■王金露 朱賢皓 艾四芽 鮑丹宇 許 坤 余潔歆 許 莉

（1.福州市城鄉(xiāng)建設(shè)局，福州 350000；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350108；3.福建省交通科技發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司，福州 350004；4.福建省二建建設(shè)集團(tuán)有限公司，福州 350003；5.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；6.福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福州 350108）

隨著我國(guó)許多大型工程的興起，傳統(tǒng)施工管理方式的弊端逐漸進(jìn)入工程設(shè)計(jì)師的視野，有部分學(xué)者研究了傳統(tǒng)施工的弊端，同時(shí)也有不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)了BIM-4D 的創(chuàng)新之處，目的在于解決我國(guó)現(xiàn)有工程中的難點(diǎn)問(wèn)題。 程立祥[1]表明施工作業(yè)的條件較復(fù)雜，不確定因素較多，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)施工中可能出現(xiàn)的情況；喬亞妮[2]總結(jié)出傳統(tǒng)施工管理需要大量的人工測(cè)量、誤差分析以及后期檢測(cè)，才能確保工程不會(huì)出現(xiàn)安全隱患；溫海燕[3]表示BIM-4D 能夠編制時(shí)間進(jìn)度表，將建設(shè)項(xiàng)目的施工工程通過(guò)三維模型表現(xiàn)出來(lái)，能夠提早模擬施工全過(guò)程，提前對(duì)施工進(jìn)行分析，并提供依據(jù)和參考，以便工程施工管理的控制和優(yōu)化，從而減少施工中埋藏的工程隱患。BIM-4D 技術(shù)具有簡(jiǎn)潔智能、直觀高效、能實(shí)現(xiàn)隱患排查以及實(shí)時(shí)施工模擬等優(yōu)點(diǎn)，能很大程度上解決傳統(tǒng)施工技術(shù)的弊端。知曉BIM-4D的優(yōu)點(diǎn)，擺明傳統(tǒng)施工技術(shù)的缺點(diǎn)，并了解如何利用BIM 破解這些問(wèn)題，才能更有效地利用BIM-4D 技術(shù)。

1 傳統(tǒng)施工管理的弊端與創(chuàng)新分析

目前，我國(guó)大多數(shù)的工程管理皆按照傳統(tǒng)的二維圖紙和已有的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工。 但隨著我國(guó)大型工程的興起，體量大、周期長(zhǎng)、工序多對(duì)傳統(tǒng)施工管理方法是巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)二維施工圖紙存在容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺漏，且立面圖、剖面圖不夠直觀等問(wèn)題[4]。當(dāng)工程體量加大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜時(shí)，傳統(tǒng)施工管理的缺陷便會(huì)體現(xiàn)出來(lái)：如果建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、管道等各個(gè)單位協(xié)調(diào)不充分，那么各個(gè)構(gòu)件和管線就會(huì)發(fā)生沖突和碰撞， 造成不必要的停工甚至返工，極大地影響施工的進(jìn)度，增大工程的投資損耗；在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系下，依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)施工設(shè)計(jì)的可行性、 控制優(yōu)化以及后期的事故進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，很有可能會(huì)由于思維慣性忽略一些重要因素，舍本逐末，更無(wú)法繼續(xù)開(kāi)展精確的定量分析[4]。

技術(shù)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)促進(jìn)了我國(guó)土木工程行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)持續(xù)發(fā)展，亟需改進(jìn)我國(guó)傳統(tǒng)的施工管理方式，順其本源，從其弊端上找到創(chuàng)新的突破口。 二維圖紙不直觀，則考慮是否能建立3D 模型甚至4D 模型，將信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型當(dāng)中，讓原本體量大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜的工程濃縮至簡(jiǎn)單直觀的模型，且各個(gè)單位皆可通過(guò)此模型進(jìn)行交流與分析，從而改善因二維圖紙的缺陷帶來(lái)的一系列問(wèn)題。 在施工質(zhì)量方面，由于慣性思維與已有經(jīng)驗(yàn)或許存在缺陷，可能會(huì)使設(shè)計(jì)方案中存在安全隱患，因此還欠缺一套可以檢測(cè)施工品質(zhì)的體系，考慮能否引入智能且自動(dòng)化的技術(shù)對(duì)一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行充分比對(duì)，模擬現(xiàn)場(chǎng)施工，對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)全面的監(jiān)測(cè)[5]，從而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。 從以上幾點(diǎn)出發(fā)，課題組想到近年來(lái)風(fēng)靡土木工程行業(yè)的BIM-4D 技術(shù)，若運(yùn)用得當(dāng)，能夠很好地解決傳統(tǒng)施工技術(shù)的缺陷問(wèn)題。

