水电工程基于Navisworks的四维施工模拟规划研究

李啸雪，郭 兴，宋 朝，王中平

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)

0 前 言

目前，水电工程三维设计正处于高速发展阶段，其主要是依托三维设计软件较为真实地反映构筑物形态，但也存在无法体现建筑物的施工过程这一弊端。四维施工模拟技术在三维模型的基础上增加了时间信息，可以用于工程建造过程的动态模拟[1]。该理论于1996年由美国斯坦福大学整合设施工程中心率先提出[2]，随后其他国家在该领域的研究和应用也相继开展[3- 4]。当前，四维施工模拟作为先进的施工管理技术，已在一些工民建、桥梁、隧洞等试点工程中，以委托科研机构研究的方式探索其应用效果[5-7]。第三方商用软件也配合四维施工模拟方向推出了相关软件，如Autodesk公司的Navisworks、Vico Software公司的Virtual Construction、Innovaya公司的Visual Simulation等，都可以实现导入BIM模型信息，实现四维施工模拟功能[2]。但装配零件兼容性、人机交互界面友好性等抑制了一些商用软件在相关行业的发展。

大型水利水电工程规模庞大，包含了水工建筑物、工民建、道路、桥梁以及地下洞室群等多种工程类型，涉及工程范围广、专业接口多。目前水电工程领域中采用四维施工模拟技术较少，本文参考建筑行业相关研究，将四维施工模拟技术应用于大型水利水电工程，对三维施工总布置的地面工程部分和施工总进度有机整合，使其具有施工过程管理的应用价值。AutodeskNavisworks软件兼容性较好，支持几乎所有的主流三维设计软件模型文件格式[8]，因此本文基于Navisworks软件开展了大型水电工程的四维施工模拟规划研究。

1 基于Navisworks的三维模型整合

1.1 地形曲面创建及挖填方处理

数字地形模型(Digital Terrain Model， DTM)是对原始地形特征的一种数字表达[9]，是工程区内所有建筑物布置及施工活动进行三维设计的重要基础数据。开展四维施工模拟规划前的地形曲面创建及挖填方处理方式与三维设计基本一致，主要也是依托Civil 3D等软件进行创建，后期利用Navisworks强大的兼容性，将Civil 3D获得的施工场地、道路等三维曲面最终成果，转化成三角网显示格式导入Navisworks。

由于各三维基础处理曲面是基于同一个三维地形曲面通过填挖方计算得到，因此，为便于后期对各曲面单独附着不同的进度时间段，需要对每个曲面分别建立文件，单独导入Navisworks。由于Navisworks平台不具有绘图或修改等编辑图形对象的功能，因此三维曲面设计成果应在导入Navisworks之前按照最终成果需要呈现的精度进行事先的剖分，这与三维实体文件可在Navisworks中剖分显示有本质差别。

1.1.1 道路曲面预处理

道路工程属线性工程，开展四维立体式施工规划前需按照最终成果需要的显示精度对每条场内道路全长进行剖分，再分段导入Navisworks；要求施工进度控制的精度越高，道路的每段分割长度越小。以道路施工强度分割道路模型见图1。

图1 以道路施工强度分割道路模型

1.1.2 渣场曲面预处理

各渣场堆渣进程与工程土石方开挖进度成正相关。为真实反应工程区地貌随工程进度变化，需要综合分析工程的土石方平衡资料，对各弃渣场的填筑形象增加一个时间维度，综合分析计算堆渣体上升速度并分别求出对应的渣场形象曲面导入Navisworks，也可将按高程计算获得的渣场进度形象导入Navisworks。

1.1.3 地形曲面预处理

仅将按照最终成果进度精度分割后的场内道路、分别计算的渣场曲面、水库正常蓄水位高程的水平面、原始地形曲面和施工场地导入Navisworks，并不能完成地面工程模型的三维曲面整合工作。导入Navisworks的全部三维曲面组默认以CAD图元中自带的高程参数显示，而在挖方的施工场地区域，原始地面高程高于挖方后形成的场地，施工场地曲面被原始地面覆盖或消隐，不能正常显示。因此，必须对地形曲面上施工场地对应的区域进行预处理，例如提取地形曲面与施工场地交线，将地形曲面上的施工场地对应区域消除，或将地形曲面上施工场地对应区域的高程降低至设计高程以下。此外，不同标段施工场地的启用和基础处理时间节点相差较大，故针对各施工场地的地形曲面预处理工作应在不同的地形曲面上进行，并根据标段进场先后顺序对地形预处理。开工时间较晚的标段对应的地形曲面应包含前期地形上已经改变的所有地貌，反之开工时间较早的标段对应的地形曲面不应包含后期地形上将改变的地貌。

