2020年08月05日 星期三
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一文讀懂基于BIM的施工模擬——虛擬建造

海南4+1 www.rbezg.com 隨著BIM技術在國內施工的推進,目前BIM技術已從原先對一些簡單的靜態碰撞分析發展到對整個項目進行全生命周期應用的階段。一個項目從施工進場開始,首先要面對的是如何對整個項目的施工場地進行合理布置。合理的場地布置能盡可能減少將來大型機械和臨時設施反復調整平面位置,盡最大限度地利用大型機械設施的性能。同時,能夠對物流材料做好需求分析,盡可能合理地安排材料進場和材料堆放,對現場人流進行合理的規劃,保證流水作業等。為避免上述問題,可以將BIM技術提前應用到施工現場臨時設施規劃階段,從而更好地指導施工,為企業降低施工風險與施工成本。

基于BIM的虛擬建造包括基于BIM的施工模擬、基于BIM的構件虛擬拼裝、基于BIM的施工現場臨時設施規劃等方面。其中基于BIM的構件虛擬拼裝包括了混凝土構件的虛擬拼裝、鋼構件的虛擬拼裝、幕墻工程虛擬拼裝以及機電設備工程虛擬拼裝;基于BIM的施工現場臨時設施規劃主要包括大型施工機械設施規劃、現場物流規劃、現場人流規劃等方面。


一、施工模擬

1、虛擬施工的概述


虛擬施工(Virtual Construction,簡稱VC),是實際施工過程在計算機上的虛擬實現。它采用虛擬現實和結構仿真等技術,在高性能計算機等設備的支持下群組協同工作。通過BIM技術建立建筑物的幾何模型和施工過程模型,可以實現對施工方案進行實時、交互和逼真的模擬,進而對已有的施工方案進行驗證、優化和完善,逐步替代傳統的施工方案編制方式和方案操作流程。


在對施工過程進行三維模擬操作中,能預知在實際施工過程中可能碰到的問題,提前避免和減少返工以及資源浪費的現象,優化施工方案,合理配置施工資源,節省施工成本,加快施工進度,控制施工質量,達到提高建筑施工效率的目的。 


基于BIM的虛擬施工技術體系流程。從體系架構中可以看出,在建筑工程項目中使用虛擬施工技術,將會是個龐大復雜的系統工程,其中包括了建立建筑結構三維模型、搭建虛擬施工環境、定義建筑構件的先后順序、對施工過程進行虛擬仿真、管線綜合碰撞檢測以及最優方案判定等不同階段,同時也涉及了建筑、結構、水暖電、安裝、裝飾等不同專業、不同人員之間的信息共享和協同工作。



BIM的載體是模型,核心是信息,其本質就是面向全過程的信息整合平臺。虛擬施工是通過仿真技術虛擬現實。隨著BIM的不斷成熟,將BIM技術與虛擬施工技術相結合,利用BIM技術,在虛擬環境中建模、模擬、分析設計與施工過程的數字化、可視化技術。通過虛擬施工,可以優化項目設計、施工過程控制和管理,提前發現設計和施工的問題,通過模擬找到解決方法,進而確定最佳設計和施工方案,用于指導真實的施工,最終大大降低返工成本和管理成本。


如果虛擬施工有效協同三維可視化功能再加上時間維度,可以進行進度模擬施工。4D模型虛擬施工隨時隨地直觀快速地將施工計劃與實際進展進行對比,同時進行有效協同,施工方、監理方、甚至非工程行業出身的業主、領導都能對工程項目的各種問題和情況了如指掌;5D模型對項目工程量進行準確測量,有效控制費成本支出;6D模型實現對安全環境的模擬,時時觀察環境變化,做好改善與預防措施。這樣通過BIM技術結合施工方案、施工模擬和現場視頻監測,減少建筑質量問題、安全問題,減少返工和整改。


虛擬施工的特點包括:

1.先試后建,正是因為它這一特點大大降低了施工過程中的返工率,節約了很大一部分成本。


2.分析與優化,對設計進行分析與優化,確??墑┕ば?。

整合設化,使各專業的協作在設計開始就“自然”地通過中心數據庫實現,無須具體人員的參與、組織、管理,設計中的交流、溝通顯而易見,基本上不需要任何成本。 

增強了設計優化的手段,設計、檢查協調、修改、再設計的循環過程,直至在施工之前解決所有設計問題,消除設計錯誤和設計忽略,減少施工中的返工成本。

工序上分化BIM模型和進度計劃軟件(如MS Project,P3等)的數據集成,實時監控施工進度,實時調整現場情況。 ü可建性分析,進行安全、施工空間、對環境影響等全面的可建性模擬分析。 

