一文讀懂基于BIM的施工模擬：虛擬建造

近些年來(lái)，隨著BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)施工的推進(jìn)，目前BIM技術(shù)已從原先對(duì)一些簡(jiǎn)單的靜態(tài)碰撞分析發(fā)展到對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行全生命周期應(yīng)用的階段。

一個(gè)項(xiàng)目從施工進(jìn)場(chǎng)開始，首先要面對(duì)的是如何對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的施工場(chǎng)地進(jìn)行合理布置。合理的場(chǎng)地布置能盡可能減少將來(lái)大型機(jī)械和臨時(shí)設(shè)施反復(fù)調(diào)整平面位置，盡最大限度地利用大型機(jī)械設(shè)施的性能。

同時(shí)，能夠?qū)ξ锪鞑牧献龊眯枨蠓治觯M可能合理地安排材料進(jìn)場(chǎng)和材料堆放，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人流進(jìn)行合理的規(guī)劃，保證流水作業(yè)等。為避免上述問(wèn)題，可以將BIM技術(shù)提前應(yīng)用到施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)施規(guī)劃階段，從而更好地指導(dǎo)施工，為企業(yè)降低施工風(fēng)險(xiǎn)與施工成本。

而基于BIM的虛擬建造包括基于BIM的施工模擬、基于BIM的構(gòu)件虛擬拼裝、基于BIM的施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)施規(guī)劃等方面。下面我們一起來(lái)看下它們各自都包含哪些內(nèi)容。

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一、施工模擬

01虛擬施工的概述

虛擬施工(Virtual Construction，簡(jiǎn)稱VC)，是實(shí)際施工過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的虛擬實(shí)現(xiàn)。

它采用虛擬現(xiàn)實(shí)和結(jié)構(gòu)仿真等技術(shù)，在高性能計(jì)算機(jī)等設(shè)備的支持下群組協(xié)同工作。通過(guò)BIM技術(shù)建立建筑物的幾何模型和施工過(guò)程模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工方案進(jìn)行實(shí)時(shí)、交互和逼真的模擬，進(jìn)而對(duì)已有的施工方案進(jìn)行驗(yàn)證、優(yōu)化和完善，逐步替代傳統(tǒng)的施工方案編制方式和方案操作流程。

同時(shí)在對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行三維模擬操作中，能預(yù)知在實(shí)際施工過(guò)程中可能碰到的問(wèn)題，提前避免和減少返工以及資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，優(yōu)化施工方案，合理配置施工資源，節(jié)省施工成本，加快施工進(jìn)度，控制施工質(zhì)量，達(dá)到提高建筑施工效率的目的。

基于BIM的虛擬施工技術(shù)體系流程。從體系架構(gòu)中可以看出，在建筑工程項(xiàng)目中使用虛擬施工技術(shù)，將會(huì)是個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中包括了建立建筑結(jié)構(gòu)三維模型、搭建虛擬施工環(huán)境、定義建筑構(gòu)件的先后順序、對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真、管線綜合碰撞檢測(cè)以及最優(yōu)方案判定等不同階段，同時(shí)也涉及了建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電、安裝、裝飾等不同專業(yè)、不同人員之間的信息共享和協(xié)同工作。

基于BIM的虛擬施工體系流程

BIM的載體是模型，核心是信息，其本質(zhì)就是面向全過(guò)程的信息整合平臺(tái)。虛擬施工是通過(guò)仿真技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)。隨著BIM的不斷成熟，將BIM技術(shù)與虛擬施工技術(shù)相結(jié)合，利用BIM技術(shù)，在虛擬環(huán)境中建模、模擬、分析設(shè)計(jì)與施工過(guò)程的數(shù)字化、可視化技術(shù)。通過(guò)虛擬施工，可以優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工過(guò)程控制和管理，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和施工的問(wèn)題，通過(guò)模擬找到解決方法，進(jìn)而確定最佳設(shè)計(jì)和施工方案，用于指導(dǎo)真實(shí)的施工，最終大大降低返工成本和管理成本。

如果虛擬施工有效協(xié)同三維可視化功能再加上時(shí)間維度，可以進(jìn)行進(jìn)度模擬施工。

4D模型虛擬施工隨時(shí)隨地直觀快速地將施工計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)展進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)進(jìn)行有效協(xié)同，施工方、監(jiān)理方、甚至非工程行業(yè)出身的業(yè)主、領(lǐng)導(dǎo)都能對(duì)工程項(xiàng)目的各種問(wèn)題和情況了如指掌;

