舒 暢，陳甫亮（ 湖南城市學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 43000； 長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 404）

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基于BIM技術(shù)的施工方案優(yōu)化研究

舒 暢1，陳甫亮2
（1 湖南城市學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000；2 長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

摘 要：隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的以二維方式表現(xiàn)的施工方案已經(jīng)無(wú)法滿足使用需求。本文以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)引入虛擬施工的概念，將BIM技術(shù)與虛擬施工結(jié)合在一起。通過(guò)對(duì)施工方案的分析研究，總結(jié)了施工方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與優(yōu)化方法。用Revit系列三維建模軟件和NavisWorks模擬施工軟件進(jìn)行3D建模，并通過(guò)相關(guān)的信息模型從可視化協(xié)助施工和碰撞檢測(cè)這兩個(gè)角度進(jìn)行施工方案進(jìn)行分析與研究，實(shí)現(xiàn)了施工方案的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；虛擬施工；三維模型；施工方案優(yōu)化

建 筑信 息 模 型 （ Building Information Modeling，BIM）技術(shù)是使用數(shù)字化的表示方式，以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成工程項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)管理［1］。BIM技術(shù)正在引發(fā)工程建設(shè)行業(yè)一次史無(wú)前例的徹底變革，并給采用該模型的建筑企業(yè)帶來(lái)極大的新增價(jià)值［2］。本文以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)引入虛擬施工的概念，將BIM技術(shù)與虛擬施工結(jié)合在一起，用三維建模軟件和模擬施工軟件進(jìn)行3D建模，以確保設(shè)計(jì)與施工方案的可行性，提高項(xiàng)目的生產(chǎn)效率。

1　BIM技術(shù)與虛擬施工

1.1BIM技術(shù)的概念及其特點(diǎn)

BIM 最初發(fā)源于上世紀(jì) 70年代的美國(guó)，Chuck Eastman提出：將一個(gè)建筑建設(shè)項(xiàng)目的所有信息綜合

在一個(gè)單一的模型中，其中包含了幾何特性、構(gòu)建信息以及功能要求等。這個(gè)模型的信息還包括了施工進(jìn)度和建造過(guò)程的過(guò)程控制信息［3］。

BIM支持項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)全生命周期，通過(guò)參數(shù)化的建模方式將建設(shè)項(xiàng)目中建筑、結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備等一系列相關(guān)建筑信息輸入BIM模型中，構(gòu)成一個(gè)信息載體。通過(guò)BIM技術(shù)的3D表達(dá)，能幫助項(xiàng)目各參與方更好地理解建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)情況，理解設(shè)計(jì)意圖，檢查設(shè)計(jì)空間的碰撞情況。

BIM技術(shù)相比常規(guī)的建造模式在各方面具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，如表1.1所示：

表1.1　BIM技術(shù)與常規(guī)建造模式的比較

1.2虛擬施工技術(shù)的定義與特點(diǎn)

虛擬施工是由虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)組合而成。虛擬現(xiàn)實(shí)以一種綜合的方法融入了多種技術(shù)，包括建模技術(shù)、聲音模擬技術(shù)、觸覺反饋技術(shù)、智能反饋技術(shù)、智能交互技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)［4］。通俗一點(diǎn)說(shuō)就是在多維的信息空間中，將用戶放置于一個(gè)虛擬的環(huán)境下，使其有身臨其境的感覺。仿真技術(shù)是以計(jì)算機(jī)和多種專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型，對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究的一門新型技術(shù)［5］。結(jié)合施工過(guò)程的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真內(nèi)力分析計(jì)算技術(shù)作用于優(yōu)化施工方案的整個(gè)過(guò)程就是虛擬施工［6］。

虛擬施工的特點(diǎn)包括：

（1）先試后建。正是因?yàn)樗@一特點(diǎn)大大降低了施工過(guò)程中的返工率，節(jié)約成本。

（2）分析與優(yōu)化。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與優(yōu)化，確保可施工性。

1.3基于BIM的虛擬施工技術(shù)

以大型數(shù)據(jù)庫(kù)為核心構(gòu)建的BIM信息模型，為虛擬施工提供了一個(gè)工作平臺(tái)?；贐IM平臺(tái)的虛擬施工，不僅能夠提前發(fā)現(xiàn)具體項(xiàng)目中的各種設(shè)計(jì)施工以及運(yùn)營(yíng)管理上的問(wèn)題，還可以實(shí)現(xiàn)各種信息資源的一體化項(xiàng)目管理，有效提高項(xiàng)目管理水平。

