基于實時施工模型的 4 D 模擬

4D 模擬可以用于進度可視化、設備定位、現場空間分析、識別潛在的施工流水沖突、資源分配計劃，以及用作不同項目參與方溝通協調的有效工具。但是，施工模型的創建和進度計劃的編制都在施工前完成，由此進行的 4D 模型也局限于施工前的計劃分析，不能應用于施工過程的控制。此外，創建滿足 4D 模擬要求的3D 模型需要較多的資源投入， 包括時間和勞動力等。利用BIM 實時施工模型及其自動化創建技術，可以減輕模型更新的工作量和將 4D 模擬的應用擴展到整個施工階段，作為項目管理的有效工具，帶來更大的項目效益。

1 實時施工模型

實時施工模型是指與建設項目實際施工進度狀態保持一致的三維模型。實時施工模型的詳細依賴于已存在的 BIM 模型，詳細程度一般和施工模型相當。與施工模型不同的是，施工模型在項目施工前完成創建，而實時施工模型是一個動態發展的模型，旨在與項目的實際進展保持同步，需要根據項目的實際進度對模型進行不斷的更新。項目對模型的表現需要是動態的，在項目生命周期的不同階段有不同的信息表現需求。隨著項目的進展，所產生和得到的項目信息也隨之逐漸增長，新的信息需要新的模型來集成和表現。實時施工模型很好的滿足了這一要求，動態的對項目實施情況進行監控和更新模型，從而能準確的反應項目的實際狀態，這是其他模型無法比擬的。但人工進行實時施工模型的動態更新是一項復雜艱巨的任務。

2 實時施工模型的創建

實時施工模型的創建需要對項目現場的施工進度進行監控，采集項目進度的相關數據，并以此為依據更新 BIM 模型，將實際的進度信息集成到既有的模型中，以保證當前的 BIM 模型信息和正在增長的項目信息保持一致。實時施工模型的創建涉及兩個過程，采集現場數據和更新建筑模型。

實時施工模型的更新需要施工現場已建成構筑物的三維坐標數據。三維坐標的采集有兩種先進的技術方法: 照相測量技術( photogrammetry) 和激光掃描技術 ( laser scanning technologies) 。通過現場數據采集技術采集到的數據信息可以產生構件的三維表面模型，此三維表面模型不同于 BIM 模型，BIM模型是參數化的面向對象的實體模型。三維表面模型僅僅呈現了構件的表面形狀，并不包含構件的屬性，例如構件的材料屬性以及構件間的相互關系等物理以及功能屬性。因此，需要將三維表面模型轉化為富含信息的面向對象的實體模型。三維表面模型向實體模型的轉換過程，需要建模人員使用建模軟件工具，在三維表面模型中將相關的建筑構件識別出來，并用對應實體圖元替換; 通過構件的識別、匹配和編排，創建 3D 實體模型。通常表面構件和實體構件圖元的識別替換可以實現自動化，但構件的非空間屬性需要預先的定義和人工添加，使得三維表面模型向實體模型的轉化過程需要耗費較多的時間和費用。

實時施工模型的動態更新是一項艱巨的任務。盡管先進的技術工具在很大程度上為現場數據采集提供了便利，但數據采集需要額外的工人或者現成的作業工人停下手頭上的工作去進行，這一過程需要額外的資源投入。從現場數據的采集到BIM 模型的轉化更是一項艱巨的任務，BIM 模型的創建是一個單調、耗時和易錯的工作。由于反應項目實際施工信息以及基于模型進行 4D模擬的需要，實時施工模型的構件需要有足夠的詳細程度，構件需要細化以便能進度活動相鏈接，因而模型較復雜。此外，實時施工模型的創建是一個動態的過程，需要及時將采集到的現場數據集成到模型中，要持續不斷的進行模型更新，模型的人工更新過程需要耗費較多的資源和人力。