5D模型對(duì)項(xiàng)目工程量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，有效控制費(fèi)成本支出;

6D模型實(shí)現(xiàn)對(duì)安全環(huán)境的模擬，時(shí)時(shí)觀察環(huán)境變化，做好改善與預(yù)防措施。這樣通過(guò)BIM技術(shù)結(jié)合施工方案、施工模擬和現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)測(cè)，減少建筑質(zhì)量問(wèn)題、安全問(wèn)題，減少返工和整改。

基于BIM的nD虛擬施工模型

02虛擬施工的特點(diǎn)

(1)先試后建，正是因?yàn)樗@一特點(diǎn)大大降低了施工過(guò)程中的返工率，節(jié)約了很大一部分成本。

(2)分析與優(yōu)化，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與優(yōu)化，確?？墒┕ば?。

整合設(shè)化，使各專業(yè)的協(xié)作在設(shè)計(jì)開始就“自然”地通過(guò)中心數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，無(wú)須具體人員的參與、組織、管理，設(shè)計(jì)中的交流、溝通顯而易見(jiàn)，基本上不需要任何成本。

增強(qiáng)了設(shè)計(jì)優(yōu)化的手段，設(shè)計(jì)、檢查協(xié)調(diào)、修改、再設(shè)計(jì)的循環(huán)過(guò)程，直至在施工之前解決所有設(shè)計(jì)問(wèn)題，消除設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和設(shè)計(jì)忽略，減少施工中的返工成本。

工序上分化BIM模型和進(jìn)度計(jì)劃軟件(如MS Project，P3等)的數(shù)據(jù)集成，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工進(jìn)度，實(shí)時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)情況?？山ㄐ苑治?，進(jìn)行安全、施工空間、對(duì)環(huán)境影響等全面的可建性模擬分析。

沖突碰撞檢查分析，建造前期對(duì)各專業(yè)的碰撞問(wèn)題進(jìn)行模擬，生成與提供可整體化協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)的二維圖紙會(huì)審耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題難的問(wèn)題。

(3)優(yōu)化施工管理，清晰展示施工過(guò)程，各工種人員能清楚了解自己的工作內(nèi)容和工作條件。

虛擬施工核心技術(shù)

二、構(gòu)件虛擬拼裝

構(gòu)件出廠前的預(yù)拼裝和安吊裝等，與深化設(shè)計(jì)過(guò)程的預(yù)拼裝不同，主要體現(xiàn)在：深化設(shè)計(jì)階段構(gòu)件的預(yù)拼裝主要是為了檢查深化設(shè)計(jì)的精度，其預(yù)拼裝的結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而提高預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)設(shè)計(jì)的水平;

而出廠前的預(yù)拼裝等主要融合了生產(chǎn)中的實(shí)際偏差信息，其預(yù)拼裝的結(jié)果反饋到實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)生產(chǎn)過(guò)程工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)對(duì)不合格的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行報(bào)廢，可提高預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工的精度和質(zhì)量，并提高建筑安裝水平。

01混凝土構(gòu)件的虛擬拼裝

在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)完成后，其相關(guān)的實(shí)際數(shù)據(jù)(如預(yù)埋件的實(shí)際位置、窗框的實(shí)際位置等參數(shù))需要反饋到BIM模型中，對(duì)預(yù)制構(gòu)件的BIM模型進(jìn)行修正，在出廠前需要對(duì)修正的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行虛擬拼裝，旨在檢查生產(chǎn)中的細(xì)微偏差對(duì)安裝精度的影響。若經(jīng)過(guò)虛擬拼裝顯示對(duì)安裝精度影響在可控范圍內(nèi)，則可出廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝;反之，不合格的預(yù)制構(gòu)件則需要重新加工。

預(yù)制構(gòu)件虛擬拼裝

02鋼構(gòu)件的虛擬拼裝

要實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)件的虛擬預(yù)拼裝，首先要實(shí)現(xiàn)實(shí)物結(jié)構(gòu)的虛擬化。實(shí)物虛擬化就是將真實(shí)的構(gòu)件精確地轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型。這種工作依據(jù)構(gòu)件的大小有多種轉(zhuǎn)變的方法，目前可以直接利用的設(shè)備包括全站儀、三坐標(biāo)檢測(cè)儀、激光掃描儀等。例如使用機(jī)器人全站儀對(duì)某工程選定的部位進(jìn)行完整的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，快速構(gòu)建三維可視化模型。通過(guò)與BIM模型對(duì)比，在模型中顯示實(shí)體偏差，輸出實(shí)測(cè)實(shí)量數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)客觀，并將精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)帶到現(xiàn)場(chǎng)工地，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化，從而提高工作效率和精度。