BIM的載體是模型，核心是信息，其本質(zhì)就是面向全過(guò)程的信息整合平臺(tái)。隨著BIM的不斷成熟，將BIM技術(shù)與虛擬施工技術(shù)相結(jié)合，利用BIM技術(shù)，在虛擬環(huán)境中建模、模擬、分析設(shè)計(jì)與施工過(guò)程的數(shù)字化、可視化技術(shù)。通過(guò)虛擬施工，可以優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)、優(yōu)化施工過(guò)程、優(yōu)化施工管理，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和施工或的問(wèn)題，通過(guò)模擬找到解決方法，進(jìn)而確定最佳設(shè)計(jì)和施工方案，用于指導(dǎo)真實(shí)的施工?；贐IM的虛擬施工技術(shù)的應(yīng)用將大大降低建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和管理成本。

2　施工方案評(píng)價(jià)與優(yōu)化

作為施工組織設(shè)計(jì)的核心，施工方案是否合理與工程成本的高低、工期以及施工的質(zhì)量等方面有著密切的聯(lián)系。對(duì)于施工方來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的施工方案能保證工程的順利中標(biāo)和施工建設(shè)有序的進(jìn)行。施工方案的內(nèi)容包括：施工順序安排、施工機(jī)械選擇、施工方法的確定、施工方案選擇的原則以及評(píng)價(jià)施工方案的指標(biāo)等。

2.1施工方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)

項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中包含了許多的工種和工程，在施工組織時(shí)可以采用不同的施工方法和施工順序來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同工種之間的配合也可以通過(guò)不同的組織方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。為得到最符合該項(xiàng)目的最優(yōu)施工方案，可以將幾個(gè)可行的施工方案放在特定的經(jīng)濟(jì)背景下，考慮各種與項(xiàng)目相關(guān)的因素，考察其未來(lái)的效果，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

根據(jù)建筑施工的特點(diǎn)，總結(jié)出施工方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以分為兩級(jí)，第一級(jí)指標(biāo)包括經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、質(zhì)量安全指標(biāo)、施工技術(shù)指標(biāo)和工期指標(biāo)。第二級(jí)指標(biāo)包含：人工費(fèi)、施工機(jī)具使用費(fèi)、材料費(fèi)、其他費(fèi)用、質(zhì)量保證程度、安全保證程度、文明施工程度、施工工藝、施工機(jī)械化程度、進(jìn)度計(jì)劃、工期和工期保證程度總共12項(xiàng)分指標(biāo)。

2.2施工方案的評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法

施工方案的指標(biāo)分為上述12個(gè)具體的指標(biāo)，利用這些指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)施工方案，一般來(lái)講有定性評(píng)價(jià)、定量評(píng)價(jià)和綜合評(píng)判三種方法。

（1）定性評(píng)價(jià)。當(dāng)建設(shè)項(xiàng)目施工方案的某些評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)法用具體的數(shù)目來(lái)表達(dá)或者獲得具體數(shù)據(jù)較為困難時(shí)，可使用定性分析評(píng)價(jià)施工方案的好壞。

（2）定量評(píng)價(jià)。對(duì)于人工費(fèi)﹑機(jī)械費(fèi)﹑材料費(fèi)、其他費(fèi)用以及工期這些指標(biāo)都是具體的數(shù)字指標(biāo)，可以用數(shù)量指標(biāo)衡量進(jìn)行對(duì)比分析得出某項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu)方案。

（3）綜合評(píng)判。施工方案的評(píng)價(jià)是一個(gè)多目標(biāo)決策過(guò)程，必須按照多目標(biāo)決策分析原理和方法對(duì)經(jīng)濟(jì)﹑質(zhì)量安全等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行全面綜合的分析。首先應(yīng)該對(duì)定性的指標(biāo)進(jìn)行量化，通過(guò)引入“專家評(píng)分法”對(duì)各定性指標(biāo)進(jìn)行處理。

各個(gè)指標(biāo)對(duì)于工程的影響程度是不同的，為了能夠更好地優(yōu)化施工方案引入了“權(quán)重”。權(quán)重表示在評(píng)價(jià)過(guò)程中，被評(píng)價(jià)對(duì)象的不同側(cè)面的重要程度的定量分配，對(duì)各評(píng)價(jià)因子在總體評(píng)價(jià)中的作用進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。

施工方案的優(yōu)化主要涉及兩個(gè)層面：一是對(duì)方案指標(biāo)（包括、質(zhì)量、安全和成本等）的優(yōu)化；二是對(duì)施工程序、施工順序、施工方法等具體內(nèi)容的優(yōu)化［7］。

目前，國(guó)內(nèi)外常用的優(yōu)化方法有：定性分析的方法、功能評(píng)價(jià)系數(shù)法、施工方案綜合評(píng)價(jià)法、運(yùn)籌學(xué)優(yōu)選法、模糊數(shù)學(xué)優(yōu)選法等［8］。

