第四章基于BIM的虚拟建造

,第四章 基于BIM的虚拟建造,目录,01 /概述,02 /基于BIM的施工模拟,03 /基于BIM的构件虚拟拼装,04 /基于BlM的施工现场临时设施规划,本章主要内容,05 /典型案例：BlM在某吊装工程应用,1,第一节 概述,随着BIM技术在国内施工的推进，目前BIM技术已从原先对一些简单的静态碰撞分析发展到对整个项目进行全生命周期应用的阶段。一个项目从施工进场开始，首先要面对的是如何对整个项目的施工场地进行合理布置。合理的场地布置能尽可能减少将来大型机械和临时设施反复调整平面位置，尽最大限度地利用大型机械设施的性能。同时，能够对物流材料做好需求分析，尽可能合理地安排材料进场和材料堆放，对现场人流进行合理的规划，保证流水作业等。为避免上述问题，可以将BIM技术提前应用到施工现场临时设施规划阶段，从而更好地指导施工，为企业降低施工风险与施工成本。 基于BIM的虚拟建造包括基于BIM的施工模拟、基于BIM的构件虚拟拼装、基于BIM的施工现场临时设施规划等方面。其中基于BIM的构件虚拟拼装包括了混凝土构件的虚拟拼装、钢构件的虚拟拼装、幕墙工程虚拟拼装以及机电设备工程虚拟拼装；基于BIM的施工现场临时设施规划主要包括大型施工机械设施规划、现场物流规划、现场人流规划等方面。,目录,01 /概述,02 /基于BIM的施工模拟,03 /基于BIM的构件虚拟拼装,04 /基于BlM的施工现场临时设施规划,本章主要内容,05 /典型案例：BlM在某吊装工程应用,1,虚拟施工(Virtual Construction，简称VC)，是实际施工过程在计算机上的虚拟实现。它采用虚拟现实和结构仿真等技术，在高性能计算机等设备的支持下群组协同工作。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，逐步替代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，达到提高建筑施工效率的目的。 基于BIM的虚拟施工技术体系流程如图4-1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，将会是个庞大复杂的系统工程，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。,一、虚拟施工的概述,图4-1 基于BIM的虚拟施工体系流程,在传统建筑施工工程中，建筑项目从前期准备、中期建设到项目交付以及后期运营维护的各个阶段中，建筑施工阶段是最繁琐的核心阶段，而虚拟施工技术的实施过程也是如此。建筑施工过程模拟是否真实、细致、高效和全面，在很大程度上取决于建筑构件之间的施工顺序、运动轨迹等施工组织设计是否优化合理，以及建构筑物之间碰撞干涉问题能否及时发现并解决。 由大型数据库为基础构建的BIM信息模型，为虚拟施工提供了一个工作的平台。基于BIM平台的虚拟施工，不仅能够提前发现具体项目中的各种设计、施工及运营管理上的问题，还可以实现各种信息资源的一体化项目管理，有效的提高项目管理水平。,BIM的载体是模型，核心是信息，其本质就是面向全过程的信息整合平台。虚拟施工是通过仿真技术虚拟现实。随着BIM的不断成熟，将BIM技术与虚拟施工技术相结合，利用BIM技术，在虚拟环境中建模、模拟、分析设计与施工过程的数字化、可视化技术。通过虚拟施工，可以优化项目设计、施工过程控制和管理，提前发现设计和施工的问题，通过模拟找到解决方法，进而确定最佳设计和施工方案，用于指导真实的施工，最终大大降低返工成本和管理成本。,如果虚拟施工有效协同三维可视化功能再加上时间维度，可以进行进度模拟施工（图4-2）。