基于 BIM和 4D技术的建筑施工优化及动态管理

基于 BIM和 4D技术的建筑施工优化及动态管理

王希信

山东安丘宏泉建安有限公司 山东 潍坊 262100

摘要：在现阶段的工程项目管理中，管理人员所运用的管理技术已经无法适应现代化管理要求。为应对目前的施工管理难题，还需积极引入 BIM、4D 等现代化技术，以提升工程施工项目管理水平。对基于 BIM 和 4D 技术的建筑施工优化及动态管理进行了研究分析。

关键词：BIM；4D技术；建筑施工；动态管理

引言

建筑施工是一个高度动态的过程，随着建筑工程规模不断扩大，使得施工项目管理变得极为复杂。然而，当前建筑工程项目管理却相对落后，通常用横道图表示进度计划，用直方图表示资源计划，无法清晰描述施工进度以及各种复杂关系，难以准确表达工程施工的动态变化过程，更不能动态地优化分配所需要的各种资源和施工场地。如何在项目建设过程中合理制定施工计划、精确掌握施工进程，优化使用施工资源以及科学地进行场地布置，对整个工程的施工进度、资源和质量进行统一管理和控制，以缩短工期，降低成本，提高质量，是建筑施工领域所亟待解决的问题。

一、建筑施工优化及管理概述

4D 模型是基于原本的 3D 模型，在其中添加时间因素所建立的模型。在建筑施工中应用时，主要是将建筑工程的 3D 模型作为基础，融入时间因素，清晰地将施工进度体现出来，以便形成动态的建造过程模拟模型，并由管理人员通过这一模型实现有效的施工计划管理。在经过长时间对 BIM 技术和 4D 技术在建筑施工优化信息模型构建中应用的研究，现阶段，我国已经开展了基于 BIM 和 4D 建筑施工优化系统、虚拟施工系统、动态管理系统等的研究，并已经在广州珠江新城西塔等工程中予以应用。4D-CAD 是基于4 Dimension (简称4D)模型的计算机辅助设计技术。4D 模型是指在3D 模型基础上，附加时间因素。这种建模技术应用于建筑施工领域，是以施工对象的3D模型为基础，施工的建造计划为其时间因素，将工程的进展形象地展现出来，形成动态的建造过程模拟模型，用以辅助施工计划管理。4D理论由美国斯坦福大学的CIFE （Center for Integrated Facility Engineering）于1996年首先提出，十多年来，其研究和应用得到了长足的发展。基于 BIM 和 4D 技术的建筑施工优化及动态管理是现阶段我国重要的研究课题，对我国建筑工程信息化建设具有重要意义，具有提升我国建筑工程施工效率和管理效果的优势。其应用范围较为广泛，包括电力、道路、水利等多种工程，且有助于解决工程各阶段问题，尤其是信息断层及流失问题，能够为社会和经济发展带来巨大效益，其发展前景必定一片光明。

二、基于 BIM 和 4D 技术的建筑施工优化

（一）信息收集

BIM 技术的运用基础，是广泛详实的数据，4D 技术的应用，也对数据工作较为依赖。就建筑施工优化而言，BIM技术和 4D 技术应用首先应着眼于信息收集，之后以信息为基础进行建模和模拟工作。如普通的居民楼，施工优化需要着眼于采光、力的传导、给排水管网、电气工程等多个要素。可通过对施工要求进行分析，了解上述各要素的基本态势，包括两栋建筑之间的距离、剪力墙的厚度、给排水管网的内径、供电方式等[1] 。将上述基础信息输入计算机中建立一个基础模型，为后续的动态分析提供依据。

（二）施工方案确定

基础模型建立后，继续进行参数的精细化处理，为具体施工提供指导。如在建筑转换层的设计中，使用何种大小的转换梁、是否使用辅助梁、框支剪力墙的建设参数等，都需要高度精细化，以保证建筑内部空间的使用率，同时保证传力的效果。在确定施工方案时，可采用参数模拟法，以建筑转换层需要承受的竖直负载作为约束条件，每次增加500 ～ 1000N，了解转换梁是否能够有效进行传力。在静态模拟的基础上，添加时间（4D）模拟，了解在若干牛顿的压力下，转换梁是否能够持续保持高质量工作。之后获取下限值 X（转换梁被破坏的临界值），与转换梁需要承担的竖直负载 Y 进行对照，X 小于 Y，则要求增加辅助梁、改善设计方案，X 大于 Y，且满足时间模拟下的安全要求，表明初始设计理想，无需进行辅助梁建设[2] 。

