)行復(fù)雜的工程項(xiàng)目。

2 施工模擬

2.1 仿真模型建立

1）利用Autodesk Revit將2D施工圖紙轉(zhuǎn)換為3D模型：將Auto-CAD中的平面圖紙導(dǎo)入到三維建模軟件Autodesk Revit中進(jìn)行相關(guān)構(gòu)件的制作，完成建筑3D模型。

2）利用Autodesk Navisworks將所需的3D模型進(jìn)行抽?。簭腁utodesk Revit中導(dǎo)dwf.格式文件，并將該文件導(dǎo)入Autodesk Navisworks進(jìn)行模型處理，抽取出計(jì)劃中作業(yè)對(duì)應(yīng)的模型文件，并依次導(dǎo)入4D軟件Synchro軟件中。

3）利用Primavera P6軟件進(jìn)行計(jì)劃編制：根據(jù)項(xiàng)目參考文件、圖紙、工程量清單、施工方案等進(jìn)行施工計(jì)劃的制作，并從Primavera P6中導(dǎo)出xml.格式的文件，導(dǎo)入到4D軟件Synchro軟件中。

4）利用Synchro軟件進(jìn)行計(jì)劃與模型搭建關(guān)系：將3D模型抽取出的構(gòu)件分別分配到對(duì)應(yīng)的計(jì)劃作業(yè)上，并按施工方案的順序定義相關(guān)構(gòu)件可視化的先后關(guān)系，完成4D仿真模型的建立。同時(shí)在對(duì)應(yīng)的構(gòu)件上增加綜合費(fèi)用，形成5D仿真模型。

2.2 4D數(shù)值仿真

4D技術(shù)的研究和應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛重視，是未來工程招投標(biāo)、設(shè)計(jì)和施工管理必需的輔助工具[4]。金大鵬等[5]針對(duì)機(jī)房的管線綜合排布，通過4D可視化技術(shù)研究綜合支吊架系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)管線排布方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了模型漫游，使觀感質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。以可視化模擬分析后的4D模型和施工進(jìn)度計(jì)劃為依據(jù)進(jìn)行群塔作業(yè)組織和安排，能夠清楚地知道每一個(gè)環(huán)節(jié)的工作時(shí)間和內(nèi)容，從而合理安排施工人員及機(jī)械的施工時(shí)間[6]。4D數(shù)值仿真對(duì)項(xiàng)目管理的影響與作用逐漸在工程領(lǐng)域受到重視?？仆蒯t(yī)保醫(yī)院EPC項(xiàng)目同樣用到了4D技術(shù)，其醫(yī)院主樓結(jié)構(gòu)進(jìn)度計(jì)劃，如圖1所示。結(jié)構(gòu)三維模型，如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)進(jìn)度計(jì)劃

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型

通過2.1仿真模型建立步驟對(duì)科威特醫(yī)保醫(yī)院項(xiàng)目工程實(shí)體的一個(gè)區(qū)域進(jìn)行了4D數(shù)值仿真模擬，其仿真模型，如圖3所示。施工現(xiàn)場(chǎng)形象進(jìn)度，如圖4所示。

圖3 4D數(shù)值仿真模型

圖4 施工現(xiàn)場(chǎng)形象進(jìn)度

4D施工可視化模擬的結(jié)果表明：

1）改善了項(xiàng)目參與者對(duì)項(xiàng)目的理解，提高了工程師和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)的把控。

2）直觀地將計(jì)劃中施工作業(yè)的邏輯關(guān)系表現(xiàn)出來，保證了工程推進(jìn)的計(jì)劃性與有效性。

3）在工程量相似的不同區(qū)域、相同的作業(yè)班組和機(jī)械條件下，采用施工模擬技術(shù)的效果明顯，相比傳統(tǒng)施工方法，能節(jié)省工期、節(jié)約成本，減少現(xiàn)場(chǎng)返工現(xiàn)象。