4D模型虚拟施工随时随地直观快速地将施工计划与实际进展进行对比，同时进行有效协同，施工方、监理方、甚至非工程行业出身的业主、领导都能对工程项目的各种问题和情况了如指掌；5D模型对项目工程量进行准确测量，有效控制费成本支出；6D模型实现对安全环境的模拟，时时观察环境变化，做好改善与预防措施。这样通过BIM技术结合施工方案、施工模拟和现场视频监测，减少建筑质量问题、安全问题，减少返工和整改。,图4-2 基于BIM的nD虛拟施工模型,虚拟施工的特点包括：,1先试后建，正是因为它这一特点大大降低了施工过程中的返工率，节约了很大一部分成本。,2分析与优化，对设计进行分析与优化，确保可施工性。 整合设化，使各专业的协作在设计开始就“自然”地通过中心数据库实现，无须具体人员的参与、组织、管理，设计中的交流、沟通显而易见，基本上不需要任何成本。 增强了设计优化的手段，设计、检查协调、修改、再设计的循环过程，直至在施工之前解决所有设计问题，消除设计错误和设计忽略，减少施工中的返工成本。 工序上分化BIM模型和进度计划软件（如MS Project，P3等）的数据集成，实时监控施工进度，实时调整现场情况。 可建性分析，进行安全、施工空间、对环境影响等全面的可建性模拟分析。 冲突碰撞检查分析，建造前期对各专业的碰撞问题进行模拟，生成与提供可整体化协调的数据，解决传统的二维图纸会审耗时长、效率低、发现问题难的问题。,3优化施工管理，清晰展示施工过程，各工种人员能清楚了解自己的工作内容和工作条件。,虚拟施工由4种核心技术组成，如图4-3所示,图4-3 虚拟施工核心技术,1,4D施工模拟提升管理水平 施工进度计划是项目建设和指导工程施工的重要技术文件，是施工单位进行生产和经济活动的重要依据。进度管理是质量、进度、投资是三个建设管理环节的中心，直接影响到工期目标的实现和投资效益的发挥。施工进度计划是施工组织设计的核心，通过合理安排施工顺序，在劳动力、材料物资及资金消耗最少的情况下，按规定工期完成拟建工程施工任务。传统进度管理的方式有基于二维图纸、网络图等。 可建性模拟提高工作效率 为了工程如期完成，不同专业在同一区域、同一楼层交叉施工的情况是难以避免的。是否能够组织协同好各方的施工顺序以及施工区域，都会对工作效率和既定计划查收产生影响。BIM技术可以通过施工模拟为各个专业施工方建立良好的协调管理提供支持和依据。,二、虚拟施工的目的及意义,1,用于建模的Revit软件本身不具备进行施工模拟的能力。要实现施工过程仿真需要一种能够将BIM模型和施工进度安排相结合并以动画形式展现的工具。这里使用的是Navisworks。 Navisworks的主要功能如下： 三维模型的实时漫游。 模型整合 碰撞校审 模型渲染 4D模拟 支持PDMS和PDS模型 模型发布,三、实现虚拟施工过程的仿真软件,1,虚拟施工可比较不同的施工方案，对方案进行提前模拟和优化。 通过虚拟施工从设备投入、工期、施工措施费用等各方面精细的对比评估，能够确定最优施工方案。 除了利用施工模拟技术优化施工方案外，基于BIM对构件进行虚拟拼装和吊装，对施工现场的临时设施进行规划等方面的应用也在逐步发展与成熟。,四、虚拟施工的运用,目录,01 /概述,02 /基于BIM的施工模拟,03 /基于BIM的构件虚拟拼装,04 /基于BlM的施工现场临时设施规划,本章主要内容,05 /典型案例：BlM在某吊装工程应用,1,件出厂前的预拼装和安吊装等，与深化设计过程的预拼装不同，主要体现在：深化设计阶段构件的预拼装主要是为了检查深化设计的精度，其预拼装的结果反馈到设计中对设计进行优化改进，从而提高预制构件生产设计的水平；而出厂前的预拼装等主要融合了生产中的实际偏差信息，其预拼装的结果反馈到实际生产中对生产过程工艺进行优化改进，同时对不合格的预制构件进行报废，可提高预制构件生产加工的精度和质量，并提高建筑安装水平。