第三章 BIM施工模拟技术应用
第一节 BIM施工方案模拟简介
通过BIM技术建立建筑物的几何模型和施工过程模型，可以实现对施工方案进行实时、交互和逼真的模拟，进而对已有的施工方案进行验证、优化和完善，逐步代替传统的施工方案编制方式和方案操作流程。在对施工过程进行三维模拟操作中，能预知在实际施工过程中可能碰到的问题，提前避免和减少返工以及资源浪费的现象，优化施工方案，合理配置施工资源，节省施工成本，加快施工进度，控制施工质量，以达到提高建筑施工效率的目的。
一、施工方案模拟流程
施工方案模拟体系流程如图3-1所示。从体系架构中可以看出，在建筑工程项目中使用虚拟施工技术，将会是个庞杂繁复的系统工程，其中包括了建立建筑结构三维模型、搭建虚拟施工环境、定义建筑构件的先后顺序、对施工过程进行虚拟仿真、管线综合碰撞检测以及最优方案判定等不同阶段，同时也涉及了建筑、结构、水暖电、安装、装饰等不同专业、不同人员之间的信息共享和协同工作。
图3-1 施工方案模拟体系流程
二、BIM施工方案模拟技术应用
施工方案模拟应用于建筑工程实践中，首先需要应用BIM软件Revit创建三维数字化建筑模型，然后可从该模型中自动生成二维图形信息及大量相关的非图形化的工程项目数据信息。借助于Revit强大的三维模型立体化效果和参数化设计能力，可以协调整个建筑工程项目信息管理，增强与客户沟通能力，及时获得包括项目设计、工作量、进度和运算方面的信息反馈，在很大程度上减少协调文档和数据信息不一致所造成的资源浪费。用Revit根据所创建的BIM模型可方便地转换为具有真实属性的建筑构件，促使视觉形体研究与真实的建筑构件相关联，从而实现BIM中的虚拟施工技术。
结合BIM技术，通过Revit软件和Navisworks软件，对在建的某超高层建筑的部分施工过程进行了模拟，探讨了基于BIM的虚拟施工方案在建筑施工中的应用。
某超高层建筑主楼地下4层，地上120层，总高度633m。竖向分为9个功能区，1区为大厅、商业、会议、餐饮区，2区至8区为办公区，9区为观光区，9区以上为屋顶皇冠。其中1区至8区顶部为设备避难层。外墙采用双层玻璃幕墙，内外幕墙之间形成垂直中庭。裙房地下5层，地上5层，高38m，如图3-2～图3-4所示。
图3-2 某超高层建筑效果图
图3-3 基于BIM的施工模拟
图3-4 施工模拟预演
项目的BIM技术应用过程中，总包单位作为项目BIM技术管理体系的核心，从设计单位拿到BIM的设计模型后，先将模型拆分给各个专业分包单位进行专业深化设计，深化完成后汇总到总包单位，并采用Navisworks软件对结构预留、隔墙位置、综合管线等进行碰撞校验，各分包单位在总包单位的统一领导下不断深化、完善施工模型，使之能够直接指导工程实践，不断完善施工方案。另外，Navisworks软件还可以实现对模型进行实时的可视化、漫游与体验；可以实现四维施工模拟，确定工程各项工作的开展顺序、持续时间及相互关系，反映出各专业的竣工进度与预测进度，从而指导现场施工。
在工程项目施工过程中，各专业分包单位要加强维护和应用BIM模型，按要求及时更新和深化BIM模型，并提交相应的BIM技术应用成果。对于复杂的节点，除利用BIM模型检查施工完成后是否有冲突外，还要模拟施工安装的过程，避免后安装构/配件由于运动路线受阻、操作空间不足等问题而无法施工，如图3-5所示。
图3-5 模拟管线安装顺序，查找潜在冲突
根据用三维建模软件Revit建立的BIM施工模型，确定合理的施工工序和进行完善的材料进场管理，进而编制详细的施工进度计划，制订出施工方案，便于指导项目工程施工。图3-6所示即为该项目的部分施工进度计划图。
图3-6 进度计划模拟
