基于BIM的水利工程4D進度監控系統關鍵技術

陶玉波　藺志剛　董甲甲

摘要：為了實現水利工程建設進度計劃的優化和實際進度的實時感知與控制，采用基于BIM的4D進度監控系統可以有效解決施工過程中的“信息孤島”現象，給施工管理提供新的視角。該系統將采集到的BIM信息放入網絡數據庫，并通過人機交互即點即顯的方式展示出來;利用數據庫中的計劃進度和現場采集到的實際進度驅動數字化模型，用不同的顏色表示計劃進度和實際進度，實現進度偏差的對比，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。

關鍵詞：4D進度監控系統;虛擬建造;進度采集;進度優化;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進度監控技術發展

通過使用新的技術以及與新興技術配套的生產流程，航空航天、汽車、電子等制造業在過去幾十年中不斷提升自己的生產效率，到現在已經有了質的飛躍，這也迫使建筑行業向其他行業學習新的技術和方法來提升生產效率和質量[1]。

隨著BIM（建筑信息模型）、物聯網、云計算、互聯網+等技術的應用，項目管理理論和技術有了新的發展支撐。在現有施工管理理論的基礎上，結合智慧施工的理念，充分融合BIM和4D技術，有效解決施工過程中的“信息孤島”現象，實現對施工進度計劃的優化和施工實際進度的實時感知與控制，從而能夠及時發現進度偏差并給予合理、可信的糾正，彌補現有進度管理系統數字化程度不高、信息流轉不充分、更新周期長、無法可視化等缺陷，達到對建設項目進度管理優化和促進的目的[2]。

4D BIM概念源于建筑產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模型的構件參數，而且關聯著詳細的工程進度數據。運用4D BIM模型不僅可以模擬產品建造過程，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。通過實時跟蹤監控，可以顯著提高工程進度管理的效率與效果，提升企業管理水平。

研究如何在三維模型基礎上關聯時間維度實現4D模擬是國外BIM技術在進度管理應用的重要方向。美國斯坦福大學整合設施工程中心（ CIFE）于1996年率先提出4D理論。在長期不懈努力下，CIFE成功關聯了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模型和相關軟件的研究工作始于20世紀90年代，清華大學張建平著手建造過程動態模擬、工程進度控制和現場規劃三維可視化模擬。2004年，我國“十五”重點科技攻關項目將4D建模及應用研究列為專題，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 基于達索系統的4D BIM技術方法研究

達索系統（ Dassault Systemes）是一家法國的軟件公司，致力于3D體驗、為企業和人們的可持續創新提供一個虛擬世界，是世界領先的3D設計軟件、3D數字化實體模型和產品生命周期管理（ PLM）解決方案供應商。達索系統有一系列的設計展示分析軟件，主要以CATIA和Solidworks Composer為基礎，配合兩個軟件的二次開發及網絡數據庫技術進行開發。

系統開發平臺為Visual Studio.Net 2013，采用面向對象程序設計（ 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，利用CAⅡA和Solidworks Composer開放的應用程序編程接口（ Application Programming In-terface，API），對兩者已有的功能進行擴展，更好地服務于項目需求，定制專有交互式菜單，數據庫采用Mi-crosoft Sql Server2008。技術路線及系統架構見圖1、圖2。

2.1 4D模型要求

以CATIA軟件為載體，創建設計模型，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，工作分解結構宜達到可支持制訂進度計劃的詳細程度，并包括任務間的關聯關系。這是4D進度監控系統的第一步，也是最基礎的工作。劃分進度模型采用自主二次開發的CATIA插件對CATIA模型進行快速劃分.見圖3。

