導(dǎo)語(yǔ)：建筑施工方案可視化優(yōu)化與實(shí)踐一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：通過(guò)對(duì)各種建筑施工方案可視化模擬技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，指出了現(xiàn)有技術(shù)的不足。同時(shí)以上海中心大廈工程為例，通過(guò)建立精確的BIM模型，并與現(xiàn)有3DSMAX動(dòng)畫(huà)技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮兩者技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的基于BIM的建筑施工方案可視化模擬，為施工方案的優(yōu)化以及技術(shù)交底提供了更為真實(shí)化的模擬手段。

關(guān)鍵詞：施工方案模擬；BIM；施工動(dòng)畫(huà)；可視化；虛擬現(xiàn)實(shí)

建筑施工方案可視化模擬技術(shù)是一種仿真技術(shù)。通過(guò)這一技術(shù)，可以將施工方案以三維動(dòng)態(tài)的方式直觀地展示出來(lái)，改變了原來(lái)平面的、靜止的施工方案表現(xiàn)手段。對(duì)于復(fù)雜的建筑工程施工來(lái)說(shuō)，這一技術(shù)可以為施工方案的編制者、決策者提供更為便捷、高效的輔助。所謂三維可視化模擬技術(shù)，其本質(zhì)就是通過(guò)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和處理，建立三維物體造型并使該物體在三維空間運(yùn)動(dòng)。從最初的三維物體造型發(fā)展到目前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在三維模擬的建立手段、計(jì)算方法以及三維真實(shí)效果等方面，技術(shù)發(fā)展日新月異。

1建筑施工方案可視化模擬現(xiàn)有技術(shù)及其不足

建筑施工方案可視化模擬技術(shù)的發(fā)展在我國(guó)已有10多年，從最初的FLASH二維平面動(dòng)畫(huà)模擬技術(shù)（圖1）逐步發(fā)展到以3DSMAX為代表的三維動(dòng)畫(huà)模擬技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展以及建筑工程復(fù)雜程度的提高，二維施工動(dòng)畫(huà)很難滿(mǎn)足實(shí)際需求，目前更多的是用在PPT演示文稿中，針對(duì)一些簡(jiǎn)單的工藝進(jìn)行描述。而三維施工方案模擬技術(shù)在建筑施工領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，在施工企業(yè)的競(jìng)標(biāo)以及施工管理等方面都發(fā)揮了重要作用，上海中心大廈工程就專(zhuān)門(mén)制作了施工方案三維動(dòng)畫(huà)（圖2）。這期間，PKPM等國(guó)內(nèi)軟件公司開(kāi)發(fā)了針對(duì)建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)的專(zhuān)門(mén)動(dòng)畫(huà)制作軟件（圖3），簡(jiǎn)化了軟件入手難度，但其效果與3DSMAX等專(zhuān)業(yè)動(dòng)畫(huà)制作軟件仍有差距。圖1FLASH制作的二維滑模圖2上海中心大廈施工方案三維施工動(dòng)畫(huà)演示動(dòng)畫(huà)演示近年來(lái)，BIM技術(shù)在建筑業(yè)掀起了一場(chǎng)巨大變革。BIM以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)。BIM可以進(jìn)行3D可視化施工模擬，如果整合施工進(jìn)度后，就可以實(shí)現(xiàn)4D施工模擬（圖4）；再進(jìn)一步，在整合成本信息后，可以實(shí)現(xiàn)5D施工模擬。BIM軟件不少具有動(dòng)畫(huà)模擬的功能，如常用的Navisworks等[1-2]。BIM可視化施工模擬，即虛擬建造的優(yōu)點(diǎn)在于其基礎(chǔ)模型的精度與實(shí)物的吻合度提高了，這樣模擬的真實(shí)度就可以得到保證。根據(jù)建筑的不同實(shí)施階段，其BIM模型的深度可分為L(zhǎng)OD100（方案設(shè)計(jì)階段）、LOD200（初步設(shè)計(jì)階段）、LOD300（施工設(shè)計(jì)階段）、LOD400（施工深化階段）以及LOD500（竣工運(yùn)維階段）。在這方面，以前利用3DSMAX建立的模型精度與之相比，差距就比較大了。因此，當(dāng)需要表達(dá)一些細(xì)部的施工工藝時(shí)，采用BIM模型更為精準(zhǔn)可靠。但目前采用Navisworks等BIM軟件實(shí)施的施工方案可視化模擬也存在明顯的不足，即渲染效果無(wú)法與3DSMAX等軟件媲美，BIM動(dòng)畫(huà)呈現(xiàn)的效果大多畫(huà)面灰暗、場(chǎng)景真實(shí)感差，這些都影響了動(dòng)畫(huà)模擬的可視化效果。

