建筑施工方案可视化优化与实践

摘要：通过对各种建筑施工方案可视化模拟技术进行对比分析，指出了现有技术的不足。同时以上海中心大厦工程为例，通过建立精确的BIM模型，并与现有3DSMAX动画技术结合，发挥两者技术优势，实现了优化的基于BIM的建筑施工方案可视化模拟，为施工方案的优化以及技术交底提供了更为真实化的模拟手段。

关键词：施工方案模拟；BIM；施工动画；可视化；虚拟现实

建筑施工方案可视化模拟技术是一种仿真技术。通过这一技术，可以将施工方案以三维动态的方式直观地展示出来，改变了原来平面的、静止的施工方案表现手段。对于复杂的建筑工程施工来说，这一技术可以为施工方案的编制者、决策者提供更为便捷、高效的辅助。所谓三维可视化模拟技术，其本质就是通过计算机的运算和处理，建立三维物体造型并使该物体在三维空间运动。从最初的三维物体造型发展到目前的虚拟现实技术，在三维模拟的建立手段、计算方法以及三维真实效果等方面，技术发展日新月异。

1建筑施工方案可视化模拟现有技术及其不足

建筑施工方案可视化模拟技术的发展在我国已有10多年，从最初的FLASH二维平面动画模拟技术（图1）逐步发展到以3DSMAX为代表的三维动画模拟技术。随着技术的发展以及建筑工程复杂程度的提高，二维施工动画很难满足实际需求，目前更多的是用在PPT演示文稿中，针对一些简单的工艺进行描述。而三维施工方案模拟技术在建筑施工领域的应用日益广泛，在施工企业的竞标以及施工管理等方面都发挥了重要作用，上海中心大厦工程就专门制作了施工方案三维动画（图2）。这期间，PKPM等国内软件公司开发了针对建筑工程施工现场的专门动画制作软件（图3），简化了软件入手难度，但其效果与3DSMAX等专业动画制作软件仍有差距。图1FLASH制作的二维滑模图2上海中心大厦施工方案三维施工动画演示动画演示近年来，BIM技术在建筑业掀起了一场巨大变革。BIM以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。BIM可以进行3D可视化施工模拟，如果整合施工进度后，就可以实现4D施工模拟（图4）；再进一步，在整合成本信息后，可以实现5D施工模拟。BIM软件不少具有动画模拟的功能，如常用的Navisworks等[1-2]。BIM可视化施工模拟，即虚拟建造的优点在于其基础模型的精度与实物的吻合度提高了，这样模拟的真实度就可以得到保证。根据建筑的不同实施阶段，其BIM模型的深度可分为LOD100（方案设计阶段）、LOD200（初步设计阶段）、LOD300（施工设计阶段）、LOD400（施工深化阶段）以及LOD500（竣工运维阶段）。在这方面，以前利用3DSMAX建立的模型精度与之相比，差距就比较大了。因此，当需要表达一些细部的施工工艺时，采用BIM模型更为精准可靠。但目前采用Navisworks等BIM软件实施的施工方案可视化模拟也存在明显的不足，即渲染效果无法与3DSMAX等软件媲美，BIM动画呈现的效果大多画面灰暗、场景真实感差，这些都影响了动画模拟的可视化效果。

2基于BIM的建筑施工方案可视化演示优化探索

针对目前存在的各种三维可视化施工方案模拟技术的优缺点，我们尝试基于BIM模型进行优化，并采用3DSMAX等软件进行施工动画制作。通过探索和实践，成功实现了BIM施工动画的优化。整个施工方案三维可视化模拟的基础模型采用BIM软件建立，如建筑、结构、机电模型采用AutodeskRevit系列软件建立，钢结构模型可以采用更为专业的钢结构三维深化设计软件Tekla建立，造型复杂的幕墙则可以借助Rhino犀牛软件建模。充分利用不同BIM软件的特性和优点，可以更为便捷、准确地完成建模工作。同时，建立专门的族（family）模型，形成族库，便于今后快速建模。塔吊、施工电梯、泵车等施工设施也应建立相应的族模型。族模型的建立应尽量采用参数化方式，以提高效率，比如我们采用参数化手段建立的超高层建筑钢结构常用的FAVCO系列大型动臂式塔吊模型（图5），可以通过简单地修改相应参数，系统自动生成M440D、M900D、M1280D等系列塔吊三维模型。图5塔吊三维参数化BIM模型各专业的BIM模型在Navisworks平台上进行碰撞检查，确保专业间的矛盾消除后，形成最终的可供可视化动画制作用的模型。这个BIM模型中还整合了施工现场的大临设施、施工机械设备等精确BIM模型。整个施工方案模拟演示的模型文件均基于BIM技术建立，确保了模型的准确度，有效提高了可视化动画模拟的实际价值。然后将BIM模型导入到3DSMAX软件中，对模型进行必要的处理，附以各类材质，并在3DSMAX中进一步建立真实的城市环境等素材，提高动画场景的真实感。模拟动画的细节程度取决于BIM模型的精细等级，当采用LOD400级别的BIM模型时，结合3DSMAX技术，可以有效提高施工方案可视化模拟的真实性，虚拟现实效果明显提升。