图2 模型显示效果

1.2 实体模型整合

所有三维实体模型导入Navisworks时，坐标点、比例以及旋转角度均可以变化，也可通过点选模型后出现的坐标轴进行微调，调整建筑物模型朝向，或隐藏建筑物，这些功能可提升辅助性工民建建筑物整合后在模型中的美观程度。三维实体模型在Navisworks中利用Animator模块设置剖分路径，可对该建筑物的建设过程进行示意，但类似的建设过程示意不能严格与进度计划对应，且不便于后期施工项目管理时对该建筑物单元工程的过程控制。因此，为保证四维立体式施工规划模型精度，应在三维实体建模时尽量精确，并按照施工强度对应的施工进度，分区设计实体模型。

图4 Timeliner中的进度计划附着

2 施工进度模型链接与模型渲染

2.1 施工进度模型嵌入

在四维施工模拟规划中，将施工进度数据嵌入三维模型是至关重要的环节。Navisworks支持多种进度安排软件，如Primavera Project Management4～6、Microsoft Project MPX、Primavera P6(Web服务)、Primavera P6 V7(Web服务)及CSV文件(Excel的一种文件存储格式)[10]。借助软件中的TimeLiner模块对导入的三维曲面及实体与嵌入的进度文件相关联，为每一个对象设置起始时间和终止时间，显示模式可定义为建设、拆除等不同模式。应用Animator模块可以进行更加细部的施工机械运动轨道编辑，如塔机的转动、运载汽车的行驶等，从而使整个四维立体式施工规划模型的效果更加逼真。

2.2 模型渲染

为使整合后的工程区范围内地面工程三维模型形象尽可能贴近实际工程，在Navisworks软件的整合模型中分别定义草地、水域、沥青混凝土路面、面板堆石坝、场地硬化以及堆渣体等多种材质，将各三维曲面组和三维实体与定义的材质关联，并适当渲染。渲染前后模型形象见图3。

图3 模型渲染

3 沂蒙地面工程四维施工模拟规划研究

沂蒙抽水蓄能电站地面工程四维施工模拟规划研究，以初步创建地面工程四维立体式施工规划模型，可动态显示施工区内每3个月的地面工程节点形象为预期成果。

本文重点对上下水库大坝、场内永久道路以及渣场按照平均施工强度估算每3个月的节点进度，对三维设计得到的三维曲面和三维实体进行分割，并结合各标段施工场地的进度计划对地形曲面预处理后导入Navisworks。在初步创建的沂蒙地面工程四维施工模拟规划模型中链接施工进度，本文采用直接在Navisworks中的Timeliner模块编辑施工进度，每项Timeliner模块中的任务以施工时间段(或施工时间段+项目名称)命名，选取该时间段施工的项目形象文件，附着在相应任务内，见图4。根据模型需要添加拆除、构造以外的任务类型，本文创建了针对过程地形文件的始终显示任务类型，对最终地形文件、正常蓄水水面文件的始终显示2类型，以及大坝浇筑过程的任务类型，并分别设置其外观参数。

基于Navisworks初步创建了沂蒙抽水蓄能电站地面工程四维施工模拟规划模型，模型与设计阶段的施工进度计划相关联，可动态显示计划进度下的施工区内每三个月地面工程的节点形象。此外，可将施工期单项工程随现场施工进度调整后的实际开始时间和实际结束时间导入Navisworks中的Timeliner模块，使播放模式由计划进度变为实际进度，便于施工期项目管理。

4 结 论

四维施工模拟规划较好地融合了施工组织设计中施工总布置与施工总进度两项核心内容，该表现形式不仅更趋客观真实，也有利于施工期项目管理。本文探索了Navisworks软件在大型水电工程四维施工模拟规划中的应用，并基于Navisworks初步创建了沂蒙抽水蓄能电站地面工程四维施工模拟规划模型。整个研究过程表明，Navisworks具有较好的兼容性，能够将Autodesk系列的其他软件如CAD、Civil 3d、Inventor、Revit等应用创建的二维、三维设计数据与施工总进度设计成果进行融合，该软件可作为水电工程四维施工模拟规划的良好设计平台。未来四维施工模拟规划应继续探索地下工程的整合与展现方式，并着重体现施工技术方案，寻求与施工仿真模拟计算结合的可能性，使其具有更好的施工指导意义。

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