基于IFC的建筑工程4D 施工管理系统的研究和应用

2010-10-08清华大学土木工程系张建平

中国建设信息化 2010年4期

◎ 清华大学土木工程系张建平

1.项目简介

随着计算机技术的飞速发展，实现建筑施工管理的信息化、智能化、可视化已是施工领域中的一个研究热点。清华大学研发的“基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统” （简称4D-GCPSU 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。

该系统综合应用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 Site Management 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。

系统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。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，并已推广到桥梁、风电、地铁隧道等工程领域，还可推广到道路、水利、电力以及设备安装等其他工程管理，具有广阔的应用前景，可产生较大的社会、经济效益。

“基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统的研究和应用”项目荣获2009年华夏建设科学技术一等奖。

2.理论与技术创新

（1）支持基于IFC标准的数据集成与交换

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，可支持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，为解决当前建筑生命期不同阶段和应用系统之间的信息断层进行了新的探索。

（2）实现基于IFC标准的工程信息建模

本研究对IFC大纲给出的建筑工程信息数据定义进行了分析和整理，从中提取出了与建筑工程相关的构件、设备和设施等实体230余种。通过建立IFC数据定义语言与程序语言的转换规则，利用C++和C# 语言定义这些实体的IFC类，作为基于IFC的基本信息模型单元，并提供了对这些实体的数据库访问和数据输入输出等基本处理功能，为建立BIM探索了可行的途径和方法。

（3）建立基于IFC标准的4D施工管理扩展模型

结合我国建筑施工管理的实际，通过建立基于IFC的4D施工管理扩展模型4DSMM++，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。4DSMM++的研究发展了4D模型理论，为实现建筑施工的集成化、动态化和可视化管理，提供了理论、模型和方法。

（4）研制基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统

开发我国第一个具有自主知识产权的基于IFC的建筑工程4D施工管理系统，提供了基于网络环境的4D进度管理、4D资源动态管理、4D施工场地管理和4D施工过程可视化模拟等功能，不仅覆盖了国外同类系统的主要功能，而且扩展了功能和应用范围。系统可实现施工进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的4D集成化动态管理以及施工过程的4D可视化模拟，为大型复杂建筑工程的施工提供了有效的管理手段。

3.技术特点

（1）系统提供了IFC文件解析器和IFC标准数据接口引擎，可支持设计和施工阶段以及与其他应用系统之间的信息交换和共享，为解决当前建筑工程生命周期不同阶段和应用系统之间的信息断层做了新的探索。

（2）系统提供了基于网络环境的4D可视化工作平台，可支持工程项目的各管理部门和多参与方的信息交换，实现了4D施工管理的网络化。

（3）可读取其他CAD系统输出的IFC文件或直接导入其生成的3D模型，还可利用系统的建模工具在AutoCAD中建模，为3D建模提供了有效的方法。

（4）具有工程施工段划分、WBS创建功能，实现了WBS与Project的相互链接。通过系统的WBS编辑器和工序模板，可完成WBS和进度计划的创建，大大提高了工作效率。

（5）将WBS节点与相应3D构件实体相链接，自动生成工程的4D模型，并与资源信息和其他工程属性相集成，形成多维信息管理。

（6）可通过Project或4D图形界面，对施工进度进行调整和控制，实现了施工进度的4D动态管理和施工过程的可视化模拟。提供了任意WBS节点或3D施工段及构件工程信息的实时查询、多套施工方案的对比和分析、计划与实际进度的追踪和分析等功能。

（7）通过可设置多套定额的资源模板，自动计算任意WBS节点或3D施工段及构件的工程量以及相对施工进度的人力、材料、机械消耗量和预算成本，进行工程量完成情况、资源计划和实际消耗等多方面的统计分析，实现了施工资源的4D动态管理。

（8）可进行3D施工场地布置，自动定义施工设施的4D属性。点取任意设施实体，可查询其名称、类型、型号以及计划设置时间等施工属性，并可进行冲突检查，将场地布置与施工进度相对应，形成4D动态的现场管理。

（9）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，较好地解决了大型、复杂工程3D模型显示效果和运行速度的瓶颈问题。

（10）系统为基于组件的开放体系结构，具有很好的复用性和可维护性。通过引擎接口可与不同的计划管理软件相连接，以适应不同的应用要求。并提供了较强的个性化服务，使系统易学易用。

4.实际工程应用

（1）早期实际应用情况

自1996年，本系统的以前版本先后在北京嘉里中心、北京中保信、北京华威住宅小区、香港新机场货运仓储中心、香港理工大学扩建工程等十多个实际工程应用，对于提高这些工程项目的施工管理水平和工作效率，起到了显著效果。系统在北京嘉里中心的应用，曾获中建一局科技进步奖。

（2）北京2008奥运会国家体育场工程

图1 国家体育场工程4D施工过程模拟

图2 青岛海湾大桥互通桥段的4D施工过程模拟

2003年12月，前期研制的4D-GCPSU开始在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，先后更新并使用了4D-GCPSU 2004、2005和2006三个版本。

2004年12月国家体育场土建工程开工后，系统正式用于工程的施工管理，在项目部的网络环境下运行。建立了桩基结构、钢筋混凝土看台结构和钢网架结构的完整3D模型，创建了相应的WBS分解和Project进度计划，记录了实际施工进度。通过建立4D模型，实现了施工进度控制、信息实时查询、计划和实际进度对比分析以及整个施工过程4D可视化模拟。并相对施工进度，进行工程量及其人力、材料、机械、成本的计划用量和实际消耗量的查询及统计分析，实现了工程的3D场地布置和施工设施的信息查询。国家体育场工程的4D施工过程模拟如图1所示。