該工具二次開發思路如下：

（1）在CATIA中建立支洞軸線。

（2）按分段間距建立軸線上的點，根據點建立分割平面。主要用到下列語句：

PointOnCurve（i）=oHSF. AddNewPointOnCurve-FromDistance（Curve，h*i，False）

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，保留左側或者右側。

2.2 數據庫建設

將CATIA 4D模型導人Solidworks Composer，Solidworks Composer作為達索系統的主要展示平臺，優點在于當產品發生變化時不必重新創建，可大大節約時間和節省返工成本，而且它能通過3D動畫和創建交互產品文檔更好地傳達產品信息。4D BIM系統開發的主要工作是對Solidworks Composer插件和數據庫進行二次開發，利用數據庫驅動Solidworks Composer模型，其使用了Windows OLE技術、直觀式設計，包括隱藏、顯示、修改顏色、創建剖切面、交互操作等所有的可視化方法、屬性或過程。

數據庫采用Microsoft Sql Server2008，以4D模型名稱作為主鍵建立數據庫，其他字段包括每一段4D模型名稱對應的工作面、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 實際進度監控技術

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，從而實現實際進度的輸入。主要關鍵技術如下。

（1）在數據庫中選擇符合樁號的模型，根據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，如：”

2.5 計劃進度修改

計劃進度修改模塊主要是在數據庫中修改4D模型名稱對應的計劃開挖時間或計劃襯砌時間。以某豎井的開挖為例，假設其對應的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流調壓站、蘆家坪水廠和彭家坪水廠等。由于要解決迫切的民生問題，建設工期異常緊迫，設計常規工期為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進度目標。4D BIM進度監控系統在蘭州水源地工程進行了實際應用。系統主界面見圖5。該系統主要功能如下。

（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計進行修改，修改完成后程序自動更新與計劃進度有關內容，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起到一定的指導作用，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，從而實現施工中的事前控制和動態管理。

（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、質量信息、安全信息、綜合狀態指數、現場視頻和滯后工作面列表。

4 結語

基于BIM的4D進度監控系統融合了BIM信息、進度信息、進度監控等模塊，且采用個性化人機交互式，在蘭州市水源地建設工程得到成功應用。4D進度監控系統實現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，加強了對現場施工過程的動態控制，實現了進度的可視化管理，為工程節約了時間成本。

（1）明確進度節點目標，層層分解落實。在4D進度監控系統中，對年度進度控制目標進行分解，分解到各個單位工程、分部工程及各節點目標，同時將各節點目標分解到各班組作業隊。建立以項目經理為責任主體，由項目生產副經理、現場施工技術人員、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，最終通過施工任務書由班組作業隊實施。

（2）進度比較分析與糾偏，形成進度檢查報告。根據4D進度監控系統的實際進度，與監理單位批準的年、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，當發現進度計劃執行受到干擾時，及時采取調度措施。

（3）BIM信息融人系統，更好控制工程質量和安全。系統中除了進度信息外，還包括質量信息和安全信息。質量信息是所有工作面的單元工程質量評定表及優良率和合格率，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進度監控系統的個性化要求往往不同，但是其原理都是圍繞著工程技術、計算機技術、互聯網技術、數字化技術等展開的不同學科的交叉研究。除了實現上述功能外，還可以實現施工資源動態管理、成本實時監控等，給項目提供智能決策支持，尤其是在物聯網日益發達的今天，基于BIM的4D進度監控系統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濟效益。

參考文獻：

[1] BRIAN G K.JVDC Use in 2007： Significant Use， DramaticCrowth，and Apparent Business Opportunity[ EB/OL]. http：∥cife. stanford. edu./online. publications/WP103. pdf， 2009 -04-10.

[2] 尹朝接，基于新興信息技術的智慧施工進度管理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014：2-3.

[3] 張建平，胡振中，基于4D技術的施工期建筑結構安全分析研究[J].工程力學，2008（增刊2）：204 - 212.

[4]KATHLEEN McKinney Liston， MARTIN A Fischer. Cenera-ting， Evaluating and Visualizing Construction Schedules with4D-CAD Tools[J].Automation in Construction， 1998（6）：433-447.

[5] 張蘇，基于改進的4D模型的可視化施工管理系統[J].計算機與數字工程，2009（4）：98-101.