基于BIM和4D技术的建筑施工优化及动态管理

◎ 清华大学土木工程系 张建平

1 概述

建筑施工是一个高度动态的过程，随着建筑工程规模不断扩大，使得施工项目管理变得极为复杂。然而，当前建筑工程项目管理却相对落后，通常用横道图表示进度计划，用直方图表示资源计划，无法清晰描述施工进度以及各种复杂关系，难以准确表达工程施工的动态变化过程，更不能动态地优化分配所需要的各种资源和施工场地。如何在项目建设过程中合理制定施工计划、精确掌握施工进程，优化使用施工资源以及科学地进行场地布置，对整个工程的施工进度、资源和质量进行统一管理和控制，以缩短工期，降低成本，提高质量，是建筑施工领域所亟待解决的问题。

清华大学土木工程系的科研小组，多年来致力于施工过程模拟以及施工进度和资源动态管理及优化控制的关键技术4D-CAD的研究，开发了建筑工程4D施工管理系统，并应用于北京奥运会国家体育场、青岛海湾大桥、广州珠江新城西塔等多个大型工程，对于提高施工效率和信息化管理水平，取得了显著的成效，产生了较大的社会、经济效益。研究成果经专家鉴定，评价为属国内首创，填补了国内空白，达到了国际先进水平，并荣获2009年华夏建设科技一等奖。

2 4D施工优化及管理的研究和发展

4D-CAD是基于4 Dimension (简称4D)模型的计算机辅助设计技术。4D模型是指在3D模型基础上，附加时间因素。这种建模技术应用于建筑施工领域，是以施工对象的3D模型为基础，施工的建造计划为其时间因素，将工程的进展形象地展现出来，形成动态的建造过程模拟模型，用以辅助施工计划管理。4D理论由美国斯坦福大学的CIFE（Center for Integrated Facility Engineering）于1996年首先提出，十多年来，其研究和应用得到了长足的发展。

清华大学张建平教授从1991年就开始致力于建筑施工进度与场地布置三维可视化模拟和动态管理方面的研究，于1995年开发了用于多层建筑施工进度与场地利用的计算机图形计划系统GCPSU(Graphics for Construction Planning and Site-Utilization)。该系统体现了4D模型的基本概念，允许用户以交互方式在计算机屏幕上构造多层建筑在不同施工层的计划安排、实际进度以及相应的场地布置，对施工进度计划和场地布置进行可视化模拟。GCPSU应用于北京嘉里中心、北京中保信以及香港多个实际工程，取得了显著效果，曾获中建一局科技进步奖。

2000年，通过4D模型理论的深入研究和分析，提出了4D施工管理模型4DSMM（4D Site Management Model）。4DSMM将施工对象和场地3D模型与MS-Project进度管理系统链接起来，构成施工项目的4D施工模型。基于4DSMM开发的4D-GCPSU系统不仅为施工计划提供了一个可视化的环境，而且综合了施工计划、工程量计算、场地布置、材料使用等施工项目管理其它方面的职能。4D-GCPSU应用于北京华威住宅小区、香港理工大学扩建工程等项目，验证了4DSMM模型及系统的可行性和实用性。

2002年，在4DSMM模型及系统的研究和应用基础上，又提出了4D施工管理扩展模型4DSMM++，该模型以WBS结构(Work Breakdown Structure, WBS)为核心，将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度相链接，与施工资源和场地布置信息集成一体，实现了施工进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的4D动态集成管理以及施工过程的4D可视化模拟。基于4DSMM++开发的建筑施工4D项目管理系统4D-GCPSU 2002，应用于香港新机场货运仓储中心等实际工程，香港金门公司将该工程应用4D-GCPSU的成果，介绍给香港工业界，引起了很大反响。

2003年12月，4D-GCPSU 2002开始在北京奥运会国家体育场工程投入使用，用于工程施工方案、进度计划、场地布置的制定。随后根据工程提出的具体应用要求，不断完善功能，更新并应用了4D-GCPSU 2004。