按照已制订的施工进度计划，再结合Autodesk Navisworks仿真优化工具来实现施工过程的三维模拟。通过三维的仿真模拟，可以提前发现并避免在实际施工中可能遇到的各种问题，如机电管线碰撞、构件安装错位等，以便指导现场施工和制订最佳施工方案，从整体上提高建筑的施工效率，确保施工质量，消除安全隐患，并有助于降低施工成本和减少时间消耗。图3-7所示即为三维施工进度模拟结果示意。
图3-7 进度模拟示意
例如，将某体育场BIM模型导入Ansys有限元分析软件的过程，有限元计算模型如图3-8所示，仿真计算结果如图3-9所示。
图3-8 某体育场有限元计算模型
图3-9 某体育场施工全过程仿真分析位移云图
对于结构体系复杂、施工难度大的结构，结构施工方案的合理性与施工技术的安全可靠性都需要验证，为此利用BIM技术建立试验模型，对施工方案进行动态展示，从而为试验提供模型基础信息。某体育场结构建立的BIM缩尺模型如图3-10所示，缩尺模型连接节点示意如图3-11所示。
图3-10 某体育场结构建立的BIM缩尺模型
图3-11 某体育场缩尺模型节点示意
长期以来，建筑工程中的事故时常发生。如何进行施工中的结构监测已成为国内外的前沿课题之一。对施工过程进行实时监测，特别是重要部位和关键工序，及时了解施工过程中结构的受力和运行状态具有重要意义。
三、BIM施工方案模拟应用案例
1.案例1 某基坑施工方案模拟
（1）概况 本案例施工任务是挖出一个长60m、宽20m、深度为5.5m的用作地下车库坑的基坑，施工时将分成4块区域分别由四台挖掘机进行开挖。
（2）施工仿真步骤
①确定制作施工模拟的步骤。
a.前期数据收集以及编制施工进度；
b.建立Revit场地模型；
c.设计施工机械模型；
d.完成4D施工模拟制作。
②前期数据收集以及编辑施工进度。
a.前期所要收集的数据包括通过全站仪或者GPS测量出的场地地理坐标以及长方形基坑四周的高程点坐标。
b.接下来要制订施工方案，见表3-1。
表3-1 施工进度安排（括号内数字表示标高）
③建立场地模型。
a.通过全站仪或者GPS测量出的场地高程点坐标文件存为txt格式，之后将其导入Revit当中去，利用Revit中的场地选项建立场地表面模型。
b.通过测量的坐标确定出基坑的位置并在二维平面图上标出，用建筑地坪命令创建出一个基坑模型，基坑模型效果如图3-12所示。
图3-12 生成基坑模型
c.通过Revit中的体量功能，创建各种施工车辆的模型，也可以到网络族库中下载得到。
挖掘机构件较复杂，可由CAD或Inventor制作之后以DWG文件格式导入到Revit中进行应用。同时，这些族文件需要通过场地构件的方式导入Revit，否则这些施工车辆模型会产生不能与场地贴合的问题。
d.建立土方模型。为了便于用Navisworks进行施工模拟，基坑内土方模型可以用楼板来建立，或者用内建模型，只需要将楼板（或体量）的材质调为土层即可。由实际土方挖运的顺序逆向建立土方模型，即从第六层开始，按照标高的顺序，填满每一层一直到第一层，第一层的土方不要铺满，要随地面坡度适量增减，最后使用楼板创建的土方量等于实际所挖土方量相等即可，这样可以表现出地形的高低变化趋势从而模拟场地的原始状态。在本案例中，兼顾工作量和仿真的真实性，即用若干块长度为7.5m，宽度为2.5m，厚度为1.1m的楼板块（土方）填满基坑。
同时，在创建土方模型期间，要对每块土方进行命名，命名时要考虑到的因素有：所在的工作区域，所在的层数，以及挖运的顺序。如图3-13中白色土方为4-1-1号土方即表示4号挖土机所工作的4区域的第1层挖运工作中的第1块土方。这样的命名工作可以使以后的Navisworks动画模拟处理起来更加方便快捷。
