基于BIM 抽水蓄能电站施工进度可视化仿真的研究与探讨

贾朋　李振波

摘 要：文章侧重于抽水蓄能电站施工可视化进度仿真的理论研究，并在天池抽水蓄能电站筹建期的施工方案基礎上进行了基于Navisworks的施工进度可视化施工实施方法研究，提出了适合抽水蓄能电站的施工仿真方法。鉴于当前施工仿真方法理论和施工可视化进度仿真软件还在不断发展，且当前不同的施工仿真方法侧重点不同，不存在一个公认的适合抽水蓄能电站的仿真方法和虚拟建造软件，因此文章仅为一种基于现有数学、系统论、信息化的可行方法。

关键词：BIM；电站；施工进度；可视化仿真

中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0070-03

Abstract： This paper focuses on the theoretical research of visual construction schedule simulation of pumped storage power station， and studies the visual construction implementation method of construction schedule based on Navisworks on the basis of the construction scheme of Tianchi pumped storage power station during the preparation period. The simulation method for the construction of pumped storage power station is put forward. In view of the fact that the theory of construction simulation method and the simulation software of construction visual progress are still developing， and that the emphases of different construction simulation methods are different. There is no recognized simulation method and virtual construction software for pumped-storage power station， so this paper is only a feasible method based on existing mathematics， system theory and information technology.

Keywords： BIM； power station； construction progress； visual simulation

1 概述

典型抽水蓄能电站一般由上水库、引水发电系统和下水库三部分组成。上、下水库库容一般较小（或利用已建水库），作为主要建设项目的坝，它的工程规模一般不大。引水发电系统由引泄水系统及电站厂房系统两部分组成。其中引泄水系统一般由隧洞、竖井、斜井、调压设施等组成，主要特点是洞线长度较长、地质条件复杂，如遇到洞径较大、质量要求较高的或出现不良地质条件需要特殊处理的情况，则可能影响整个项目的工期。

电站厂房系统是由若干地下洞室群组成，特别是主厂房，体量大、埋藏深、开挖量集中、施工通道少、施工干扰大，正常情况下，地下厂房对整个项目的工期起决定性作用。在抽水蓄能电站施工进度可视化仿真中，最重要的就是针对上、下库系统和引水发电系统，分析其重要的主体建筑物，从而得出施工进度可视化仿真应针对的主要对象。

2 基于BIM的抽水蓄能电站施工进度可视化仿真实施方案

基于BIM的施工进度可视化仿真技术，是将设计阶段所完成的三维模型附加以时间维度T，构成4D施工模拟所需的BIM模型，通过在计算机上借助各种可视化软硬件对项目进行基于时间描述的四维施工仿真。其主要目的是按照工程项目的施工进度计划模拟建造过程，在虚拟环境中发现施工过程中可能存在的风险和问题，针对问题对资源和计划进行调整和修改，进而优化施工进度计划，指导施工管理。

2.1 基于WBS的项目进度计划制定

进度计划的制定是进行项目进度控制与施工模拟的第一步。而基于BIM的建设项目进度控制系统的进度计划制定，要建立在工作结构分解（WBS）的基础上。WBS将项目进行逐级分解为总项目、单体项目、项目任务、子任务、工作包，并以编码表示的若干大小不同的项目单元。

2.2 三维模型与进度信息的关联

将设计方案转换为三维模型后，需要在三维模型上附加第四维的进度信息。基于BIM的施工模拟中，进度信息的添加是非常关键的一步。首先根据WBS的分解原理，将三维模型中的构件分类合并为构件集，对应于最基本的工作包，代替单个构件。生成构件集后，则依据传统的计划进度编制方式，在进度计划软件中对工作的进度信息和前后搭接关系进行定义。最后再加这一进度模型导入至三维模型中，根据内生的规则自行对构件集和其进度信息进行关联，最终形成四维的模型，并能根据不同的时间节点进行动画的演示。

针对抽水蓄能水电站筹建备期的主要建筑物，考虑到三维模型的设计源于不同三维设计软件，三维模型数据文件多样，单纯采用传统的手工操作方法或基于构件集的方法并不能有效解决三维模型与进度信息的挂接问题，需将以上两种方法有效结合。

（1）分解工作包

分解工作包是建立施工模拟模型的关键，项目工期只有通过合理的分解，才能系统地将项目的工作逐步分解为各个工作包，再通过进度计划软件，在WBS的基础上，对各工作任务进行工期的安排。

工作包分解时，应进一步考虑具体施工情况，如洞身的开挖支护，开挖与支护交替进行，喷锚支护应在开挖后适时跟进，可将开挖支护这一子任务先细分为洞身开挖与洞身支护两个工作包，再在此基础上进行进一步的工作包分解，形成以周为基本工期单位的工作包。

工作包分解是对工程项目实施的主要工作任务以及工程项目技术系统的综合分解，它能把要进行的项目与可交付成果分解成为更小的、易于管理的组成部分，以便于和三维模型进行一一挂接。

（2）三维模型切分

原始三维模型并不能满足施工模拟的基本需求，需基于工作包的分解结果，对三维模型进行进一步的切块划分，如进厂交通洞的洞身是一个整体模型，需专门针对该模型切段划分，形成多个等间距的洞体。

三维模型的切分应综合考虑施工工期、工程量、工作包工期等多个因素，保证切分后的三维模型能够直接与工作包进行挂接，本工程针对进厂交通洞的三维模型，采用平均切分的方式，对三维模型进行了有效切分。

