來源丨建筑設(shè)計管理

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)合基坑挖運施工的特點，結(jié)合具體施工案例制作基坑挖運的仿真模擬。

BIM是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立，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。

首先，BIM軟件要解決的是實現(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)計階段能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享和協(xié)同設(shè)計，在施工階段，BIM可以與進度計劃鏈接形成4D施工模型，可以加入現(xiàn)場臨時設(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，還包括了具體施工過程中的各種細節(jié)。例如挖掘機之間，挖掘機與卡車之間、卡車與卡車之間的協(xié)調(diào)工作，施工車輛的調(diào)度、土方挖運的先后順序等等施工環(huán)節(jié)。與真實施工過程緊密聯(lián)系，將項目中復(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)；接著將不同的進度計劃與模型鏈接成4D施工模型，展示不同的進度安排；隨后還將根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境布置臨時設(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軟件主要分成三個部分：數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)層以及項目管理應(yīng)用。

本研究主要涉及BIM中的三項內(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）進行管理，包括信息產(chǎn)生，交換等內(nèi)容；項目管理應(yīng)用是指對BIM中的M（model）進行管理，使之能夠服務(wù)于實際施工，對項目的進度管理等提供指導(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負責(zé)提供數(shù)據(jù)源，即設(shè)計施工現(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)進行儲存，同時應(yīng)用Microsoftproject等工程管理軟件對施工進度安排進行編輯，提供數(shù)據(jù)層支持，建立WBS與Microsoftproject的雙向鏈接；通過模型，對施工進度進行查詢，調(diào)整和控制。最后用Navisworks進行項目管理應(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度；

2）建立Revit場地模型；

3）設(shè)計施工機械模型；

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度

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

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以及長方形基坑四周的高程點坐標。

2）接下來要制定施工方案，見表1。

表1 施工進度安排表（括號內(nèi)數(shù)字表示標高）

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坐標文件存為txt格式，之后將其導(dǎo)入Revit當中去，利用Revit中的場地選項建立場地表面模型。

2）通過測量的坐標確定出基坑的位置并在二維平面圖上標出，用建筑地坪命令創(chuàng)建出一個基坑模型，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中進行應(yīng)用。同時，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。由實際土方挖運的順序逆向建立土方模型，即從第六層開始，按照標高的順序，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，在創(chuàng)建土方模型期間，要對每塊土方進行命名，命名時要考慮到的因素有：所在的工作區(qū)域，所在的層數(shù)，以及挖運的順序。如圖3中藍色土方為4-1-1號土方即表示4號挖土機所工作的4區(qū)域的第1層挖運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、月為時間單位，按不同的時間間隔對施工進度進行正序模擬，形象地反映施工計劃和實際進度。首先用Microsoftproject建立較為具體的土方挖運工作進度安排表，工作進度安排表需要細化到每一塊土方，即每一塊土方都要建立與自身相對應(yīng)的任務(wù)，由于土方挖運的工期較短，所以每一塊土方挖除的開始和結(jié)束時間都要精確到小時。并且土方的任務(wù)類型都是“拆除”。再通過Navisworks中的數(shù)據(jù)源選項將其導(dǎo)入到Navisworks中的Timeliner。

2.4.2Animation設(shè)計

在Animation中創(chuàng)建動畫，先后捕捉挖掘機、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，挖掘機挖出的土方裝滿卡車以后，卡車要有一個運出土方的過程，沒有另外的卡車及時補上的話，勢必會造成挖掘機停工的現(xiàn)象，降低了工作效率。

由此可以設(shè)計出優(yōu)化方案，即挖掘機挖土運送到卡車上，卡車裝滿之后將土方運走，另一輛卡車在前一輛卡車運土之前及時補上，同時還要注意避免運送土方的卡車數(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暫時停工的現(xiàn)象，提高施工效率。設(shè)計動畫的過程中要調(diào)度好各類車輛，在Animation中安排好時間分配，以實現(xiàn)效率的最大化。除此以外也可以制作視點動畫以及漫游動畫，后期處理時與施工車輛調(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的施工模擬。最后，用Navisworks中的presenter渲染功能對場景進行渲染，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)出動畫的時候用presenter導(dǎo)出可以使動畫的效果更具有真實感。

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間維度，可以進行包括基坑工程在內(nèi)任意施工形式的施工模擬。同時有效的協(xié)同工作，打破基坑設(shè)計、施工和監(jiān)測之間的傳統(tǒng)隔閡，實現(xiàn)多方無障礙的信息共享，讓不同的團隊可以共同工作，通過添加時間軸的4D變形動畫可以準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 基坑工程實施的形式以及運作方式。

通過輸入實際施工計劃與計劃施工計劃，可以直觀快速地將施工計劃與實際進展進行對比。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管理團隊對成本、進度計劃及質(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間、工作方式的設(shè)計，克服了以往做Navisworks動畫的時候施工項目與施工機械相隔離的缺點，使Animation不僅僅停留在動畫設(shè)計的功能上，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的整個過程更加具有可讀性和真實性。

3）同時，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)系的認識，達到綜合運用相關(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踐內(nèi)容，提高學(xué)生動手能力，真正將理論和實踐聯(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，因此基坑挖運通常是被制作者忽視的環(huán)節(jié)。但是在整個建筑施工過程中，基坑挖運的確是不可或缺的重要部分，在本案例建立Revit模型時，也可以添加進防沙板、活動屋等等場地構(gòu)件，或者應(yīng)用Civil3D對場地進行更加細致的處理，這樣還會使場地模型更加真實。

另外，用Navisworks進行動畫制作時，可以用統(tǒng)籌學(xué)的知識對施工車輛調(diào)度進行優(yōu)化，甚至可以運用實際參數(shù)，運用相關(guān)理論計算施工車輛工作路線，制定細化到每一臺卡車與挖掘機的工作安排，進而可以進一步提高工作效率，體現(xiàn)了BIM信息一致化的特點，使項目更具有可靠性和可研究性。因此，做好基坑挖運的施工模擬，能更好地模擬出整個施工過程，使施工模擬更加完整真實，這也就是本項目的最大價值所在。