沖突碰撞檢查分析,建造前期對各專業的碰撞問題進行模擬,生成與提供可整體化協調的數據,解決傳統的二維圖紙會審耗時長、效率低、發現問題難的問題。


3.優化施工管理,清晰展示施工過程,各工種人員能清楚了解自己的工作內容和工作條件。




2、虛擬施工的目的及意義

? 4D施工模擬提升管理水平

施工進度計劃是項目建設和指導工程施工的重要技術文件,是施工單位進行生產和經濟活動的重要依據。進度管理是質量、進度、投資是三個建設管理環節的中心,直接影響到工期目標的實現和投資效益的發揮。施工進度計劃是施工組織設計的核心,通過合理安排施工順序,在勞動力、材料物資及資金消耗最少的情況下,按規定工期完成擬建工程施工任務。傳統進度管理的方式有基于二維圖紙、網絡圖等。


? 可建性模擬提高工作效率

為了工程如期完成,不同專業在同一區域、同一樓層交叉施工的情況是難以避免的。是否能夠組織協同好各方的施工順序以及施工區域,都會對工作效率和既定計劃查收產生影響。BIM技術可以通過施工模擬為各個專業施工方建立良好的協調管理提供支持和依據。


3、實現虛擬施工過程的仿真軟件


用于建模的Revit軟件本身不具備進行施工模擬的能力。要實現施工過程仿真需要一種能夠將BIM模型和施工進度安排相結合并以動畫形式展現的工具。這里使用的是Navisworks。


Navisworks的主要功能如下:

三維模型的實時漫游。 

模型整合 

碰撞校審 

模型渲染 

4D模擬 

支持PDMS和PDS模型 

模型發布


4、虛擬施工的運用

虛擬施工可比較不同的施工方案,對方案進行提前模擬和優化。

通過虛擬施工從設備投入、工期、施工措施費用等各方面精細的對比評估,能夠確定最優施工方案。

除了利用施工模擬技術優化施工方案外,基于BIM對構件進行虛擬拼裝和吊裝,對施工現場的臨時設施進行規劃等方面的應用也在逐步發展與成熟。


二、構件虛擬拼裝


構件出廠前的預拼裝和安吊裝等,與深化設計過程的預拼裝不同,主要體現在:深化設計階段構件的預拼裝主要是為了檢查深化設計的精度,其預拼裝的結果反饋到設計中對設計進行優化改進,從而提高預制構件生產設計的水平;而出廠前的預拼裝等主要融合了生產中的實際偏差信息,其預拼裝的結果反饋到實際生產中對生產過程工藝進行優化改進,同時對不合格的預制構件進行報廢,可提高預制構件生產加工的精度和質量,并提高建筑安裝水平。


1、混凝土構件的虛擬拼裝


在預制構件生產完成后,其相關的實際數據(如預埋件的實際位置、窗框的實際位置等參數)需要反饋到BIM模型中,對預制構件的BIM模型進行修正,在出廠前需要對修正的預制構件進行虛擬拼裝,旨在檢查生產中的細微偏差對安裝精度的影響。若經過虛擬拼裝顯示對安裝精度影響在可控范圍內,則可出廠進行現場安裝;反之,不合格的預制構件則需要重新加工。



2、鋼構件的虛擬拼裝


要實現鋼構件的虛擬預拼裝,首先要實現實物結構的虛擬化。實物虛擬化就是將真實的構件精確地轉化為數字模型。這種工作依據構件的大小有多種轉變的方法,目前可以直接利用的設備包括全站儀、三坐標檢測儀、激光掃描儀等。例如使用機器人全站儀對某工程選定的部位進行完整的空間點云數據采集,快速構建三維可視化模型。通過與BIM模型對比,在模型中顯示實體偏差,輸出實測實量數據,保證數據的真實客觀,并將精準的數據帶到現場工地,實現數字化和智能化,從而提高工作效率和精度。




