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基于BIM和4D技术的建筑施工优化及动态管理

减小字体 增大字体 作者:张建平    来源:www.bob123.com  发布时间:最新发布
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1概述

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。

清华大学土木工程系的科研小组,多年来致力于施工过程模拟以及施工进度和资源动态管理及优化控制的关键技术4D-CAD的研究,开发了建筑工程4D施工管理系统,并应用于北京奥运会国家体育场、青岛海湾大桥、广州珠江新城西塔等多个大型工程,对于提高施工效率和信息化管理水平,取得了显著的成效,产生了较大的社会、经济效益。研究成果经专家鉴定,评价为属国内首创,填补了国内空白,达到了国际先进水平,并荣获2009年华夏建设科技一等奖。

2 4D施工优化及管理的研究和发展

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。

清华大学张建平教授从1991年就开始致力于建筑施工进度与场地布置三维可视化模拟和动态管理方面的研究,于1995年开发了用于多层建筑施工进度与场地利用的计算机图形计划系统GCPSU(Graphicsfor Construction Planning and Site-UtilizaCion)。该系统体现了4D模型的基本概念,允许用户以交互方式在计算机屏幕上构造多层建筑在不同施工层的计划安排、实际进度以及相应的场地布置,对施工进度计划和场地布置进行可视化模拟。GCPSU应用于北京嘉里中心、北京中保信以及香港多个实际工程,取得了显著效果,曾获中建一局科技进步奖。

2000年,通过4D模型理论的深入研究和分析,提出了4D施工管理模型4DSMM( 4D Site Management Mociel)。4DSMM将施工对象和场地3D模型与MS-Project进度管理系统链接起来,构成施工项目的4D施工模型。基于4DSMM开发的4D-GCPSU系统不仅为施工计划提供了一个可视化的环境,而且综合了施工计划、工程量计算、场地布置、材料使用等施工项目管理其它方面的职能。4D-GCPSU应用于北京华威住宅小区、香港理工大学扩建工程等项目,验证了4DSMM模型及系统的可行性和实用性。

2002年,在4DSMM模型及系统的研究和应用基础上,又提出了4D施工管理扩展模型4DSMM++,该模型以WBS结构(Work Brcakdown Structure,WBS)为核心,将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度相链接,与施工资源和场地布置信息集成一体,实现了施工进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的4D动态集成管理以及施工过程的4D可视化模拟。基于4DSMM++开发的建筑施工4D项目管理系统4D-GCPSU 2002,应用于香港新机场货运仓储中心等实际工程,香港金门公司将该工程应用4D-GCPSU的成果,介绍给香港工业界,引起了很大反响。

2003年12月,4D-GCPSU 2002开始在北京奥运会国家体育场工程投入使用,用于工程施工方案、进度计划、场地布置的制定。随后根据工程提出的具体应用要求,不断完善功能,更新并应用了4D-GCPSU 2004。

2004年,基于多年的研究成果,4D模型理论及技术研究被列入国家“十五”重点科技攻关项目的专题,其研究成果国家体育场工程进行示范应用,先后推出应用了4D-GCPSU 2005和4D-GCPSU 2006,使4D施工管理的研究和应用得到了突破性的发展,其主要重大技术升级和主要功能扩展为以下几方面。

(1)引入建筑业国际标准IFC( Industry FoundationClasscs),建立了基于IFC标准的建筑施工管理的数据描述,提供了IFC文件解析器和基于IFC标准的数据接口引擎,实现了设计与施工管理以及应用系统之间的信息集成、交换和共享。

(2)应用建筑信息模型BIM( Building InformationModcl)技术,实现基于IFC标准的工程信息建模,建立了基于lFC标准的4D施工管理扩展模型,将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度计划相链接,并与人力、材料、机械、成本等施工资源以及场地布置信息集成一体,形成了多维信息管理。

(3)引入施工进度与资源分配的优化理论和过程模拟技术,应用基于离散事件模拟理论和方法,分析施工过程中各种施工工序、施工资源与施工工期之间的复杂动态关系、以及各种不确定性和随机性,通过对各项工序的模拟计算,得出工序工期、人力、机械、场地等资源的占用情况,对施T工期、资源配置以及场地布置进行优化。

(4)自主开发的OpenGL图形平台,提供了视图变换、图形控制以及4D图形管理等功能,增强了4D动态模拟效果,较好解决了大型、复杂工程3D模型显示效果和运行速度的瓶颈问题。

(5)首次开发了基于ClienUScrver网络环境的4D可视化平台,实现了4D施工管理的网络化。

国家“十五”重点科技攻关项目的研究成果,包括“基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统”(4D-GCPSU 2006)和“基于4D技术和过程模拟的施工优化系统”(SDESA)。

3基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统

“基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统”(4D-GCPSU 2006)是国家”十五“重点科技攻关计划”建筑业信息化关键技术研究与示范”之专题”基于IFC标准的4D施工管理原型系统研究与示范应用”的研究成果。系统综合应用4D-CAD、BIM( Building Information Model)、工程数据库、人工智能、虚拟现实、网络通讯以及计算机软件集成技术,引入建筑业国际标准IFC( Industry Foundation Classes),通过建立基于IFC的4D施工管理扩展模型4DSMM++( 4DSiceManagement Model++),将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度相链接,与施工资源和场地布置信息集成一体。提供了基于网络环境的4D进度管理、4D资源管理、4D施工场地管理和4D施工过程可视化模拟等功能,实现了施工进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的4D动态集成管理以及施工过程的4D可视化模拟。通过IFC文件解析器和基于IFC的数据接口引擎,系统实现了建筑设计与施工管理的数据交换和共享,可以直接导入设计阶段的建筑三维模型,用于4D施工管理,为建筑施工提供了科学、有效的管理手段。

4D-GCPSU 2006作为我国第一个具有自主知识产权的4D施工管理系统,其研究发展了4D模型理论,不仅覆盖了国外同类系统的主要功能,而且扩展了管理功能和应用范围。系统于2006年1月20日通过了建设部组织的专家验收,2006年11月3日通过了教育部组织的专家鉴定,专家鉴定委员会评价:与国外同类系统相比,该系统在支持基于IFC标准的数据集成与交换、建立4D++扩展模型及其信息集成机制、实现以WBS为核心的4D集成化施工管理和建立基于网络的4D可视化平台等方面具有创新性。该系统的研制成功和实际应用属国内首创,填补了国内空白,达到了国际先进水平。

4基于4D技术和过程模拟的施工优化系统

“基于4D技术和过程模拟的施工优化系统”是综合应用4D技术和简化离散事件模拟方法(SDESA,SimplificdDiscrete-Event Simulation),将4D-GCPSU 2006与SDESA系统相集成,在4D施工管理

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