通過項(xiàng)目執(zhí)行前的計(jì)劃安排，協(xié)調(diào)實(shí)體施工先后的邏輯關(guān)系，并將實(shí)施邏輯關(guān)系用三維模型生長(zhǎng)的方式展示，不僅可以讓項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)對(duì)工程情況了解更加清楚，而且在生產(chǎn)過程中工作也將更加有序，可避免不必要的返工。

施工可視化模擬技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用所帶來的價(jià)值并不是非常明顯，因?yàn)閱蝹€(gè)專業(yè)（結(jié)構(gòu)）的幾類構(gòu)件空間上的協(xié)調(diào)并不困難，但是在異常復(fù)雜的工程中，由于專業(yè)內(nèi)子專業(yè)的施工穿插、專業(yè)與專業(yè)間施工穿插、實(shí)體的工作交接錯(cuò)綜復(fù)雜的項(xiàng)目等，該技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值就會(huì)表現(xiàn)明顯。

2.3 5D數(shù)值仿真

基于BIM技術(shù)的懸臂施工連續(xù)橋梁5D施工管理能夠?qū)崿F(xiàn)施工管理由靜態(tài)、粗放向動(dòng)態(tài)、精益的轉(zhuǎn)變，提升建筑施工企業(yè)的生產(chǎn)效率，節(jié)省工期、節(jié)約成本[7]。將BIM 5D技術(shù)與傳統(tǒng)成本控制中的掙值法理論結(jié)合，研究出新的基于BIM 5D的成本動(dòng)態(tài)控制法[8]。

基于BIM 5D技術(shù)實(shí)施局部區(qū)域的成本精細(xì)管理，針對(duì)合同價(jià)、目標(biāo)成本、實(shí)際成本，輸出周、月、年對(duì)比曲線，有效地促進(jìn)成本精細(xì)化管理[9]?；贐IM 5D施工模型的歷史建筑修復(fù)施工模擬，不僅能優(yōu)化修復(fù)方式、提高工程效率，還可動(dòng)態(tài)追蹤項(xiàng)目進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的精準(zhǔn)管控，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益[10]。5D數(shù)值仿真技術(shù)提供了集信息協(xié)同及交互為一體的施工可視化模擬管理，提高了項(xiàng)目管理效率。工程前期的5D策劃非常重要，可為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行工程實(shí)施提供一定的參考，從而提升工程項(xiàng)目的執(zhí)行效率，避免機(jī)電管線實(shí)施碰撞的返工，造成成本浪費(fèi)。機(jī)電各子專業(yè)的施工穿插相比結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穿插施工要復(fù)雜得多，因?yàn)闄C(jī)電涉及暖通、給排水、消防、強(qiáng)弱電及特殊系統(tǒng)專業(yè)工程，機(jī)電各子專業(yè)之間綜合協(xié)調(diào)的施工管理難度大且費(fèi)用高，所以進(jìn)行有效的時(shí)間、成本及資源的監(jiān)控是有必要的。

科威特醫(yī)保醫(yī)院EPC項(xiàng)目機(jī)管線不同于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)體系，就地下室機(jī)電管線而言，因其體量大、系統(tǒng)多、空間小、造價(jià)高等特點(diǎn)，錯(cuò)綜復(fù)雜的機(jī)電管線的關(guān)系導(dǎo)致地下室機(jī)電管線必須做到先后有序?qū)嵤┑母咝Ч芾?，這對(duì)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。地下室機(jī)電管線三維模型，如圖5所示。在2.1章節(jié)中4D數(shù)值仿真模型建立的流程基礎(chǔ)之上選取地下室一個(gè)區(qū)域進(jìn)行5D數(shù)值仿真模擬，通過在一個(gè)區(qū)域的機(jī)電管線的進(jìn)度計(jì)劃上增加對(duì)應(yīng)作業(yè)機(jī)電管線預(yù)算成本費(fèi)用，就形成了機(jī)電該區(qū)域各專業(yè)管線5D施工可視化模擬。機(jī)電管線5D施工可視化模擬，如圖6所示。