（3）基于施工进度模拟软件链接施工进度数据

施工进度模拟软件是利用BIM模型进行施工进度模拟的专用软件。Navisworks是一款用于分析、仿真和项目信息交流的软件，它将其他软件的设计数据整合集成进入单一项目模型，进行施工可视化分析、调整、优化，以便于后期进行可视化虚拟建造，预测和避免潜在的问题。

采用施工进度模拟软件可基于已完成BIM模型，采用外部链接（直接单向互用）的方式创建任务。在Navisworks软件中将BIM模型与Primavera P6等项目管理软件进行实时交互。

该软件在工程领域主要用于工程的进度管理，资源与造价管理，同时P6数据可通过格式转换方式，实现与Navisworks的数据互通。通过在Navisworks中读入P6的甘特图，与施工构件进行关联，即实现施工可视化4D模拟。

基于P6制作的施工进度计划，可通过格式转换方式将P6数据文件导入到Microsoft Project项目管理软件中，然后统一与三维模型一同导入到Navisworks平台进行集成，把模型中的模型块与编制计划中的工作包进行对应并建立链接。

3 施工进度可视化仿真在建设期的应用

本文以BIM理论及其相关软件为基础，建立施工可视化分析模型，并在Navisworks软件平台上展现基于BIM技术的施工可视化实施过程。通过结合河南天池抽水蓄能电站工程建设施工组织设计，针对通风兼安全洞、进厂交通洞、业主营地等筹建期典型建、构筑物进行基于BIM模型的施工可视化进行模拟和分析。通过Navisworks软件平台实现施工阶段信息的集成与共享，得到基于BIM技术的施工可视化模型，通过三维动态可视化的方式，使项目管理者直观地对项目进度计划进行分析，及时发现其中所存在的问题，以便在制定项目进度计划中对相关问题进行修正，合理进行事前控制。

3.1 施工进度动态管理

在施工过程中，可根据进度信息或者三维模型对项目施工进度进行查询、调整与控制，实现对项目施工进度的动态管理，指导施工的进行。同时可结合直观的3D BIM模型以及4D施工工艺展示，有效地管理检测整个工程项目的施工过程，有效地排查不合理的工期与计划施工方案。

在P6建立的施工进度数据，可与Navisworks建立单向链接关系，即当项目管理者对P6中的进度数据进行修改后，可在Navisworks中直接与P6数据进行更新同步，对施工进度的更新部分进行直接同步，而不影响施工任务与三维模型建立的原有链接关系。

3.2 施工进度动态展示

基于BIM技术的施工进度动态管理，可结合项目施工方案调整进度计划，找出施工过程中可能存在的问题，优化4D 虚拟建造过程；同时，当施工项目发生工程变更时，施工项目管理者依据变更情况对进度、资源等信息进行相应的调整，再将调整后的信息交互到BIM模型中，进行4D虚拟建造。完成进度调整后，利用4D虚拟建造过程模型进行施工进度动态展示。

3.3 工程施工进度监控

基于BIM技术的4D虚拟建造能够进行施工进度的查询和调整，展示动态的施工进度，同时能够利用4D虚拟建造对施工项目进行施工进度监控。

在4D虚拟施工模型中，通过工程实际进度与计划进度进行对比，进行进度偏差分析和进度预警。同时，项目管理者通过软件项目工期预警管理，清晰地看出滞后范围，并计算出滞后部分的工程量，然后针对滞后的工程部分，合理组织资源加快施工进度或进行进度调整。计划进度与实际进度对比如图1所示。

3.4 施工现场工序模拟

根据项目的实际情况，建立设备与场地的三维模型，对施工场地进行动态布置，对项目中重要的施工任务进行施工工序模拟。本工程中，基于Navisworks平台的Timeliner模块与Animator模块，针对进厂交通洞的平开挖过程进行施工工序模拟。

平洞开挖采用钻爆法开挖，本项目中基于现有4D模型，选取洞身典型段，对钻爆法的钻孔、爆破、开挖和废渣出场等过程进行模拟，实现施工现场的4D形象化展示。

同时，还可赋予各施工设施设备参数信息。当点取任何设施时，可以查询或修改设施的类型、型号和存在时间等施工属性信息，如图2所示。通过软件界面，可以实时查看场地施工机械及设施的分布，将施工进度与施工场地布置对应，形成4D施工场地的动态管理。

3.5 施工进度优化

基于BIM的4D进度管理，通过反复的施工过程模拟，在模拟环境中暴露施工阶段可能出现的问题，逐一修改，并提前制定应对措施，以获得最有施工方案和施工计划，指导实际的项目施工，从而保证项目的顺利实施。

4 基于.NET的施工进度可视化仿真开发

本工程基于Navisworks API与C#.NET开发设计Navisworks图例插件，辅助于施工模拟模型的查询审阅。

5 结束语

随着我国抽水蓄能电站建设的发展和施工技术的改进，工程规模和工程复杂度也越来越高，这给施工进度管理带来了挑战。如何制定进度计划，更好地指导实际施工，如何利用施工仿真，优化工程施工方法的选择，对抽水蓄能电站的施工组织设计和现场管理十分重要。

随着BIM技术的发展，越来越多的施工仿真模拟将与BIM模型相结合完成。与此同时，BIM技术意味着信息的集成，因此，如何利用BIM模型内的信息，让仿真过程能够从设计阶段到施工阶段依靠BIM模型内蕴，从而实现施工可视化仿真模拟的动态可调，让可視化仿真成果跟随项目进展不断根据实际进展进行再调整，从而形成基于BIM的施工进度实时控制方法，成为下一步研究的重点。

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