基于BIM的水利工程4D進度監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

陶玉波　藺志剛　董甲甲

摘要：為了實現(xiàn)水利工程建設(shè)進度計劃的優(yōu)化和實際進度的實時感知與控制，采用基于BIM的4D進度監(jiān)控系統(tǒng)可以有效解決施工過程中的“信息孤島”現(xiàn)象，給施工管理提供新的視角。該系統(tǒng)將采集到的BIM信息放入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，并通過人機交互即點即顯的方式展示出來;利用數(shù)據(jù)庫中的計劃進度和現(xiàn)場采集到的實際進度驅(qū)動數(shù)字化模型，用不同的顏色表示計劃進度和實際進度，實現(xiàn)進度偏差的對比，通過異常記錄分析和仿真計算，采取趕工措施，確保進度目標的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：4D進度監(jiān)控系統(tǒng);虛擬建造;進度采集;進度優(yōu)化;水利工程施工

中圖分類號：TV512;TU17

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.028

1 4D BIM進度監(jiān)控技術(shù)發(fā)展

通過使用新的技術(shù)以及與新興技術(shù)配套的生產(chǎn)流程，航空航天、汽車、電子等制造業(yè)在過去幾十年中不斷提升自己的生產(chǎn)效率，到現(xiàn)在已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，這也迫使建筑行業(yè)向其他行業(yè)學(xué)習(xí)新的技術(shù)和方法來提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量[1]。

隨著BIM（建筑信息模型）、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)的應(yīng)用，項目管理理論和技術(shù)有了新的發(fā)展支撐。在現(xiàn)有施工管理理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧施工的理念，充分融合BIM和4D技術(shù)，有效解決施工過程中的“信息孤島”現(xiàn)象，實現(xiàn)對施工進度計劃的優(yōu)化和施工實際進度的實時感知與控制，從而能夠及時發(fā)現(xiàn)進度偏差并給予合理、可信的糾正，彌補現(xiàn)有進度管理系統(tǒng)數(shù)字化程度不高、信息流轉(zhuǎn)不充分、更新周期長、無法可視化等缺陷，達到對建設(shè)項目進度管理優(yōu)化和促進的目的[2]。

4D BIM概念源于建筑產(chǎn)品模型和施工過程模型的整合，將時間（進度）維度插入到3D建筑信息模型上，形成4D模型[3]。該模型不僅包含3D模型的構(gòu)件參數(shù)，而且關(guān)聯(lián)著詳細的工程進度數(shù)據(jù)。運用4D BIM模型不僅可以模擬產(chǎn)品建造過程，而且具備過程分析功能，各參建單位之間可以進行無損信息傳遞。通過實時跟蹤監(jiān)控，可以顯著提高工程進度管理的效率與效果，提升企業(yè)管理水平。

研究如何在三維模型基礎(chǔ)上關(guān)聯(lián)時間維度實現(xiàn)4D模擬是國外BIM技術(shù)在進度管理應(yīng)用的重要方向。美國斯坦福大學(xué)整合設(shè)施工程中心（ CIFE）于1996年率先提出4D理論。在長期不懈努力下，CIFE成功關(guān)聯(lián)了3D模型及工程進度信息，使建造過程的可視化成為可能[4]。

我國對于4D模型和相關(guān)軟件的研究工作始于20世紀90年代，清華大學(xué)張建平著手建造過程動態(tài)模擬、工程進度控制和現(xiàn)場規(guī)劃三維可視化模擬。2004年，我國“十五”重點科技攻關(guān)項目將4D建模及應(yīng)用研究列為專題，4D建模研究成果在國家體育場項目中得到示范應(yīng)用，4D

項目管理的研究和推廣由此取得重大突破[5]。

2 基于達索系統(tǒng)的4D BIM技術(shù)方法研究

達索系統(tǒng)（ Dassault Systemes）是一家法國的軟件公司，致力于3D體驗、為企業(yè)和人們的可持續(xù)創(chuàng)新提供一個虛擬世界，是世界領(lǐng)先的3D設(shè)計軟件、3D數(shù)字化實體模型和產(chǎn)品生命周期管理（ PLM）解決方案供應(yīng)商。達索系統(tǒng)有一系列的設(shè)計展示分析軟件，主要以CATIA和Solidworks Composer為基礎(chǔ)，配合兩個軟件的二次開發(fā)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行開發(fā)。

系統(tǒng)開發(fā)平臺為Visual Studio.Net 2013，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計（ Object Oriented Programming，OOP）方法，采用組件對象模型（ COM）、對象連接與嵌入（ OLE）等技術(shù)，利用CAⅡA和Solidworks Composer開放的應(yīng)用程序編程接口（ Application Programming In-terface，API），對兩者已有的功能進行擴展，更好地服務(wù)于項目需求，定制專有交互式菜單，數(shù)據(jù)庫采用Mi-crosoft Sql Server2008。技術(shù)路線及系統(tǒng)架構(gòu)見圖1、圖2。