采集數據后就需要分析實物產品模型與設計模型之間的差距。由于檢測坐標和設計坐標值的參照坐標系互不相同,所以在比較前必須將兩套坐標值轉化到同一坐標系下。利用空間解析幾何以及線性代數的一些理論和方法,可以將檢測坐標值轉化到設計坐標值的參照坐標系下,使得轉化后的檢測坐標與設計坐標盡可能接近,也就使得節點的理論模型和實物的數字模型盡可能重合以便后續的數據比較。


然后,分別計算每個控制點是否在規定的偏差范圍內,并在三維模型里逐個體現。通過這種方法,逐步用實物產品模型代替原有設計模型,形成實物模型組合,所有不協調和問題就都可以在模型中反映出來,也就代替了原有的預拼裝工作。


這里需要強調的是兩模型互合的過程中,必須使用“最優化”理論求解。因為構建拼裝時,工人能發揮主觀能動性,調整構件到最合理的位置。在虛擬拼裝過程中,如果構件比較復雜,手動調整模型比較難以調整到最合理的位置,容易發生誤判。


利用 Solidworks 軟件能夠創建鋼結構數字化三維立體模型,并實現鋼結構安裝動態仿真模擬,實現各種鋼構件裝配、吊裝的多種模擬試驗和優化工作。通過施工前大量的虛擬裝配及吊裝試驗和優化,可以改進鋼結構制作和安裝施工方案加以解決,從而為后續鋼構件的制作和安裝工作鋪平了道路,減少因設計盲點及其它因素導致工程返工而引發的不必要的經濟損失,提高施工效率。


根據設計圖紙,運用 Solidworks 三維建模軟件先按其中一個鋼構件的幾何尺寸建立基本模型。然后插入 Excel 系列零件設計表,將該類型鋼構件的主要控制尺寸填寫到該表中,在配置欄標明該構件的名稱。


通過建立的鋼構件數字化三維立體模型數據庫,創建出本項目鋼結構的全部數字化三維立體模型,以上構件完成建模后,就可以對其裝配及鋼結構構件安裝。先新建一個裝配體,在標準菜單的文件下拉菜單中點擊新建,在新建對話框中選擇裝配體,點擊確定,然后在插入零部件對話框中點擊瀏覽依次選擇要插入的零部件即可。裝配好的效果如圖。


構件安裝細節的三維動態仿真能夠通過Animator 插件實現。用 Animator 來對鋼構件進行三維動態模擬仿真安裝,有三個步驟:

(1)切換到動畫界面;

(2)根據構件運動的時間長度,拖動時間滑桿到相應的位置;

(3)拖動鋼構件,使其達到動畫序列末端應達到的新的位置。


3、幕墻工程虛擬拼裝


運用BIM技術可以有效地解決工廠集成過程前、中、后的信息創建、管理和傳遞的問題。利用BIM模型、三維構建圖紙、加工制造、組裝模擬等手段,即可為幕墻工廠集成階段的工作提供有效支持。同時,BIM的應用還可以將單元板塊工廠集成過程中創建的信息傳遞至下一階段的單元運輸、板塊存放等流程,并可進行全程跟蹤和控制。


4、機電設備工程虛擬拼裝


在機電工程項目中施工進度模擬優化,主要利用Navisworks軟件對整個施工機電設備進行虛擬拼裝模擬,方便現場管理人員及時對部分施工節點進行預演及虛擬拼裝,并有效控制進度。此外,利用三維動畫對計劃方案進行模擬拼裝,更容易讓人理解整個進度計劃流程。對于不足的環節可加以修改完善,對于所提出的新方案可再次通過動畫模擬進行優化,直至進度計劃方案合理可行。


在機電設備項目中,通過BIM的軟件平臺,采用立體動畫的方式,配合施工進度,可精確描述專項工程概況及施工場地的情況。依據相關的法律法規和規范性文件、標準、圖集、施工組織設計等模擬專項工程施工進度計劃、勞動力計劃材料與設備計劃等,找出專項施工方案的薄弱環節,有針對性地編制安全保障措施,使得施工安全保障措施的制定更加直觀、更加具有可操作性。例如,某超高層工程項目,結合工程特點在施工前將塔樓板式換熱機組吊裝方案模擬出來,讓業主、監理及施工方更直觀了解方案實施過程,便于查找方案風險因素,論證其可實施性,為工程的順利竣工提供保障。