2004年，基于多年的研究成果，4D模型理论及技术研究被列入国家“十五”重点科技攻关项目的专题，其研究成果国家体育场工程进行示范应用，先后推出应用了4D-GCPSU 2005和4D-GCPSU 2006，使4D施工管理的研究和应用得到了突破性的发展，其主要重大技术升级和主要功能扩展为以下几方面。

（1）引入建筑业国际标准IFC（Industry Foundation Classes），建立了基于IFC标准的建筑施工管理的数据描述，提供了IFC文件解析器和基于IFC标准的数据接口引擎，实现了设计与施工管理以及应用系统之间的信息集成、交换和共享。

（2）应用建筑信息模型BIM（Building Information Model）技术，实现基于IFC标准的工程信息建模，建立了基于IFC标准的4D施工管理扩展模型，将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度计划相链接，并与人力、材料、机械、成本等施工资源以及场地布置信息集成一体，形成了多维信息管理。

（3）引入施工进度与资源分配的优化理论和过程模拟技术，应用基于离散事件模拟理论和方法，分析施工过程中各种施工工序、施工资源与施工工期之间的复杂动态关系、以及各种不确定性和随机性，通过对各项工序的模拟计算，得出工序工期、人力、机械、场地等资源的占用情况，对施工工期、资源配置以及场地布置进行优化。

（4）自主开发的OpenGL图形平台，提供了视图变换、图形控制以及4D图形管理等功能，增强了4D动态模拟效果，较好解决了大型、复杂工程3D模型显示效果和运行速度的瓶颈问题。

（5）首次开发了基于Client/Server网络环境的4D可视化平台，实现了4D施工管理的网络化。

国家“十五”重点科技攻关项目的研究成果，包括“基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统”（4D-GCPSU 2006）和“基于4D技术和过程模拟的施工优化系统”（SDESA）。

3 基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统

“基于IFC标准的建筑工程4 D施工管理系统”（4DGCPSU 2006）是国家"十五"重点科技攻关计划 "建筑业信息化关键技术研究与示范"之专题 "基于IFC标准的4D施工管理原型系统研究与示范应用"的研究成果。系统综合应用4D-CAD、BIM（Building Information Model）、工程数据库、人工智能、虚拟现实、网络通讯以及计算机软件集成技术，引入建筑业国际标准IFC（Industry Foundation Classes），通过建立基于IFC的4D施工管理扩展模型4DSMM++（4D SiteManagement Model++），将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度相链接，与施工资源和场地布置信息集成一体。提供了基于网络环境的4D进度管理、4D资源管理、4D施工场地管理和4D施工过程可视化模拟等功能，实现了施工进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的4D动态集成管理以及施工过程的4D可视化模拟。通过IFC文件解析器和基于IFC的数据接口引擎，系统实现了建筑设计与施工管理的数据交换和共享，可以直接导入设计阶段的建筑三维模型，用于4D施工管理，为建筑施工提供了科学、有效的管理手段。

4D-GCPSU 2006作为我国第一个具有自主知识产权的4D施工管理系统，其研究发展了4D模型理论，不仅覆盖了国外同类系统的主要功能，而且扩展了管理功能和应用范围。系统于2006年1月20日通过了建设部组织的专家验收，2006年11月3日通过了教育部组织的专家鉴定，专家鉴定委员会评价：与国外同类系统相比，该系统在支持基于IFC标准的数据集成与交换、建立4D++扩展模型及其信息集成机制、实现以WBS为核心的4D集成化施工管理和建立基于网络的4D可视化平台等方面具有创新性。该系统的研制成功和实际应用属国内首创，填补了国内空白，达到了国际先进水平。

4 基于4D技术和过程模拟的施工优化系统

“基于4D技术和过程模拟的施工优化系统”是综合应用4D技术和简化离散事件模拟方法（SDESA，Simplified Discrete-Event Simulation），将4D-GCPSU 2006与SDESA系统相集成，在4D施工管理过程中实现施工进度、资源配置以及场地布置的优化。