三維可視化模型全站儀數(shù)據(jù)采集

03幕墻工程虛擬拼裝

運(yùn)用BIM技術(shù)可以有效地解決工廠集成過(guò)程前、中、后的信息創(chuàng)建、管理和傳遞的問(wèn)題。利用BIM模型、三維構(gòu)建圖紙、加工制造、組裝模擬等手段，即可為幕墻工廠集成階段的工作提供有效支持。同時(shí)，BIM的應(yīng)用還可以將單元板塊工廠集成過(guò)程中創(chuàng)建的信息傳遞至下一階段的單元運(yùn)輸、板塊存放等流程，并可進(jìn)行全程跟蹤和控制。

幕墻單元板塊組裝流程圖

預(yù)拼裝的實(shí)施步驟

幕墻預(yù)拼裝的實(shí)施步驟

04機(jī)電設(shè)備工程虛擬拼裝

在機(jī)電工程項(xiàng)目中施工進(jìn)度模擬優(yōu)化，主要利用Navisworks軟件對(duì)整個(gè)施工機(jī)電設(shè)備進(jìn)行虛擬拼裝模擬，方便現(xiàn)場(chǎng)管理人員及時(shí)對(duì)部分施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)演及虛擬拼裝，并有效控制進(jìn)度。此外，利用三維動(dòng)畫對(duì)計(jì)劃方案進(jìn)行模擬拼裝，更容易讓人理解整個(gè)進(jìn)度計(jì)劃流程。對(duì)于不足的環(huán)節(jié)可加以修改完善，對(duì)于所提出的新方案可再次通過(guò)動(dòng)畫模擬進(jìn)行優(yōu)化，直至進(jìn)度計(jì)劃方案合理可行。

傳統(tǒng)方式與基于BIM的虛擬拼裝方式進(jìn)度掌握比較

三、施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)施規(guī)劃

01大型施工機(jī)械設(shè)施規(guī)劃

大型機(jī)械設(shè)施的規(guī)劃是整個(gè)項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)施規(guī)劃中非常重要的一步。大型機(jī)械設(shè)施規(guī)劃的好壞，往往能決定一個(gè)項(xiàng)目的施工進(jìn)度和項(xiàng)目成本。在傳統(tǒng)的大型機(jī)械設(shè)施平面規(guī)劃中，施工方案的制定往往需要在平面圖上推敲這些大型機(jī)械的合理布置方案。但是單一地看二維的CAD圖紙和施工方案，很難發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中的問(wèn)題。而利用BIM技術(shù)就可以通過(guò)三維模型較直觀形象得選擇更合理的平面規(guī)劃布置，并清楚表達(dá)與建筑物主體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系，選擇合適的施工技術(shù)方案，提前解決施工過(guò)程中可能存在的問(wèn)題。

02現(xiàn)場(chǎng)物流及人流規(guī)劃

施工現(xiàn)場(chǎng)是一個(gè)涉及各種需求的復(fù)雜場(chǎng)地，其中建筑行業(yè)對(duì)于物流、人流也有自己特殊的需求。BIM 技術(shù)首先是一個(gè)信息收集系統(tǒng)，可以有效地將整個(gè)建筑物的相關(guān)信息錄入收集，并以直觀的方式表現(xiàn)出來(lái)。

比如，建筑工程涉及各種材料，有些材料為半成品，有些材料是完成品，對(duì)于不同的材料既有通用要求，也有特殊要求。材料進(jìn)場(chǎng)應(yīng)該有效地收集其運(yùn)輸路線、堆放場(chǎng)地及材料本身的信息等。

同時(shí)還可以利用BIM技術(shù)來(lái)模擬、分配和管理各種建筑物中人流規(guī)劃，采用三維模型來(lái)表現(xiàn)效果、檢查碰撞、調(diào)整布局，最終形成可以直觀展示的報(bào)告等。

總之，BIM技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，它的應(yīng)用范圍已經(jīng)足夠廣泛，尤其是在施工建設(shè)當(dāng)中，起到了不可替代的作用。

BIM技術(shù)遲早都要用，使用越晚，我們?cè)谑袌?chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)會(huì)越不明顯。所以大家要抓緊時(shí)間行動(dòng)起來(lái)喲~~

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