,1,在预制构件生产完成后，其相关的实际数据（如预埋件的实际位置、窗框的实际位置等参数）需要反馈到BIM模型中，对预制构件的BIM模型进行修正，在出厂前需要对修正的预制构件进行虚拟拼装（图4-5），旨在检查生产中的细微偏差对安装精度的影响。若经过虚拟拼装显示对安装精度影响在可控范围内，则可出厂进行现场安装；反之，不合格的预制构件则需要重新加工。,一、混凝土构件的虚拟拼装,图4-5 预制构件虚拟拼装,1,要实现钢构件的虚拟预拼装，首先要实现实物结构的虚拟化。实物虚拟化就是将真实的构件精确地转化为数字模型。这种工作依据构件的大小有多种转变的方法，目前可以直接利用的设备包括全站仪、三坐标检测仪、激光扫描仪等。例如使用机器人全站仪（见图4-6）对某工程选定的部位进行完整的空间点云数据采集，快速构建三维可视化模型。通过与BIM模型对比，在模型中显示实体偏差，输出实测实量数据，保证数据的真实客观，并将精准的数据带到现场工地，实现数字化和智能化，从而提高工作效率和精度。,二、钢构件的虚拟拼装,图4-6 三维可视化模型全站仪数据采集,1,采集数据后就需要分析实物产品模型与设计模型之间的差距。由于检测坐标和设计坐标值的参照坐标系互不相同，所以在比较前必须将两套坐标值转化到同一坐标系下。利用空间解析几何以及线性代数的一些理论和方法，可以将检测坐标值转化到设计坐标值的参照坐标系下，使得转化后的检测坐标与设计坐标尽可能接近，也就使得节点的理论模型和实物的数字模型尽可能重合以便后续的数据比较。 然后，分别计算每个控制点是否在规定的偏差范围内，并在三维模型里逐个体现。通过这种方法，逐步用实物产品模型代替原有设计模型，形成实物模型组合，所有不协调和问题就都可以在模型中反映出来，也就代替了原有的预拼装工作。 这里需要强调的是两模型互合的过程中，必须使用“最优化”理论求解。因为构建拼装时，工人能发挥主观能动性，调整构件到最合理的位置。在虚拟拼装过程中，如果构件比较复杂，手动调整模型比较难以调整到最合理的位置，容易发生误判。 利用 Solidworks 软件能够创建钢结构数字化三维立体模型，并实现钢结构安装动态仿真模拟，实现各种钢构件装配、吊装的多种模拟试验和优化工作。通过施工前大量的虚拟装配及吊装试验和优化，可以改进钢结构制作和安装施工方案加以解决，从而为后续钢构件的制作和安装工作铺平了道路，减少因设计盲点及其它因素导致工程返工而引发的不必要的经济损失，提高施工效率。,1,根据设计图纸，运用 Solidworks 三维建模软件先按其中一个钢构件的几何尺寸建立基本模型（见图4-7）。然后插入 Excel 系列零件设计表，将该类型钢构件的主要控制尺寸填写到该表中，在配置栏标明该构件的名称（见图4-8）。,图4-7 创建基本模型,图4-8 插入 Excel 系列零件设计表,1,通过建立的钢构件数字化三维立体模型数据库，创建出本项目钢结构的全部数字化三维立体模型，以上构件完成建模后，就可以对其装配及钢结构构件安装。先新建一个装配体，在标准菜单的文件下拉菜单中点击新建，在新建对话框中选择装配体，点击确定，然后在插入零部件对话框中点击浏览依次选择要插入的零部件即可。装配好的效果见图 4-94-10,图4-9 某工程3层会议室屋架装配效果图,图4-10 某工程钢结构整体装配效果图,1,构件安装细节的三维动态仿真能够通过Animator 插件实现。用 Animator 来对钢构件进行三维动态模拟仿真安装，有三个步骤（图4-11）： （1）切换到动画界面； （2）根据构件运动的时间长度，拖动时间滑杆到相应的位置； （3）拖动钢构件，使其达到动画序列末端应达到的新的位置。,图4-11 Solidworks系统中结合Animator 插件进行仿真操作界面示意图,在钢结构实际安装过程中，按照由计算机仿真模拟确定出最佳吊装方案和合理的安装顺序进行施工，使得一节钢结构从吊装到焊接完成时间缩短，通过采取科学合理的构件安装顺序，控制每节钢柱安完顶标