图3-13 填充土方，完成基坑模型
（3）施工模拟动画的制作
①Timeliner处理。施工过程可视化模拟可以日、周、月为时间单位，按不同的时间间隔对施工进度进行正序模拟，形象地反映施工计划和实际进度。首先用Microsoft Project建立较为具体的土方挖运工作进度安排表，工作进度安排表需要细化到每一块土方，即每一块土方都要建立与自身相对应的任务，由于土方挖运的工期较短，所以每一块土方挖除的开始和结束时间都要精确到小时，并且土方的任务类型都是“拆除”。再通过Navisworks中的数据源选项将其导入到Navisworks中的Timeliner。
②Animation设计。在Animation中创建动画，先后捕捉挖掘机、卡车等场地构件，用旋转、平移等命令，模拟出施工车辆工作的动画。制作Animaton的过程中需要统筹施工车辆调度，即如果卡车数量太少，挖掘机挖出的土方装满卡车以后，卡车要有一个运出土方的过程，没有另外的卡车及时补上的话，势必会造成挖掘机停工的现象，降低了工作效率。
由此可以设计出优化方案，即挖掘机挖土运送到卡车上，卡车装满之后将土方运走，另一辆卡车在前一辆卡车运土之前及时补上，同时还要注意避免运送土方的卡车数量过多造成施工道路拥挤的情况。通过这样的分析得出的车辆优化工作方案可以避免挖掘机暂时停工的现象，提高施工效率。设计动画的过程中要调度好各类车辆，在Animation中安排好时间分配，以实现效率的最大化。除此以外也可以制作视点动画以及漫游动画，后期处理时与施工车辆调度动画一起添加到Timeliner中，使制作出来的动画更具立体感、画面感与层次感，并且可以全方位地展示施工现场。
这样就制作完成了基坑挖运的施工模拟。最后，用Navisworks中的Presenter渲染功能对场景进行渲染，再以AVI格式导出即可得到施工模拟的4D动画了。另外，导出动画的时候用Presenter导出可以使动画的效果更具有真实感。
③基于BIM施工仿真模拟的优势。三维可视化功能再加上时间维度，可以进行包括基坑工程在内任意施工形式的施工模拟。同时有效地协同工作，打破基坑设计、施工和监测之间的传统隔阂，实现多方无障碍的信息共享，让不同的团队可以共同工作，通过添加时间轴的4D变形动画可以准确判断基坑的变形趋势，让工程施工阶段的任意人群如施工方，监理方，甚至非工程行业出身的业主及领导都能掌握基坑工程实施的形式以及运作方式。
通过输入实际施工计划与计划施工计划，可以直观快速地将施工计划与实际进展进行对比。这样将BIM技术与施工方案、施工模拟和现场视频监测相结合，可减少建筑质量问题、安全问题。并且通过三维可视化沟通加强管理团队对成本、进度计划及质量的直观控制，提高工作效率，降低差错率，减少现场返工，节约投资，并给使用者带来新增价值。
通过在Animation中对施工车辆工作时间、工作方式的设计，克服了以往做Navisworks动画的时候施工项目与施工机械相隔离的缺点，使Animation不仅仅停留在动画设计的功能上，更能用来分析施工现场，提高工作效率等，这样就能使案例中基坑挖运的整个过程更加具有可读性和真实性。
同时，这一技术或平台在教学中也能体现优势，既能以案例教学的方法安排教学内容，又能借助BIM的完整性以及可视化等特点配合案例教学中各部分的内容，将传统教学内容中零散的知识以项目全寿命周期为主线形成系统完整的教学安排，提高学生对建筑空间关系的认识，达到综合运用相关知识的能力。而且利用BIM，不仅生动形象，可互操作，提高课堂教学的效率，BIM提供的虚拟平台还能使学生自主完成课程实践内容，提高学生动手能力，真正将理论和实践联系起来。