所谓过程模拟是指设计一个现实或虚拟系统的模型，并在此模型上进行试验的过程。在离散事件模拟中，系统的状态变量在有限的时间离散点上产生瞬间变化，它可以对施工过程建模、处理资源分配并进行冲突检测。离散事件模拟的目标是寻找施工资源和场地布置的最优配置，通过在计算机上建立施工过程模拟模型，进行多次计算机模拟分析，实现工程造价和工期的平衡，在施工领域得到了广泛的应用。简化离散事件模拟方法SDESA由香港理工大学鹿明博士提出，其软件系统与清华大学合作开发。

SDESA系统能综合考虑施工过程中工序之间的复杂动态关系、各种不确定性和随机性、以及资源利用、场地条件等方面的限制，实现工序操作层面上的施工过程模拟与预测。通过对各项工序的模拟计算，可以得出工序工期、人力、机械、场地等资源的占用情况。SDESA还可以在计算机上很方便地调整工序工期、场地布置、投入的施工资源数量等，建立不同的施工方案。通过对多个方案模拟结果进行比较和优化，选择最优的施工方案，制定合理的施工进度计划，优化施工资源配置以及场地布置，提高资源和场地的利用效率，满足工程项目的施工工期和成本控制的要求。SDESA应用于香港多个实际工程，取得了显著效果

“基于4D技术和过程模拟的施工优化系统” 将4DGCPSU 2006与SDESA系统相集成，形成了集成4D动态管理与和过程模拟的新的施工管理模式。在该模式下4D-GCPSU和SDESA在交互工作，对于工期和资源使用较为简单的任务，直接应用4D-GCPSU。对于涉及工期、资源和场地空间约束的复杂任务，则利用SDESA，通过施工过程模拟对施工进度、资源配置以及场地布置进行优化。过程模拟和施工优化结果在4D-GCSPU的可视化平台上动画显示，用户可以观察动画验证并修改SDESA模型，对模拟和优化结果进行比选，选择最优方案。

“基于4D技术和过程模拟的施工优化系统”应用于国家体育场钢结构吊装方案的过程模拟和优化，通过优化吊装顺序，使800吨大型履带吊的利用效率大幅提高。其优化的吊装方案及过程模拟如图4所示。

5 当前的研究和发展趋势

目前，国家“十一五”科技支撑计划项目专题正在对施工优化理论和4D施工管理技术进行深层次研究。其中“十一五”科技支撑计划课题“基于BIM技术的下一代建筑工程应用软件研究”之专题“基于BIM技术的建筑施工优化软件系统”，旨在针对建筑工程全生命周期，着眼于建筑施工优化，基于建筑信息模型（BIM）技术，研究建立适合我国的建筑施工优化信息模型，研制基于BIM技术的建筑施工优化控制和管理系统。“十一五”科技支撑计划课题“现代建筑设计与施工一体化平台关键技术研究”之专题“基于4D技术的建筑施工仿真与动态管理软件研究”，通过分析建筑施工过程中的动态变化规律以及对施工质量、安全、资源、成本以及场地的影响因素，研究相应的4D法则，建立4D资源库。开发4D建筑施工过程仿真与动态管理系统，实现建筑施工过程的动态模拟，实现建筑施工4D动态管理和优化控制以及施工过程的虚拟动态模拟。通过近三年的深入研究，在理论、模型和技术的研究成果基础上，开发了“基于BIM的4D建筑施工优化系统”和“基于BIM的4D虚拟施工及动态管理系统”，并在青岛海湾大桥、广州珠江新城西塔等大型工程中进行应用示范。