（三）施工过程调整

BIM 技术和 4D 技术的优势在于能够从全程干预建筑施工，也能从各个细节处施加影响，某商场的模拟图如图 1所示。该商场仍处于建设中，内部管网建设要求复杂。技术人员的初步设计方案以同类商场为参考。但在施工过程中，发现该商场的营业时间较长，常规方案下可能面临供水不足的问题。在 BIM 技术的基础上，额外添加4D技术进行模拟，模拟时间为 4h、8h、12h、24h、36h、120h，分别了解商场用水高峰时间段、营业时间段、全天、小周期内的用水情况。结果显示，5 个测试周期内的供水能力较满足用水要求，峰值阶段则可能出现供水量不足的问题。以模拟结果为支持，增加了主管道 5% 的内径，二次模拟结果符合用水要求。

三、基于 BIM 和 4D 技术的建筑施工动态管理

在基于BIM和4D技术的建筑施工动态管理中，工作人员应构建基于 IFC的 4D信息模型，模型的构建需要相关机制的支撑，所以应先制订 BIM结构及信息拓展和描述机制，对现阶段已经完成建立的 4D信息模型进行拓展，最终形成完整的基于IFC的4D信息模型。对现实施工环境、施工过程进行虚拟模拟，工作人员需要引入虚拟仿真技术、过程模拟交互处理技术等，运用计算机技术对材料的光照、透明度等进行合理的设置，提高建筑模型的真实感，构建虚拟环境，工作人员需要与人机交互，便于施工过程中的资源配置、场地布置的调整。工作人员通过动态时空模型的建立，对各种操作冲突进行分析，采用空间碰撞检测算法，实现场地设施之间、所用设备之间等的碰撞检测。运用系统集成技术将虚拟施工系统与 4D管理系统相融合，对虚拟施工过程中的人力资源、进度、设备、场地布置等进行管理。

四、BIM和4D技术进度管理的可信性和优越性

BIM技术在施工设计阶段被广泛的应用，而且此技术已经十分成熟，近年来在 BIM模型的基础上发展 BIM- 4D技术，以 BIM模型为基础，包含大量的数据信息，可以完整的找出施工活动的组成，BIM模型建成后，可以确定各施工工序之间的逻辑感，同时还能满足传统的工作量算法的信息表达和交流，不用不同部门进行数据的转换和协调，有效的节约进度编制的时间。其中BIM- 4D进度施工模型包括全部的构件材料信息和资源信息，在施工前通过BIM软件可以进行可视化的模拟施工，对施工的组织和安排、材料供应关系、资金供应等提前进行沟通，防止材料和资金不协调供应导致的施工进度被耽误，BIM模型的施工方案加上时间的维度做成的施工模型，在施工模拟阶段可以自动根据利用资源和工期要求，合理分析项目进度计划的准确性和优化进度。基于模型构建的虚拟施工环境可以进行施工过程的仿真、数值模拟和施工场地的模拟施工，对于项目潜在的风险进行可预测的分析，为施工做好预期的时间，预防可能出现的问题，还可以对施工操作冲突和设施碰撞检测进行分析，有效的避免上述风险的出现，以此来控制好施工进度。

结语

目前，BIM 和 4D 技术在建筑施工优化与动态管理中的应用已经成为了建筑工程领域的重要研究内容，其有效应用能够拓展我国建筑工程施工管理方法，大大提升施工管理水平，满足我国建筑施工管理需求。另外，对其的研究和应用也是顺应时代要求和建筑工程施工管理发展要求的重要体现。

参考文献：

[1]程军华. 基于BIM和4D技术的建筑施工优化及动态管理问题思考[J]. 居舍,2020(01):133-134.

[2]王宏源. 基于BIM技术的建筑施工动态管理探讨[J]. 安徽建筑,2018,24(06):287+290.

[3]王婷,池文婷. BIM技术在4D施工进度模拟的应用探讨[J]. 图学学报,2015,36(02):306-311.