2基于BIM的建筑施工方案可視化演示優(yōu)化探索

針對(duì)目前存在的各種三維可視化施工方案模擬技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，我們嘗試基于BIM模型進(jìn)行優(yōu)化，并采用3DSMAX等軟件進(jìn)行施工動(dòng)畫(huà)制作。通過(guò)探索和實(shí)踐，成功實(shí)現(xiàn)了BIM施工動(dòng)畫(huà)的優(yōu)化。整個(gè)施工方案三維可視化模擬的基礎(chǔ)模型采用BIM軟件建立，如建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電模型采用AutodeskRevit系列軟件建立，鋼結(jié)構(gòu)模型可以采用更為專(zhuān)業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)三維深化設(shè)計(jì)軟件Tekla建立，造型復(fù)雜的幕墻則可以借助Rhino犀牛軟件建模。充分利用不同BIM軟件的特性和優(yōu)點(diǎn)，可以更為便捷、準(zhǔn)確地完成建模工作。同時(shí)，建立專(zhuān)門(mén)的族（family）模型，形成族庫(kù)，便于今后快速建模。塔吊、施工電梯、泵車(chē)等施工設(shè)施也應(yīng)建立相應(yīng)的族模型。族模型的建立應(yīng)盡量采用參數(shù)化方式，以提高效率，比如我們采用參數(shù)化手段建立的超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)常用的FAVCO系列大型動(dòng)臂式塔吊模型（圖5），可以通過(guò)簡(jiǎn)單地修改相應(yīng)參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)生成M440D、M900D、M1280D等系列塔吊三維模型。圖5塔吊三維參數(shù)化BIM模型各專(zhuān)業(yè)的BIM模型在Navisworks平臺(tái)上進(jìn)行碰撞檢查，確保專(zhuān)業(yè)間的矛盾消除后，形成最終的可供可視化動(dòng)畫(huà)制作用的模型。這個(gè)BIM模型中還整合了施工現(xiàn)場(chǎng)的大臨設(shè)施、施工機(jī)械設(shè)備等精確BIM模型。整個(gè)施工方案模擬演示的模型文件均基于BIM技術(shù)建立，確保了模型的準(zhǔn)確度，有效提高了可視化動(dòng)畫(huà)模擬的實(shí)際價(jià)值。然后將BIM模型導(dǎo)入到3DSMAX軟件中，對(duì)模型進(jìn)行必要的處理，附以各類(lèi)材質(zhì)，并在3DSMAX中進(jìn)一步建立真實(shí)的城市環(huán)境等素材，提高動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景的真實(shí)感。模擬動(dòng)畫(huà)的細(xì)節(jié)程度取決于BIM模型的精細(xì)等級(jí)，當(dāng)采用LOD400級(jí)別的BIM模型時(shí)，結(jié)合3DSMAX技術(shù)，可以有效提高施工方案可視化模擬的真實(shí)性，虛擬現(xiàn)實(shí)效果明顯提升。