2 BIM-4D 模擬技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)手段

2.1 BIM-4D 模擬技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

BIM-4D 模擬技術(shù)是把設(shè)計(jì)階段創(chuàng)建的3D 模型加上時(shí)間的維度， 與施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行關(guān)聯(lián)，包含質(zhì)量、資源、安全、成本，按照各個(gè)單位的需求提前模擬現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)虛擬建造，使施工全過(guò)程能夠直觀地向人們展示[6]。BIM-4D 模擬技術(shù)除了能實(shí)現(xiàn)虛擬建造，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的可視化，還能結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境、施工進(jìn)度等對(duì)原先的施工管理方案進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)以及相應(yīng)的修改。 此功能需要時(shí)刻依賴BIM-4D 技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)，并實(shí)時(shí)采集施工數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)采集功能依靠先進(jìn)的技術(shù)手段，目前三維坐標(biāo)的采集有2 種方法：照相機(jī)測(cè)量技術(shù)和激光掃描技術(shù)[7]。BIM-4D 實(shí)現(xiàn)了施工進(jìn)度的監(jiān)測(cè)和成本的掌控，并在施工期間對(duì)先前的方案進(jìn)行更改。 利用完善的數(shù)據(jù)4D 模型，可以改進(jìn)施工交互，顯著改善返工和漏工問(wèn)題，使施工人員更好地理解施工操作過(guò)程，提高施工、運(yùn)營(yíng)管理效率，提前排查施工作業(yè)中埋藏的安全隱患。

針對(duì)傳統(tǒng)施工管理的缺點(diǎn)，BIM-4D 模擬技術(shù)可以高效地提供各個(gè)單位所需的所有數(shù)據(jù)信息，提高施工工程各方面的運(yùn)營(yíng)管理效率， 增強(qiáng)各個(gè)項(xiàng)目參與者的協(xié)調(diào)性，減小構(gòu)件、管線沖突與碰撞的可能性。 BIM-4D 模擬技術(shù)可自動(dòng)計(jì)算工程材料用量，為施工作業(yè)提供完善的設(shè)計(jì)方案，為工程計(jì)算提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)， 從而避免傳統(tǒng)施工管理中慣性思維和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的弊端，使施工設(shè)計(jì)的可行性提高，對(duì)后期事故的分析與預(yù)測(cè)也更加的精確周密。

2.2 BIM-4D 模擬技術(shù)的技術(shù)手段

由圖1 可知，4D 技術(shù)主要在平臺(tái)層、模型層、應(yīng)用層施展。 平臺(tái)層包含BIM 數(shù)據(jù)集成與管理平臺(tái)以及4D 可視化平臺(tái)。 BIM 數(shù)據(jù)集成平臺(tái)可以快速地對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、保存、提取、集成、驗(yàn)證構(gòu)件具有信息的數(shù)據(jù)模型[8]。 4D 可視化平臺(tái)提供了視圖變換、圖形控制、動(dòng)態(tài)漫游等功能，如圖2 所示，對(duì)后續(xù)施工過(guò)程、運(yùn)營(yíng)維護(hù)起到了至關(guān)重要的作用。

圖1 工程施工BIM 應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)

圖2 BIM-4D 實(shí)現(xiàn)漫游、二次裝修以及事故緊急預(yù)案展示

模型層是將平臺(tái)層所收集的信息分成若干子信息模型，包括：4D 施工優(yōu)化子信息模型、4D 施工管理子信息模型、4D 施工安全子信息模型、施工現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)空子信息模型、 項(xiàng)目綜合管理子信息模型[9]。 將數(shù)據(jù)模型分類后能提高BIM-4D 模型效率，使其更加智能化。

應(yīng)用層是基于模型層的應(yīng)用系統(tǒng)， 也是BIM-4D 技術(shù)在功能上展現(xiàn)的重要一環(huán)， 包括BIM-4D技術(shù)施工過(guò)程模擬與優(yōu)化、BIM-4D 施工進(jìn)度、資源、成本及場(chǎng)地動(dòng)態(tài)管理、BIM-4D 施工安全與沖突分析、設(shè)計(jì)與施工碰撞檢測(cè)、項(xiàng)目綜合管理等[8]。

各層環(huán)環(huán)相扣，構(gòu)成了BIM 工作的技術(shù)架構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了豐富的功能應(yīng)用。由于BIM-4D 擁有以上功能應(yīng)用，其相較于傳統(tǒng)施工管理能夠更智能地實(shí)現(xiàn)先模擬后建造的活動(dòng)[10]，可以提前分析出施工作業(yè)中的難點(diǎn)以及關(guān)鍵點(diǎn)，減少施工周期，降低施工成本。