3　基于BIM技術(shù)的施工方案模擬與優(yōu)化

3.1三維模型的建立

運(yùn)用Autodesk公司旗下的BIM核心建模軟件Revit進(jìn)行建筑物的三維建模。該系列軟件包含Revit architecture（建筑）、Revit structure（結(jié)構(gòu)）和Revit MEP（機(jī)電）三種軟件。

首先，通過(guò)Revit architecture和Revit structure分別建立起該建筑物的建筑圖和結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行渲染，如圖3.1、圖3.2所示：

圖3.1　三維建筑模型

圖3.2　三維建筑模型

然后根據(jù)會(huì)議中心的建筑模型的相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用Revit MEP軟件得出建筑物的機(jī)電模型。

最后運(yùn)用NavisWorks Manage整合分析軟件將建筑、機(jī)電、結(jié)構(gòu)整合到一張圖上顯示出來(lái)，形成完整的三維模型。

3.2施工方案的分析與優(yōu)化

（1）可視化協(xié)助施工。與以往按照二維施工圖進(jìn)行施工不一樣，基于 BIM 三維模型的施工可以提前對(duì)建成后的效果進(jìn)行感受，能使建造人員對(duì)所建建筑有一個(gè)整體的把握。在NavisWorks中通過(guò)使用“第三人行走”和漫游的方式實(shí)現(xiàn)所建項(xiàng)目?jī)?nèi)部可視化。

通過(guò)人在房間漫游行走并可以按照人的視點(diǎn)做成一個(gè)視頻，通過(guò)對(duì)視頻的觀看可以間接檢查管線的碰撞問(wèn)題和熟悉建筑的大體布局。

（2）碰撞檢測(cè)。碰撞檢測(cè)就是在電腦上提前對(duì)不同專業(yè)組合而成的三維建筑信息模型進(jìn)行空間上的碰撞沖突檢測(cè)?？梢栽谑┕で斑M(jìn)行三維模型碰撞檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并對(duì)碰撞點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記和標(biāo)注，通過(guò)業(yè)主方，要求設(shè)計(jì)單位進(jìn)行更改，避免了施工方因?yàn)橹型驹O(shè)計(jì)變更導(dǎo)致進(jìn)度、人力以及成本的損失。

最后通過(guò)外部接口導(dǎo)出測(cè)試報(bào)告，作為原設(shè)計(jì)需要變更的依據(jù)發(fā)給設(shè)計(jì)單位進(jìn)行整改。

4　結(jié)論

4.1研究了基于BIM的虛擬施工技術(shù)，分別總結(jié)了 BIM技術(shù)和虛擬施工技術(shù)的特點(diǎn)以及目前的運(yùn)用情況，闡述了基于BIM的虛擬施工技術(shù)的具體運(yùn)用原理和應(yīng)用范圍。

4.2通過(guò)對(duì)施工方案的分析研究，得出了評(píng)價(jià)施工方案的12個(gè)指標(biāo)，使用專家打分法將指標(biāo)進(jìn)行量化，根據(jù)指標(biāo)的重要程度附上相應(yīng)的權(quán)重值。同時(shí)也總結(jié)了工程常用優(yōu)化方法。

4.3結(jié)合案例運(yùn)用 Revit系列三維建模軟件和 NavisWorks模擬施工軟件建立了建筑物的三維模型，并通過(guò)NavisWorks軟件對(duì)Revit建立的模型進(jìn)行整合。

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（責(zé)任編輯：張時(shí)瑋）

中圖分類號(hào)：U415.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.002

文章編號(hào)：1672–7304（2016）01–0005–03

作者簡(jiǎn)介：舒暢（1988-），女，湖南益陽(yáng)人，研究方向：工程結(jié)構(gòu)及工程管理。

Construction Program Optimization Research Based on BIM Virtual Construction Technology

SHU Chang1，CHEN Fu-liang2
（1.Hunan City University，Yiyang，Hunan，413000；2.Changsha University of Sic& Tech， Changsha， Hunan， 410114）

Abstract:With the rapid development of architecture， the conventional construction program which is presented with 2D drawings is out of date and cannot meet the engineering requirement. Based on BIM technology，by introducing the concept of virtual construction，combine the BIM technology and virtual construction together. Analyze the construction program and summarize the assessment system as well as optimization methods. Use a series of Revit 3d modeling software and NavisWorks construction simulation software for 3D modeling. Analyze and optimize the construction program through model visualization assisted construction and collision detection from information model.

Keywords:BIM technology；Virtual Construction；Construction Program Optimization； 3D molding