2.1 4D模型要求

以CATIA軟件為載體，創(chuàng)建設(shè)計模型，將項目按照整體工程、單位工程、分部分項工程、施工段、工序依次分解，按一定的進尺劃分為進度模型，工作分解結(jié)構(gòu)宜達到可支持制訂進度計劃的詳細程度，并包括任務(wù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。這是4D進度監(jiān)控系統(tǒng)的第一步，也是最基礎(chǔ)的工作。劃分進度模型采用自主二次開發(fā)的CATIA插件對CATIA模型進行快速劃分.見圖3。

該工具二次開發(fā)思路如下：

（1）在CATIA中建立支洞軸線。

（2）按分段間距建立軸線上的點，根據(jù)點建立分割平面。主要用到下列語句：

PointOnCurve（i）=oHSF. AddNewPointOnCurve-FromDistance（Curve，h*i，F(xiàn)alse）

SplitPlane （i） = oHSF. AddNewPlaneNormal（ Curve， PointOnCurve（i））

其中：h表示系列點間距;Curve表示系列點所在的曲線;PointOnCurve（i）表示曲線上定義間距為hl的系列點：AddNewPointOnCurveFromDistance表示CATIA建立曲線上點的方法;SplitPlane（i）表示分割平面;AddNewPlaneNormal表示CATIA曲線的法線平面建立的方法。

（3）用步驟（2）建立的平面對三維模型（隧洞、斜井等）進行分段。主要語句為：

HybridShapeSplit（i）= oHSF. AddNewHybridSplit（ OElement， SplitPlane（i）， dir）

其中：HybridShapeSplit（i）表示分段后的三維模型;AddNewHybridSplit表示CATIA分段的方法;OEle-ment表示需要分段的模型;dir表示分段的方向，保留左側(cè)或者右側(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

將CATIA 4D模型導(dǎo)人Solidworks Composer，Solidworks Composer作為達索系統(tǒng)的主要展示平臺，優(yōu)點在于當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生變化時不必重新創(chuàng)建，可大大節(jié)約時間和節(jié)省返工成本，而且它能通過3D動畫和創(chuàng)建交互產(chǎn)品文檔更好地傳達產(chǎn)品信息。4D BIM系統(tǒng)開發(fā)的主要工作是對Solidworks Composer插件和數(shù)據(jù)庫進行二次開發(fā)，利用數(shù)據(jù)庫驅(qū)動Solidworks Composer模型，其使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計，包括隱藏、顯示、修改顏色、創(chuàng)建剖切面、交互操作等所有的可視化方法、屬性或過程。

數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Sql Server2008，以4D模型名稱作為主鍵建立數(shù)據(jù)庫，其他字段包括每一段4D模型名稱對應(yīng)的工作面、計劃開挖時間、實際開挖時間、計劃襯砌時間、實際襯砌時間、樁號、工程量、基準樁號、開挖或襯砌方向等BIM信息。

2.3 實際進度監(jiān)控技術(shù)

在錄入進度時，首先選擇施工部位，然后選擇施工方向，填寫開始和結(jié)束日期，日期將平均分配到4D模型中。如圖4所示，例如從樁號K1+ 110到K1+ 180，施工方向為從小樁號到大樁號，開挖起止日期為2016-08-10和2016-08-23.系統(tǒng)將這一時間段平均分配到K1+1lO-K1+ 180之間的模型，然后更改這些模型的顏色，從而實現(xiàn)實際進度的輸入。主要關(guān)鍵技術(shù)如下。

（1）在數(shù)據(jù)庫中選擇符合樁號的模型，根據(jù)輸入的樁號選擇模型名稱，用sql中的select語句即可得到模型名稱。

（2）將符合條件的模型賦予已開挖的顏色。

模型在程序上以字符串的形式出現(xiàn)，如：”

2.5 計劃進度修改

計劃進度修改模塊主要是在數(shù)據(jù)庫中修改4D模型名稱對應(yīng)的計劃開挖時間或計劃襯砌時間。以某豎井的開挖為例，假設(shè)其對應(yīng)的4D模型名稱為豎井一分段1、豎井一分段2、豎井一分段3、……、豎井一分段80，共80段，最新的進度計劃為2017 -07 - 01-2017 - 12 -01，利用sql中的update語句將該段日期平均分配到這80段模型中，即可完成計劃進度的修改。