3 BIM-4D 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用

3.1 工程概況

福州工業(yè)路某項(xiàng)目改造工程（圖3）為城市主干道，主路設(shè)計(jì)速度50 km/h，輔路設(shè)計(jì)速度40 km/h，改造起于K0+730，止于K1+500，改造長(zhǎng)度1.77 km，改造寬度40 m。 主路新建高架橋起于K0+730， 止于K0+230，長(zhǎng)度為500 m，標(biāo)準(zhǔn)寬度為18 m；主線新建高架橋起于K1+935， 止于K2+500 長(zhǎng)度為565 m，標(biāo)準(zhǔn)寬度為18 m；輔路為路面擴(kuò)寬改造。

圖3 福州工業(yè)路改造工程

其施工難點(diǎn)主要為：（1）地下二維管線綜合圖紛繁復(fù)雜，雖有部分剖面圖，能表現(xiàn)上下層關(guān)系，但大部分地方不夠直觀；（2）項(xiàng)目面臨人車(chē)流量大、地下管線復(fù)雜、施工操作工作面狹窄等問(wèn)題，如何制定合理、有效的交通導(dǎo)改方案；（3）工業(yè)路與楊橋中路頂管位置地下管線復(fù)雜、與地鐵盾構(gòu)區(qū)間距離較近，如何控制頂管安全施工；（4）施工任務(wù)重，工期緊張。

3.2 BIM-4D 模擬技術(shù)在應(yīng)用成果上的優(yōu)勢(shì)

3.2.1 搭建標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)彰顯簡(jiǎn)潔智能

工業(yè)路地下管線復(fù)雜，工程量大，針對(duì)此難點(diǎn)，BIM 在項(xiàng)目開(kāi)展前期，采集并集成工業(yè)路改造項(xiàng)目所需的主要族文件，并在項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中通過(guò)BIM 的照相機(jī)測(cè)量技術(shù)以及激光掃描技術(shù)逐步將數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)充，目前已經(jīng)完成項(xiàng)目部、地下管線、交通導(dǎo)改、頂管、新建橋梁部分族庫(kù)搭建，如圖4所示，族庫(kù)擁有100 余個(gè)族文件，滿足基本項(xiàng)目各階段應(yīng)用需求。 對(duì)于體量龐大的工程，其不同類型族庫(kù)的建立可以使數(shù)據(jù)充分保留，避免傳統(tǒng)施工中人為因素引起的缺失，并且在操作上也擺脫了普通圖紙與表格的束縛，使操作起來(lái)更加簡(jiǎn)潔，智能。

圖4 工業(yè)路部分?jǐn)?shù)據(jù)族庫(kù)

3.2.2 搭建虛擬模型彰顯直觀高效

工業(yè)路工程量大，圖紙紛繁復(fù)雜。 針對(duì)傳統(tǒng)二維圖紙不夠直觀的問(wèn)題， 施工方采用了BIM 技術(shù)。BIM 后期為不同作業(yè)搭建多個(gè)的虛擬模型將傳統(tǒng)二維圖紙上的圖形以3D 甚至是4D 的形式更加直觀地展示出來(lái)，如圖5 所示，將體量龐大的工程濃縮至一個(gè)信息模型上，從而讓施工單位能夠更充分地理解設(shè)計(jì)方案，提高了施工作業(yè)的效率。

圖5 工業(yè)路新建高架橋的虛擬模型

3.2.3 設(shè)計(jì)審查以及碰撞檢測(cè)實(shí)現(xiàn)隱患排查

工業(yè)路高架橋上部均為鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)和模型精度要求較高， 模型搭建完畢后，BIM 可對(duì)內(nèi)部細(xì)節(jié)進(jìn)行檢查，如圖6 所示，減少因設(shè)計(jì)工作不完善而導(dǎo)致的問(wèn)題，防止各類建設(shè)項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和成本環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題。 BIM-4D 技術(shù)將設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬，不僅可以對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行成本核算和模擬工作，減少設(shè)計(jì)師因慣性思維引起的設(shè)計(jì)失誤，還可以在時(shí)間維度上利用工程建設(shè)的視覺(jué)和動(dòng)態(tài)功能，高效地開(kāi)展工程設(shè)計(jì)工作。

圖6 設(shè)計(jì)審查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)Y8 墩柱模型上數(shù)據(jù)的差異問(wèn)題