三、施工現場臨時設施規劃


1、大型施工機械設施規劃


大型機械設施的規劃是整個項目施工現場臨時設施規劃中非常重要的一步。大型機械設施規劃的好壞,往往能決定一個項目的施工進度和項目成本。在傳統的大型機械設施平面規劃中,施工方案的制定往往需要在平面圖上推敲這些大型機械的合理布置方案。但是單一地看二維的CAD圖紙和施工方案,很難發現施工過程中的問題。而利用BIM技術就可以通過三維模型較直觀形象得選擇更合理的平面規劃布置,并清楚表達與建筑物主體結構的連接關系,選擇合適的施工技術方案,提前解決施工過程中可能存在的問題。


(1)塔吊規劃:

在施工過程中4臺塔吊可能存在下列互相影響的狀態:

相鄰塔吊機身旋轉時相互干擾;

雙機抬吊時塔吊巴桿非常接近;

相鄰塔吊輔助裝置塔吊爬升框時相互貼近;

臺風時節塔吊受風搖擺干擾。


塔吊相互影響的具體情況表現為:單臺塔吊在運作過程中需要360旋轉,不可避免會與相鄰塔吊有相互干擾。由于塔吊本身的起重能力有限,并且存在部分重型構件,不可避免地需要采用雙機抬吊的方式吊裝構件,所以需 要分析雙機抬吊的臨界狀態。巴桿的豎向角度為15.5度時,水平轉角為-58~58度,巴桿豎向角度為60度時,水平轉角為-71~71度。臺風季節風速大時,塔吊處于?;刺?,機身受風的影響可能左右擺動,因此需要保證機身擺動時也處于安全狀態。當一臺塔吊的爬升框需要安裝時,需要動用臨近的兩臺塔吊幫助吊裝。


為了準確判斷以上幾種情況出現時塔吊的運行位置,傳統的方法有兩種:第一種方法是利用CAD二維圖紙進行位置的測量和計算,分析塔吊的極限狀態;第二種方法是在現場觀察塔吊的運行狀態。這兩種方法都存在很大的缺陷,利用二維圖紙進行測算,往往不夠直觀,容易由于感官上的不足而導致問題產生;使用塔吊實際運行情況來分析的辦法雖然可以直觀準確地判斷臨界狀態,但往往費時、費力,從而影響施工進度。而基于BIM軟件進行塔吊的三維建模,并引入現場的模型進行分析,既可以通過三維的視角觀察塔吊的運行狀態,又能方便地調整塔吊的位置及工作狀態來判斷臨界狀態。


通過調整建立的三維模型中的參數值,能夠快速實現塔吊最佳臨近狀態的位置,這種方式不僅不影響現場施工,還能夠節約資源,縮短工期。



(2)施工電梯規劃


施工電梯的規劃可以根據現有的建筑場地模型以及施工方案確定。根據BIM模型能夠直觀地判斷出施工電梯所在的位置,與建筑物主體結構的連接關系,以及今后場地布置中人流、物流的疏散通道的關系?;箍梢栽謔┕で傲私飩窈笸餑磺絞┕び朧┕さ縑菁淶吶鱟參恢?,以便及早出具相關的外幕墻施工方案,以及施工電梯的拆除方案。

① 平面規劃

② 方案技術選型與模擬演示

③ 建模標準

④ 協調進度


在施工過程中,由于受到外界各個因素的干擾,施工進度不可能接完全按照原先計劃的施工方案所確定的節點進行,因此,經常需要根據實際的現場情況進行調整。


2、現場物流規劃


施工現場是一個涉及各種需求的復雜場地,其中建筑行業對于物流也有自己特殊的需求。BIM 技術首先是一個信息收集系統,可以有效地將整個建筑物的相關信息錄入收集,并以直觀的方式表現出來。但是,其中的信息到底如何應用,必須結合相關的施工管理應用。這里首先介紹現場物流管理如何收集和整理信息。


(1)材料的規劃

建筑工程涉及各種材料,有些材料為半成品,有些材料是完成品,對于不同的材料既有通用要求,也有特殊要求。材料進場應該有效地收集其運輸路線、堆放場地及材料本身的信息,材料本身信息、包含:

① 制造商的名稱;

② 產品標識(如品牌名稱、顏色、庫存編號等);