由于工期相对而言较短，模拟难度较大，因此基坑挖运通常是被制作者忽视的环节。但是在整个建筑施工过程中，基坑挖运的确是不可或缺的重要部分，在本案例建立Revit模型时，也可以添加进防沙板、活动屋等场地构件，或者应用Civil 3D对场地进行更加细致的处理，这样还会使场地模型更加真实。另外，用Navisworks进行动画制作时，可以用统筹学的知识对施工车辆调度进行优化，甚至可以运用实际参数，运用相关理论计算施工车辆工作路线，制订细化到每一台卡车与挖掘机的工作安排，进而可以进一步提高工作效率，体现了BIM信息一致化的特点，使项目更具有可靠性和可研究性。因此，做好基坑挖运的施工模拟，能更好地模拟出整个施工过程，使施工模拟更加完整真实，这也就是本项目的最大价值所在。
2.案例2 某基坑开挖模拟
基坑4D施工监测系统总架构如图3-14所示。
图3-14 基坑4D施工监测系统总架构
（1）概况 深基坑开挖不但要保证基坑自身的安全与稳定，而且要有效控制基坑周围地层移动以保护周边环境。一则由于地下20m深度内的地层多属于软弱的黏性土，土强度低，含水量高，有很大的流变性，在这类地层进行深基坑开挖和施工，极易产生较大的地层移动；再者由于城市中深基坑周边常碰到重要的市政设施（如地铁、隧道、管沟等）、浅基础民宅等，这些建筑大多结构差、设施陈旧，对变形的反应较为敏感。
基坑工程的监测技术是指基坑在开挖施工过程中，用科学仪器、设备和手段对支护系统、周边环境（如土体，建筑物，道路，地下设施等）的位移、倾斜、沉降、应力、开裂、基底隆起以及地下水位的动态变化、土层孔隙水压力变化等进行综合监测。然后，根据开挖期间监测到的结构和土体变位等各种信息，对勘察、设计所预期的性状与监测结果及时比较，对原设计进行评价并判断施工方案的合理性，修正原设计的不足，预测下一段施工可能出现的新行为、新动态，为进行合理组织施工提供可靠的信息，对后续的开挖方案与开挖步骤提出建议，对施工过程中可能出现的险情进行及时的预报，当发现有异常情况时立即采取必要的工程措施，将问题扼制在萌芽状态，以确保基坑工程的安全施工。
（2）施工模拟方案 基于3D GIS技术、BIM技术、虚拟现实技术和基坑综合监控系统、三维有限元开挖模拟与分析技术，以及基坑周边的地理空间信息，开发基于深基坑4D监测系统，提升基坑施工过程的可视化、精细化管理水平和工作效率，将安全隐患消灭在萌芽状态、杜绝安全事故的发生，为保障工程施工质量和施工进度提供技术支撑。
基于BIM技术的深基坑施工4D监控系统是与深基坑施工工况相结合的深基坑三维模型显示监测系统，通过计算机三维显示技术实现深基坑施工工况的参数化模拟，由三维图形能直观地表达出深基坑及其周边环境各监测点随施工工况变化的监测数据历时情况，体现了监测数据的时空效应，同时通过计算机互联网实现了深基坑监测数据的分布式管理，并能根据监测的数据计算预测下一步工程施工时深基坑及其周边环境的安全，能极大的方便各级管理与技术人员对监测数据的管理与分析，进而能较迅速与准确地判定与反馈深基坑的安全状态，指导深基坑施工。
采集层主要包括人工录入和系统集成。其中动态监测数据是可以通过人工获取监测器采集来的数据录入到本系统中，也可以将在线监测系统通过网络接入本系统；静态模型数据可以通过平台维护管理员在系统初始化中导入，同时支持开发数据接口，导入已经完成电子化的数据；BIM模型通过平台工具转换处理后导入到系统，3DS模型可直接添加到系统，基坑监测系统和视频监控则是将第三方网络视频监控系统集成到本平台上。