（1）基于BIM的4D建筑施工优化系统

1）基于BIM的施工优化信息模型：利用IFC标准定义了施工管理领域涉及的人力、机械、材料等资源信息模型，通过将资源信息模型与施工计划、成本和施工场地信息模型进行关联和集成，构建了基于IFC的施工优化信息模型，充分利用了BIM技术在信息集成和共享上的特点。利用一个施工优化信息模型建模子系统，能够从其他数据源中提取优化信息模型所需要的数据，创建施工优化信息模型。

2）基于BIM和离散事件模拟的施工资源优化：直接将相关数据导入到基于离散事件模拟的施工优化系统中，通过对各项工序的模拟计算，得出工序工期、人力、机械、场地等资源的占用情况，对施工工期、资源配置以及场地布置进行优化。

3）基于BIM的施工操作优化：利用BIM中完整的三维空间坐标信息，将设计与施工工序信息集成一体，综合应用实时数据采集技术和4D模拟技术，实现了实时的施工操作优化，可以应用于大型构件的吊装定位和操作。

4）基于BIM的施工过程4D可视化模拟：通过基于4D 技术的场地与机械设施动态建模子系统，提供了交互式场地与机械设施三维实体建模功能。 并将施工资源优化和施工操作优化系统集成到4D施工管理系统中，实现了基于BIM和资源优化的施工过程4D可视化模拟。

图1 国家体育场钢结构吊装方案及过程模拟

（2）基于BIM的4D虚拟施工及动态管理系统

1）完整的基于IFC的建筑施工4D信息模型：通过建立基于IFC的BIM结构及其信息描述与扩展机制，根据施工过程模拟的需求对已有的4D施工信息模型进行完善和扩展，建立了完整的基于IFC的建筑施工4D信息模型。

2）构建4D虚拟施工环境：研究施工过程虚拟仿真、数值模拟和虚拟场景之间协调同步以及过程模拟的交互处理等关键技术，通过建筑信息模型赋予建筑构件材质属性，并给材料设置贴图、透明度、光照属性等信息，建立建筑真实感模型。应用设置光源、阴影、场景等真实感图形技术，构建建筑施工虚拟环境。

3）施工过程的4D动态虚拟模拟：基于建筑施工4D信息模型，应用4D技术、虚拟仿真技术、真实感图形技术以及计算机动画技术，对施工过程中建筑结构、施工工序以及场地设施布置等随进度的变化状况进行动态虚拟模拟，并在施工模拟过程中进行实时的人机交互，实现施工计划、场地布置、机械操作的实时调整。

4）施工操作冲突分析与设施碰撞检测：通过建立施工场地动态时空模型，研究空间碰撞检测算法，在施工模拟过程中进行施工操作冲突分析，实现场地设施之间、施工机械之间以及施工机械与主体结构之间的碰撞检测。

5）基于4D动态集成管理的虚拟施工：基于建筑施工4D信息模型，应用系统集成和信息交换技术，将4D施工管理系统与虚拟施工系统无缝集成，实现虚拟施工过程中施工进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的4D动态集成管理。

本研究顺应信息技术的发展趋势，面向当前我国建筑施工信息化管理的实际需求，综合应用前沿的4D-CAD、BIM、虚拟现实、过程模拟及施工优化理论和技术，开发具有自主知识产权的基于BIM的4D施工优化及动态管理系统。实现施工进度、资源、成本的优化控制、动态管理和4D虚拟模拟，为建筑施工领域探索新的管理模式和方法，为大型复杂建筑工程的施工提供了有效的管理手段。对于提高建筑工程施工效率和信息化管理水平，具有很大的推动作用，也为解决当前建筑生命期各阶段的信息断层和信息流失问题探索了理论、方法和技术，对于推动我国建设领域信息化建设和发展具有重要的理论和实际意义。系统示范应用表明，系统适应我国建筑施工管理的实际需要，可用于各种建筑工程的施工项目管理，尤其适用于大型、复杂工程，也可在道路、桥梁、隧道、水利、电力以及设备安装等工程领域的应用推广，可产生较大的社会、经济效益。