工業(yè)路與楊橋中路頂管位置地下管線復(fù)雜、與地鐵盾構(gòu)區(qū)間距離較近， 確保施工安全極為重要，需及時(shí)檢測(cè)安全威脅，并實(shí)施相應(yīng)措施進(jìn)行防范。 在工業(yè)路改造工程中，因傳統(tǒng)施工無(wú)法精確、快速地監(jiān)測(cè)到安全隱患， 故采用了BIM 當(dāng)中的碰撞檢測(cè)功能，在實(shí)際施工前，檢測(cè)是否有構(gòu)件發(fā)生碰撞，如圖7 所示，預(yù)測(cè)施工作業(yè)中埋藏的安全隱患； 利用信息技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并與數(shù)據(jù)庫(kù)作比對(duì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題。利用BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在施工前就能預(yù)測(cè)安全隱患所在，并快速鏟除，降低了返工的概率，也確保了施工以及后期工程的安全， 避免了傳統(tǒng)施工的弊端。

圖7 污水管與樁基的碰撞檢測(cè)功能

3.2.4 施工模擬實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

工業(yè)路人車(chē)流量大，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工作業(yè)的進(jìn)度情況。 針對(duì)傳統(tǒng)施工無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工進(jìn)度的缺點(diǎn)，如圖8 所示，將BIM 與施工進(jìn)度結(jié)合，不但使施工單位可以及時(shí)監(jiān)測(cè)施工進(jìn)度，后續(xù)還能夠按照現(xiàn)實(shí)情況及時(shí)地進(jìn)行調(diào)控，這些創(chuàng)新是傳統(tǒng)施工所欠缺的。通過(guò)BIM 的模擬技術(shù)將多種施工管理方案進(jìn)行模擬實(shí)施，可以快速地發(fā)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)和缺陷，暴露設(shè)計(jì)方案中的問(wèn)題，以得出最佳的施工方案。 同時(shí)，對(duì)于原先無(wú)法模擬項(xiàng)目中的難點(diǎn)，皆可以精確到時(shí)、分甚至秒進(jìn)行模擬。 利用BIM-4D 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工地施工進(jìn)度， 同時(shí)收集整理各項(xiàng)目進(jìn)度的數(shù)據(jù)信息并反饋至BIM 模型，再將施工完成的部分作為今后施工的依據(jù)與約束，不斷更新后續(xù)工程作業(yè)使施工項(xiàng)目達(dá)成目標(biāo)，符合最終標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 三維方式展示施工進(jìn)度組織

3.2.5 實(shí)現(xiàn)Dynamo 參數(shù)化建模

Dynamo 是基于Revit 的參數(shù)化設(shè)計(jì)的一個(gè)輔助工具，借助其豐富、強(qiáng)大的功能，與Revit 配合使用，可提高BIM 建模效率。Dynamo 屬于一種可視化的編程工具，如圖9 所示，它可以將Excel 的表格數(shù)據(jù)信息、三維數(shù)據(jù)信息、BIM 的構(gòu)件指令信息等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)一些更復(fù)雜的，批量重復(fù)性的操作，減輕因工程復(fù)雜而造成的巨大建模量。 在福州工業(yè)路工程項(xiàng)目當(dāng)中的高架橋梁部分，由于構(gòu)件類型復(fù)雜，構(gòu)件族類繁多，構(gòu)件信息十分龐大，因此BIM 借助Dynamo 的二次開(kāi)發(fā)對(duì)承臺(tái)、橋墩、蓋梁、箱梁進(jìn)行參數(shù)化建模，如圖10 所示，通過(guò)讀取Excel 中橋梁參數(shù)數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)、匹配至高架橋梁部分的幾何模型，進(jìn)行參數(shù)化建模。 引入此項(xiàng)技術(shù)避免了因構(gòu)件位置、類型的不同而放大工程建模量的弊端，打破了手動(dòng)導(dǎo)入?yún)?shù)信息的模式，從而有效地提高BIM 建模效率。

圖9 Dynamo 實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模型

圖10 橋面參數(shù)化建模

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了傳統(tǒng)施工管理的弊端，提出在3D的基礎(chǔ)上引入時(shí)間維度造就的BIM-4D， 為所有施工參與者提供了一個(gè)順暢溝通和共同協(xié)作的工作平臺(tái)；其為橋梁工程施工完善設(shè)計(jì)、識(shí)別安全隱患、減少施工周期、降低施工成本做出了重大貢獻(xiàn)；其搭建虛擬模型、設(shè)計(jì)審查、碰撞檢測(cè)以及施工模擬的功能解決了施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的安全隱患，降低了因慣性思維、設(shè)計(jì)誤差造成的返工可能性。