3案例上海中心大廈主體建筑結(jié)構(gòu)高

580m，總高度632m，與高420.5m的金茂大廈和高492m的上海環(huán)球金融中心在頂部呈現(xiàn)弧線上升，勾勒出上海摩天大樓優(yōu)美的天際線。建筑頂部高546～632m處為造型及功能復(fù)雜的塔冠范圍，其外觀延續(xù)了主塔樓旋轉(zhuǎn)收縮上升的建筑形態(tài)，共有4個(gè)建筑功能分區(qū)：塔樓觀光層、機(jī)電設(shè)備層、阻尼器觀光層、鰭狀鋼桁架幕墻系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)上由核心筒八角框架結(jié)構(gòu)、119～121層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、外幕墻鰭狀桁架支撐結(jié)構(gòu)等組成。整個(gè)塔冠集中了觀光電梯、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、阻尼器、冷卻塔、水箱、擦窗機(jī)和衛(wèi)星天線等大型設(shè)備和設(shè)施，涉及鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、機(jī)電、土建、二結(jié)構(gòu)、裝飾等幾乎所有專(zhuān)業(yè)。結(jié)構(gòu)組成形式多樣，空間關(guān)系異常復(fù)雜，深化設(shè)計(jì)和相關(guān)專(zhuān)業(yè)施工精度匹配難度大；專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)集中、界面交錯(cuò)，施工流程和工藝順序相互制約，施工組織管理難度大。為確保將塔冠打造成精品工程，承包商制訂了詳盡的塔冠施工方案，并借助虛擬可視化技術(shù)對(duì)施工方案進(jìn)行模擬演示，以便直觀地向業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)等各方進(jìn)行方案匯報(bào)，同時(shí)在施工技術(shù)和安全交底時(shí)，可以更加清晰地進(jìn)行交底。虛擬可視化施工模擬可以借助Navisworks等BIM軟件進(jìn)行，但受其渲染等功能制約，可視化效果并不理想。為此，我們嘗試并成功地將BIM與3DSMAX動(dòng)畫(huà)技術(shù)相結(jié)合，獲得了比較滿(mǎn)意的效果。3.1總體施工流程模擬演示通過(guò)對(duì)塔冠系統(tǒng)工程的一體化研究分析，將工程實(shí)施分為6大階段：塔冠施工準(zhǔn)備階段、八角框架施工、119～121層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層施工、鰭狀桁架系統(tǒng)施工、幕墻板塊安裝以及M900D塔吊拆除階段。其間，在119～128層樓面結(jié)構(gòu)完成后，穿插進(jìn)行二結(jié)構(gòu)、機(jī)電管線安裝等施工，最后進(jìn)行裝飾施工。通過(guò)完整施工流程的三維可視化演示，可以清晰地展示整個(gè)塔冠的施工順序[3-5]。3.2細(xì)部流程及工藝演示總體施工流程動(dòng)畫(huà)只是從宏觀角度進(jìn)行了三維展示，為進(jìn)一步模擬和演示實(shí)際施工方案，針對(duì)具體施工方案，進(jìn)行了深入詳細(xì)的動(dòng)畫(huà)模擬。3.2.1塔冠施工準(zhǔn)備階段施工順序及工藝這部分動(dòng)畫(huà)詳細(xì)真實(shí)地展示了塔冠施工準(zhǔn)備工作。通過(guò)對(duì)跳爬式液壓鋼平臺(tái)外掛腳手架、施工電梯、塔吊等關(guān)鍵設(shè)備的拆除與爬升、永久電梯機(jī)組穿插吊裝等工序進(jìn)行細(xì)致地三維演示，使原本復(fù)雜的施工準(zhǔn)備工作得以直觀、簡(jiǎn)化地展現(xiàn)（圖6）。3.2.2八角框架施工流程及工藝通過(guò)對(duì)位于125～130層的八角鋼框架結(jié)構(gòu)的吊裝分段、吊裝順序、樓面混凝土澆筑、冷卻塔和水箱安裝等進(jìn)行詳細(xì)模擬，為該區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)、土建及機(jī)電安裝施工提供了可視化指導(dǎo)。尤其是針對(duì)設(shè)置在該區(qū)域的電渦流阻尼器的安裝，做了詳盡的施工模擬：中央5#筒頂部預(yù)留空間吊入阻尼器的電渦流系統(tǒng)，在126層搭設(shè)擱置鋼平臺(tái)，吊入阻尼器的質(zhì)量箱體部件進(jìn)行裝配，封閉頂部桁架，安裝和調(diào)試阻尼器吊索，完成阻尼器安裝工程（圖7）。圖6塔冠施工準(zhǔn)備——液壓工藝模擬3.2.3119～121層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層施工流程及工藝該區(qū)域結(jié)構(gòu)施工需要綜合考慮M1280D塔吊的拆除及新裝M900D塔吊的穿插安裝等重大技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)詳細(xì)的動(dòng)畫(huà)模擬，形象地展現(xiàn)了塔吊置換與結(jié)構(gòu)施工之間的關(guān)系（圖8）。3.2.4鰭狀桁架系統(tǒng)施工流程及工藝通過(guò)對(duì)25榀鰭狀桁架吊裝分段、吊裝流程以及安全操作設(shè)施的模擬，解決了600m超高空凌空施工的安全問(wèn)題。同時(shí)整合模擬了風(fēng)力發(fā)電機(jī)、擦窗機(jī)軌道等安裝工況（圖9）。圖8塔吊置換工藝模擬圖9鰭狀桁架吊裝模擬3.2.5幕墻板塊施工流程及工藝在118～121層安裝卸料平臺(tái)，塔冠幕墻板塊存放在樓層內(nèi)。利用117層軌道吊安裝116層下口單元板塊。在121層設(shè)置伸臂吊機(jī)，吊裝116層上口至120層的單元板塊。利用M900D塔吊吊裝121層至塔冠頂部的幕墻板塊，頂部南側(cè)部分板塊后裝（圖10）。3.2.6M900D塔吊拆除流程及工藝超高層頂部大型施工塔吊的拆除一直是施工技術(shù)上的難題和重點(diǎn)，本工程需要在632m高空拆除M900D重型動(dòng)臂塔吊。以往的塔吊拆除方案編制時(shí)基本采用AutoCAD軟件輔助，拆塔設(shè)備與被拆塔吊、永久結(jié)構(gòu)等之間的相互關(guān)系很難理清，也很難在方案中表達(dá)清楚，對(duì)方案的評(píng)審也帶來(lái)了很大的難度。在本工程中，我們結(jié)合精確的三維模型，通過(guò)動(dòng)畫(huà)方式對(duì)塔吊拆除的每一個(gè)工況進(jìn)行了模擬，為方案制訂及實(shí)施交底提供了高效的技術(shù)支撐（圖11）。】

4結(jié)語(yǔ)

在BIM模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)三維可視化施工方案模擬，可以直觀地闡述包括施工部署、施工流程、施工工藝等在內(nèi)的完整施工方案，為施工方案的選擇和優(yōu)化、施工方案的評(píng)審和交底等提供一種全新的仿真手段[6-8]。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合。筆者認(rèn)為，目前的BIM施工模擬或者漫游技術(shù)還不能稱(chēng)之為真正意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)，但目前的探索卻是為實(shí)現(xiàn)真正的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基石。

作者:孫婷 單位:上海建工集團(tuán)工程研究總院

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