（3）青岛海湾大桥工程

青岛海湾大桥全长28.047公里，其中跨海大桥25.171公里，主桥桥宽35米，双向六车道，设计行车时速80公里。工程于2006年12月26日开工，分十三个标段同时施工，预计2010年建成。总投资金额为99.38亿元。

目前，4D技术的应用主要限于建筑工程，国内外均没有应用于桥梁工程。本研究针对桥梁结构模型和施工管理的特点，根据青岛海湾大桥建设管理的实际需求，对4D-GCPSU 2006系统进行扩充和改进，开发了“青岛海湾大桥项目4D施工管理系统”。系统于2007年7月在大桥工程安装运行。建立了斜拉桥、悬索桥、互通桥和连续梁桥包括细部结构的3D模型，根据工程十三个标段的划分，建立大桥施工的WBS和Project进度计划以及4D模型，实现了大桥工程施工进度4D动态管理以及整个施工过程4D可视化模拟，并可相对施工进度，进行工程量及其人力、材料、机械、成本的计划用量和实际消耗量的查询及统计分析。

目前，系统在工程项目部的网络环境下正常运行，用户包括业主各管理部门和十一个标段的施工方。系统还在工程信息监控中心运行，通过大屏幕展示整个工程施工进度和过程，成为面对政府及社会各界宣传工程建设的重要窗口。青岛海湾大桥互通桥段4D施工过程模拟如图2所示。

（4）广州珠江新城西塔工程

广州珠江新城西塔位于广州市CBD核心区，占地面积31084.96平方米，总建筑面积45万平方米，主塔楼为103层，高432米。项目总投资约60亿元人民币，2006年底开始建设，将于亚运会前竣工并投入劳动。

本研究根据西塔工程施工管理的实际需求，对4DGCPSU 2006系统进行了扩充和完善，于2008年3月在西塔工程安装运行。建立了主塔楼结构的3D模型，通过创建WBS和Project进度计划，建立4D模型，实现了工程施工进度的动态管理和整个施工过程4D可视化模拟。可相对施工进度，进行工程量及其人力、材料、机械、成本的计划用量和实际消耗量的查询及统计分析，实现了工程的3D场地布置和施工设施的信息查询。

广州西塔工程主塔楼的4D施工过程模拟如图3所示。

（5）其他工程应用项目

4D-GCPSU 2006自2006年12月应用于天安高尔夫珑园住宅项目。该工程位于深圳福田中心区，总建筑面积112740m2，共有包括32、38和42层的7栋住宅。工程于2006年10月开工，2008年12月竣工。系统应用针对工程地下室结构及地上主体结构施工，进行了4D进度、资源管理以及施工过程的可视化模拟。

正在研制“风电工程建设4D管理系统”和“地铁工程4D施工管理系统”，将在龙源风电工程以及地铁工程应用。

5.经济与社会效益

图3 广州西塔工程主塔楼的4D施工过程模拟

4D-GCPSU 2006应用于北京奥运会国家体育场、青岛海湾大桥、广州西塔等大型工程项目，其用户包括业主、工程总承包部、施工项目部等。实际工程应用表明：4D-GCPSU 2006作为施工指挥平台，提高了项目各参与方间的有效交流和沟通；通过直观、准确、动态的施工模拟，可比较多种施工方案的可实施性，为方案优选提供决策支持；精确计划和控制每月、每周、每天的施工进度，动态分配各种施工资源和场地，可减少或避免工期延误，保障资源供给；对施工进度和场地布置进行可视化模拟，可及时发现和解决施工过程和现场的矛盾和冲突，提高工程的准确性；通过对4D模型的工程信息扩展、实时的信息查询，提高了施工信息管理的效率；相对施工进度对工程量及资源、成本的动态查询和统计分析，有助于全面把握工程的实施和进展，整个工程的4D可视化模拟还有助于施工安全管理。4D-GCPSU 2006的应用，为大型、复杂工程项目提供了有效的施工管理手段，对于提高施工管理水平和工作效率取得了显著效果，对工程信息化管理起到了很大的推动作用，初步估算降低工程成本估计数千万元，受到应用方的充分肯定和好评。

国家体育场、青岛海湾大桥、广州西塔是我国重点工程建设的窗口，建设过程中需要面对政府官员以及社会各界的考察或参观。4D-GCPSU 2006形象、逼真、动态展示施工进度和建设过程，起到了很好的宣传作用，产生了较大的社会影响。例如，系统在青岛海湾大桥项目部的工程信息监控中心运行，通过大屏幕展示整个工程施工进度和过程，成为面对政府及社会各界宣传工程建设的重要窗口。中央新闻纪录电影制片厂出品的大型记录片《筑梦2008》中，有关国家体育场建设过程的动画制作，都是由4D-GCPSU系统产生的，清华大学土木工程系作为鸣谢单位排列第一。该片上映后获得积极热烈的社会反响，并在国际国内荣获多个奖项。

6.与国外同类研究的比较

4D理论是美国斯坦福大学CIFE(Center for Integrated Facility Engineering)于1996年首先提出，其相关研究一直处于国际领先地位。与斯坦福大学CIFE等同类应用系统相比，“基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统”的研究和应用发展了4D理论，在技术水平、实用性和市场竞争力方面具有如下优势和特点。