圖5 地下室機(jī)電管線三維模型

圖6 機(jī)電管線5D施工可視化模擬

通過對(duì)地下室機(jī)電管線的5D施工可視化模擬對(duì)項(xiàng)目執(zhí)行指導(dǎo)的成果表明：

1）項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)利用工程的5D數(shù)值仿真效果對(duì)工程實(shí)施的安排、工期及費(fèi)用控制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，并在實(shí)體實(shí)施執(zhí)行過程中進(jìn)行了借鑒，效果明顯。

2）不定期對(duì)5D數(shù)值仿真的模型進(jìn)行更新，不僅能動(dòng)態(tài)地監(jiān)控工程實(shí)體進(jìn)展，并且對(duì)工期的偏差、費(fèi)用的偏差進(jìn)行定量分析，給項(xiàng)目管理層提供進(jìn)一步?jīng)Q策的作用。

除了機(jī)電工程各個(gè)子專業(yè)管線的進(jìn)行5D施工可視化模擬技術(shù)的應(yīng)用之外，也可以去解決工程實(shí)體在實(shí)施中專業(yè)間穿插、專業(yè)與專業(yè)間穿插、區(qū)域與區(qū)域間穿插及單體與單體間執(zhí)行先后錯(cuò)綜復(fù)雜的協(xié)調(diào)問題。

5D技術(shù)隨建筑行業(yè)中項(xiàng)目復(fù)雜程度的提高漸漸出現(xiàn)并逐步推廣應(yīng)用，與此同時(shí)，對(duì)這方面有研究的人員已將5D發(fā)展到6D，即在5D的基準(zhǔn)之上加上項(xiàng)目文件資料及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可視化施工模擬集成管理。同時(shí)，對(duì)項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)的綜合能力要求逐步提高，并且推動(dòng)著建筑行業(yè)的項(xiàng)目管理水平提升。

3 結(jié)語(yǔ)

通過施工模擬可視化模擬技術(shù)在科威特醫(yī)保醫(yī)院EPC項(xiàng)目上的應(yīng)用與研究，得出以下結(jié)論：

1）在該技術(shù)應(yīng)用的過程中發(fā)現(xiàn)，前期模型的處理與計(jì)劃的編制需要消耗大量的時(shí)間，但是在工程實(shí)施時(shí)會(huì)減少干系人之間冗長(zhǎng)的溝通所帶來的拖期風(fēng)險(xiǎn)。

2）經(jīng)過實(shí)踐證明：可視化施工模擬技術(shù)提高了計(jì)劃對(duì)工程施工指導(dǎo)的水平，能節(jié)省一定的時(shí)間與費(fèi)用。

3）利用4D可視化施工模擬，可以增強(qiáng)施工工藝邏輯與方案邏輯關(guān)系的理解效果，提高了工程管理人員對(duì)工程實(shí)施的認(rèn)識(shí)和遠(yuǎn)程監(jiān)控的能力，加快了工程實(shí)施的進(jìn)度，節(jié)約了人工成本。

4）在該技術(shù)的工程應(yīng)用帶來良好效益的同時(shí)，對(duì)其開發(fā)與研究，并進(jìn)一步加深4D的應(yīng)用（如5D，在4D的基礎(chǔ)之上加上費(fèi)用的概念），對(duì)相關(guān)工作人員的綜合能力有較高的要求，因此可以通過適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)與交流提升工程管理人員的整體水平。

5）施工可視化技術(shù)隨著社會(huì)的進(jìn)步、工程需求的提高在逐步發(fā)展（如6D技術(shù)），該技術(shù)的應(yīng)用會(huì)因項(xiàng)目實(shí)踐產(chǎn)生的優(yōu)良效益被人所接受并推廣。