数据层主要包括业务应用数据库和地理空间数据库两类。其中业务应用数据库包含系统管理和业务应用产生的各类数据：静态模型信息数据库、动态模拟仿真数据库、动态监测数据库、操作日志数据库、用户权限数据库等；地理空间数据库包含构建整个数字地球三维场景的各类基础数据：遥感影像数据库、矢量地图数据库、数字高程模型数据库、BIM模型数据库、建筑三维数据库。
平台层即整个系统的三维地理空间信息支撑平台，包含空间数据构建子系统、空间数据服务子系统和空间数据承载应用子系统。平台层通过各类地理空间数据的融合处理以及业务员数据的组织调用，在3D数字地球引擎软件的支撑下创建真实的深基坑施工状态仿真与监测平台。
应用层由系统管理模块、业务应用模块两部分构成。
①系统管理模块 主要由用户管理、基于用户角色的访问权限控制、日志管理和查询等功能构成。
②业务应用模块
a.基坑地上地下无缝三维浏览：通过鼠标拖拽和键盘操作，实现地面与地下的无缝自由三维浏览漫游。
b.静态数据展示：在三维场景中，通过拉框、圈选、点选、模糊查询、缓冲区查询等方式，对选取区域内模型的静态数据进行查询和定位。根据实际应用需要，提供距离量测、坐标和标高输出等辅助功能。
c.动态数据展示：可以通过录入窗口编辑指定模型的动态数据，通过模型的形状、位置、颜色的改变实时体现模型数据状态，通过拉框、圈选、点选、模糊查询、缓冲区查询等方式，对选取区域内模型的动态数据进行查询和定位；可沿时间轴展示上述信息发展的变化历程，可追溯任意历史时间点的信息数据并展示；根据实际应用需要，提供地面沉降量（体积）的统计、各类变形监测数据的二维曲线图等辅助功能；根据实际应用需要，展示地面、地下作业面的实时监控视频画面的相关信息。
d.动态报警功能：可以预设动态数据的状态值区间，比如地面沉降0～0.01cm为正常，0.01～0.02cm为轻微沉降，0.02～0.03cm为严重沉降等，当动态数据达到非正常状态时，系统可通过改变动态数据相应模型的颜色，警告列表和及时定位的形式实现动态报警功能。
e.场景浏览漫游：二维地形和三维场景的浏览漫游；支持自定义和手动路径的浏览漫游，以及以第一人称视角和飞行视角进行浏览漫游；支持二维及三维状态的切换。
f.属性信息查询：支持以多种方式查询并展示地层信息、地下管线信息、地面道路、建筑等环境信息。
g.施工模拟仿真：在加载了各类静态信息的三维平台上，模拟建设进度、基坑结构变形（沉降和收敛）、周边地面沉降形态、管线变形沉降、周边重要建筑物的沉降倾斜等监测数据，并进行应用仿真。
h.施工动态监测：支持以多种方式查询并展示建设进度、结构变形（沉降和收敛）、周边地面沉降形态、管线变形沉降、周边重要建筑物的沉降倾斜等监测数据。
i.空间量测分析：提供距离量测、面积量测、高度量测、坐标获取和标高输出等辅助功能；根据实际应用需要，提供地面沉降量（体积）的统计、各类变形监测数据的二维曲线图等辅助功能。
j.实时视频监控：根据实际应用需要，接入展示地面、地下作业面的实时监控视频画面的相关信息等。
k.历史数据查询：可沿时间轴展示建设进度、结构变形（沉降和收敛）、周边地面沉降形态、管线变形沉降、周边重要建筑物的沉降倾斜等监测数据发展的变化历程，可追溯任意历史时间点的信息数据并展示。
l.监测分析报警：分析各类变形监测数据的发展规律，采用颜色或其他指示方式动态反应各类监测对象的预警状态（如蓝色、黄色、橙色、红色预警级别），当监测数据达到某一警戒值时，提供图形化报警功能。
基于3D GIS、BIM技术的施工优化与监测数据管理分析系统，将非常有利于保证深基坑项目的顺利实施，把基坑施工的风险减小到最低程度，从技术上保证方案的优化，对基坑的施工将起到关键性的作用，深基坑信息化施工效率也将进一步提高。
3.案例3 某工程BIM施工优化模拟
某工程基于BIM建筑施工优化模拟展示如图3-15所示。
图3-15 建筑施工优化模拟