③ 任何其他的必要標示信息。


(2)材料的儲存

對于不同用途的材料,必須根據實際施工情況確定其儲存場地,應該明確地收集其儲存場地的信息和相關的進出場信息。


2、現場人流規劃


(1)現場總平面人流規劃 


現場總平面人流規劃需要考慮現場正常的進出安全通道和應急時的逃生通道、施工現場和生活區之間的通道連接等主要部分。施工現場分為平面和豎向,生活區主要是平面。在生活區需要按照總體策劃的人數規劃好辦公區,宿舍、食堂等生活區設施之間的人流。在施工區,需要考慮進出辦公區通道、生活區通道、安全區通道設施、現場人流安全設施等,以及隨著不同施工階段工況的改變,相應的調整安全通道。


利用BIM技術來模擬、分配和管理各種建筑物中人流規劃,采用三維模型來表現效果、檢查碰撞、調整布局,最終形成可以直觀展示的報告。


① 工作內容

數字化表達

采用三維的模擬展示,以Revit,Navisworks為模型構建和動畫演示的軟件平臺。這些模擬可能包括人流的疏散模擬結果、道路的交通要求、各種消防規范的安全約束系數等。

協同工作

采用軟件模擬,專業工程師在模擬過程中及時發現問題,并進行發現-記錄-解決流程,重新修訂方案和模型。


② 模型要求

在人流模擬前,需要定義模型的深度,模型的深度如表。


③ 交通人流4D模擬要求

使用Revit建模導出.nwc格式的圖形文件,并導入Navisworks中進行模擬;

Navisworks三維動畫視覺效果展示交通人流量運動碰撞時的場景;

按照相關規范要求、消防要求、建筑設計規范等,并按照施工方案指導模擬;

構筑物區域分解功能,同時展示各區域的交通流向、人員逃生路徑;

準確確定在碰撞發生后需要修改處的正確尺寸。



(2)豎向交通人流規劃


豎向人流通道設置在施工各個階段均不相同,需要考慮人員的上下通道,并與總平面水平通道布局相銜接??悸塹秸Mㄐ械陌踩?,應急時人員疏散通行的距離和速度,豎向通道位置均應與總平面的水平通道協調,考慮與水平通道口距離、吊機回轉半徑的安全范圍、結構施工空間影響、物流的協調等。通過BIM模擬施工各個階段上下通道的狀況,模擬出豎向交通人流的合理性、可靠性和安全性,滿足項目施工各階段進展的人員通行要求。


① 工作內容

豎向交通人流規劃的主要工作內容包括反映通道體型大小,構建基本形狀和尺寸等。同時,與主體模型結合后,反映出模型空間位置的合理性,結構安全的可靠性,以及與結構的連接方式。

人流模擬將利用Navisworks中的漫游功能,實現圖形仿真,從而可以準確查明個體在各處行走時,是否會出現撞頭、臨邊墜落等硬碰撞,與碰撞處理相結合控制人員運動,并調整模型。

采用軟件模擬,專業工程師在模擬過程中及時發現問題,并進行發現-記錄-解決流程,重新修訂方案和模型。

② 模型要求

基礎施工階段;結構施工階段;裝飾施工階段


(3)人流規劃與其他規劃的統籌協調


①工作內容

人流規劃是施工規劃中的一項重要內容,需要重點考慮三個方面的統籌與協調。一是人流規劃、機械規劃和物流規劃的界面協調。二是人流規劃與人員活動區域(辦公區、生活區、施工區)的關系協調。同時,與此相關的進出辦公通道、生活區通道、安全區通道等設施也需要作充分的考慮和協調。三是人流規劃與施工進度的關系協調。


上述三個方面的統籌與協調需要統一考慮下述問題:

相關規劃內容的BIM模型的統一標準。

相關規劃內容的BIM建模的統一標準。

相關規劃內容的BIM表達方式。


②實現目標

可視化:通過BIM可以讓我們實現施工項目在建造過程的溝通、討論和決策在“所見即所得”的方式下進行。

協調性:在BIM模型中實現靜態的差錯檢查,如人流是否和安全通道之間發生干涉或碰撞等。

動態模擬:如地震或者其他災害發生時,人員逃生模擬及消防人員疏散模擬。

優化目標:利用BIM靜態和動態功能,可以發現矛盾和沖突,因此可以更方便地對前期的一些不合理規劃進行調整和優化,實現管理和組織上的更高效率、安全,經濟效益更好。

統計和分析:根據施工進度建立和維護BIM模型,使用BIM平臺匯總施工規劃的各種信息,消除施工規劃中的信息孤島,并且將所有信息結合三維模型進行整理和存儲,實現施工規劃全過程項目各方信息的實時共享。


源:筑龍論壇

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