3 實時施工模型的自動創建

實時施工模型的自動創建是一個多學科交叉的課題，涉及掃描技術、計算機圖像學、機器智能技術和參數化建模技術等領域。實時施工模型的自動創建依賴于構件對象的識別和匹配技術。對象識別和匹配技術需要將建筑設施相關的構件識別出來，并自動完成向含有對象屬性的實體構件轉換。建筑構件的識別當前有基于材料識別和基于 形狀 識 別 兩 種 技 術Brilakis等專家組成的聯合團隊經過長時間的研究，提出了實現實時施工模型自動創建的框架，如圖 1所示。實施框架包括六個狀態( 輸入/輸出) ，在圖 1中用橢圓表示; 促使狀態轉變的進程用矩形表示。整個過程從現場構筑物的數據采集開始，最終產品為 BIM 模型。BIM 模型自動創建的技術可以實現實時施工模型的自動更新，減輕模型更新過程的人工參與和工作量，有助于推進實時施工模型在生產實踐的應用。

圖1  建筑信息模型( BIM) 模型自動生成框架

4 基于實時施工模型4D 模擬

基于實時施工模型的 4D 模擬實施框架如圖 2 所示。與基于施工模型的 4D模擬不同的是，基于實時施工模型的 4D 模擬是一個動態的循環過程。利用BIM 模型自動更新技術完成對施工現場已完成構筑物的數據采集，并自動更新到 BIM 實時施工模型。通過在三維視圖中對實時施工模型的查看，可以直觀及時的跟蹤到已完成施工的部分和已執行的進度計劃，并將已完成施工的建筑部分作為后續施工作業的約束條件; 然后將未施工的建筑模型部分和未執行的進度計劃相鏈接，進行以已完成施工部分為約束條件的后續施工作業 4D 模擬，并以此 4D 模擬作為工具分析后續的進度計劃和指導后續的現場施工作業。

圖2  基于實時施工模型的4D模擬

一般來說，施工模型在項目施工前進行創建，基于此三維模型的 4D 模擬也是在項目開展前進行的可視化模擬。而實時施工模型則需要把已完成的建筑部分更新到模型中，以此為約束條件進行的 4D模型更貼近項目的當前狀態，從而使得 4D 模擬更準確和更有指導意義。同時，通過 BIM 實時施工模型，項目管理人員可以在三維視圖中及時直觀的跟蹤項目的施工情況，發現存在的問題和了解項目的當前實際狀況?；诖藢罄m活動所進行的4D 模擬，可以更準確預測和分析潛在的問題，作為項目管理控制的一個有效工具。

4D 技術的出現和發展給建設項目帶來了巨大的效益。4D 模擬將進度相關的時間信息和靜態的3D 模型鏈接產生4D 的施工進程動態模擬，可以將整個施工進程直觀的展示出來，實現施工作業流水的三維可視化。施工計劃的可視化使得項目管理人員在計劃階段更易識別和預測潛在的施工流水沖突，合理進行設備定位、現場空間、資源分配計劃等分析，以及更高效的與不同項目參與方進行溝通和協調，從而可以提高施工效率、縮短工期、節約成本。但是，目前的 4D 模擬一般基于施工模型進行。施工模型的創建和進度計劃的編制都在施工前完成，由此進行的 4D 模型也局限于施工前的計劃分析。

利用 BIM 實時施工模型，可以將 4D模擬的應用擴展到整個施工階段。實時施工模型通過對項目現場的實際施工進度進行監控，采集項目進度的相關數據，并將數據信息更新到 BIM 模型，從而保證了模型和項目信息的一致?；趯嵤┦┕つＰ偷?D 模擬，以此施工現場已完成的構筑物為約束條件，更貼近項目的當前實際狀態，從而使得 4D 模擬更準確和更有指導意義?；趯崟r施工模型的4D 模擬豐富和推進了 4D 模擬在施工階段的應用，進一步發揮 4D 模擬的作用，將能帶來更大的項目效益。但是，實時施工模型的創建是一個動態的過程，模型的更新過程是一個復雜和工作量巨大的過程，這在一定程度上阻礙了建筑企業對基于 BIM 實時施工模型4D 模擬的應用。隨著BIM 模型自動更新技術的出現和發展，有望在不遠的將來將基于實時施工模型的 4D 模擬廣泛應用到生產實踐中，從而推進 BIM 技術的應用進程，帶來更大的效益。