3 工程應(yīng)用

蘭州市水源地工程將劉家峽水庫作為引水水源地，向蘭州市供水。工程包括取水口、輸水隧洞主洞、分水井、蘆家坪輸水支線、彭家坪輸水支線及其調(diào)流調(diào)壓站、蘆家坪水廠和彭家坪水廠等。由于要解決迫切的民生問題，建設(shè)工期異常緊迫，設(shè)計常規(guī)工期為40個月，而實際要求工期為17個月，因此要求除了使用常規(guī)手段如增加工作面、改進施工工藝等外，還要使用先進的、信息化的管理手段實現(xiàn)進度目標。4D BIM進度監(jiān)控系統(tǒng)在蘭州水源地工程進行了實際應(yīng)用。系統(tǒng)主界面見圖5。該系統(tǒng)主要功能如下。

（1）計劃進度變更模塊。只需要輸入或更改各工作面工藝的起止時間和工作面長度即可對計劃進度或設(shè)計進行修改，修改完成后程序自動更新與計劃進度有關(guān)內(nèi)容，包括虛擬建造、進度偏差等，見圖6。

（2）實際進度及異常記錄上傳模塊。該模塊主要功能是上傳每天各工作面的實際進尺及施工異常情況，在模型上點擊某建筑物，可查看該建筑物所有歷史異常記錄，對后期的施工及工期目標的實現(xiàn)起到一定的指導(dǎo)作用，見圖7。

（3）整體滯后情況/進度模擬。如圖8所示，點擊“開挖滯后面貌展示”或“襯砌滯后面貌展示”，可在模型區(qū)查看開挖或襯砌滯后情況，開挖襯砌和開挖襯砌滯后分別用不同顏色表示。除了在模型區(qū)用三維模型表示滯后情況外，還可以用柱狀圖表示，如圖9所示，縱坐標值表示該工作面完成的百分比，每一柱體上的值代表該工作面已完成的開挖或襯砌方量?！斑M度模擬”即虛擬建造，可將模型按照計劃進度進行模擬，從而實現(xiàn)施工中的事前控制和動態(tài)管理。

（4）快捷菜單功能。點擊模型中任何工程部位都能彈出圖10所示快捷菜單，可查詢該建筑物的進度信息、質(zhì)量信息、安全信息、綜合狀態(tài)指數(shù)、現(xiàn)場視頻和滯后工作面列表。

4 結(jié)語

基于BIM的4D進度監(jiān)控系統(tǒng)融合了BIM信息、進度信息、進度監(jiān)控等模塊，且采用個性化人機交互式，在蘭州市水源地建設(shè)工程得到成功應(yīng)用。4D進度監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了所有信息的可追溯性，保證實際進度信息錄入的及時性和準確性，加強了對現(xiàn)場施工過程的動態(tài)控制，實現(xiàn)了進度的可視化管理，為工程節(jié)約了時間成本。

（1）明確進度節(jié)點目標，層層分解落實。在4D進度監(jiān)控系統(tǒng)中，對年度進度控制目標進行分解，分解到各個單位工程、分部工程及各節(jié)點目標，同時將各節(jié)點目標分解到各班組作業(yè)隊。建立以項目經(jīng)理為責(zé)任主體，由項目生產(chǎn)副經(jīng)理、現(xiàn)場施工技術(shù)人員、合同計劃人員、班組長參加的項目進度控制體系。年、季、月、旬、周施工進度計劃逐級落實，最終通過施工任務(wù)書由班組作業(yè)隊實施。

（2）進度比較分析與糾偏，形成進度檢查報告。根據(jù)4D進度監(jiān)控系統(tǒng)的實際進度，與監(jiān)理單位批準的年、季、月、周施工進度計劃進行比較，及時跟蹤計劃和分析計劃。主要檢查實際完成和累計完成工程量、進度偏差情況、影響進度的特殊原因及分析，跟蹤計劃的實施，當(dāng)發(fā)現(xiàn)進度計劃執(zhí)行受到干擾時，及時采取調(diào)度措施。

（3）BIM信息融人系統(tǒng)，更好控制工程質(zhì)量和安全。系統(tǒng)中除了進度信息外，還包括質(zhì)量信息和安全信息。質(zhì)量信息是所有工作面的單元工程質(zhì)量評定表及優(yōu)良率和合格率，安全信息是該工作面分包商的安全度和安全保障能力，項目決策人員可以直觀地查看所有工作面的質(zhì)量信息和安全信息，更好地把控全局。

項目需求的不同.4D進度監(jiān)控系統(tǒng)的個性化要求往往不同，但是其原理都是圍繞著工程技術(shù)、計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等展開的不同學(xué)科的交叉研究。除了實現(xiàn)上述功能外，還可以實現(xiàn)施工資源動態(tài)管理、成本實時監(jiān)控等，給項目提供智能決策支持，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)日益發(fā)達的今天，基于BIM的4D進度監(jiān)控系統(tǒng)將會在工程項目管理中提供新的管理手段和方法，為工程帶來巨大的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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