3案例上海中心大厦主体建筑结构高

580m，总高度632m，与高420.5m的金茂大厦和高492m的上海环球金融中心在顶部呈现弧线上升，勾勒出上海摩天大楼优美的天际线。建筑顶部高546～632m处为造型及功能复杂的塔冠范围，其外观延续了主塔楼旋转收缩上升的建筑形态，共有4个建筑功能分区：塔楼观光层、机电设备层、阻尼器观光层、鳍状钢桁架幕墙系统。结构上由核心筒八角框架结构、119～121层转换结构、外幕墙鳍状桁架支撑结构等组成。整个塔冠集中了观光电梯、风力发电机、阻尼器、冷却塔、水箱、擦窗机和卫星天线等大型设备和设施，涉及钢结构、幕墙、机电、土建、二结构、装饰等几乎所有专业。结构组成形式多样，空间关系异常复杂，深化设计和相关专业施工精度匹配难度大；专业系统集中、界面交错，施工流程和工艺顺序相互制约，施工组织管理难度大。为确保将塔冠打造成精品工程，承包商制订了详尽的塔冠施工方案，并借助虚拟可视化技术对施工方案进行模拟演示，以便直观地向业主、监理、设计等各方进行方案汇报，同时在施工技术和安全交底时，可以更加清晰地进行交底。虚拟可视化施工模拟可以借助Navisworks等BIM软件进行，但受其渲染等功能制约，可视化效果并不理想。为此，我们尝试并成功地将BIM与3DSMAX动画技术相结合，获得了比较满意的效果。3.1总体施工流程模拟演示通过对塔冠系统工程的一体化研究分析，将工程实施分为6大阶段：塔冠施工准备阶段、八角框架施工、119～121层结构转换层施工、鳍状桁架系统施工、幕墙板块安装以及M900D塔吊拆除阶段。其间，在119～128层楼面结构完成后，穿插进行二结构、机电管线安装等施工，最后进行装饰施工。通过完整施工流程的三维可视化演示，可以清晰地展示整个塔冠的施工顺序[3-5]。3.2细部流程及工艺演示总体施工流程动画只是从宏观角度进行了三维展示，为进一步模拟和演示实际施工方案，针对具体施工方案，进行了深入详细的动画模拟。3.2.1塔冠施工准备阶段施工顺序及工艺这部分动画详细真实地展示了塔冠施工准备工作。通过对跳爬式液压钢平台外挂脚手架、施工电梯、塔吊等关键设备的拆除与爬升、永久电梯机组穿插吊装等工序进行细致地三维演示，使原本复杂的施工准备工作得以直观、简化地展现（图6）。3.2.2八角框架施工流程及工艺通过对位于125～130层的八角钢框架结构的吊装分段、吊装顺序、楼面混凝土浇筑、冷却塔和水箱安装等进行详细模拟，为该区域钢结构、土建及机电安装施工提供了可视化指导。尤其是针对设置在该区域的电涡流阻尼器的安装，做了详尽的施工模拟：中央5#筒顶部预留空间吊入阻尼器的电涡流系统，在126层搭设搁置钢平台，吊入阻尼器的质量箱体部件进行装配，封闭顶部桁架，安装和调试阻尼器吊索，完成阻尼器安装工程（图7）。图6塔冠施工准备——液压工艺模拟3.2.3119～121层结构转换层施工流程及工艺该区域结构施工需要综合考虑M1280D塔吊的拆除及新装M900D塔吊的穿插安装等重大技术问题。通过详细的动画模拟，形象地展现了塔吊置换与结构施工之间的关系（图8）。3.2.4鳍状桁架系统施工流程及工艺通过对25榀鳍状桁架吊装分段、吊装流程以及安全操作设施的模拟，解决了600m超高空凌空施工的安全问题。同时整合模拟了风力发电机、擦窗机轨道等安装工况（图9）。图8塔吊置换工艺模拟图9鳍状桁架吊装模拟3.2.5幕墙板块施工流程及工艺在118～121层安装卸料平台，塔冠幕墙板块存放在楼层内。利用117层轨道吊安装116层下口单元板块。在121层设置伸臂吊机，吊装116层上口至120层的单元板块。利用M900D塔吊吊装121层至塔冠顶部的幕墙板块，顶部南侧部分板块后装（图10）。3.2.6M900D塔吊拆除流程及工艺超高层顶部大型施工塔吊的拆除一直是施工技术上的难题和重点，本工程需要在632m高空拆除M900D重型动臂塔吊。以往的塔吊拆除方案编制时基本采用AutoCAD软件辅助，拆塔设备与被拆塔吊、永久结构等之间的相互关系很难理清，也很难在方案中表达清楚，对方案的评审也带来了很大的难度。在本工程中，我们结合精确的三维模型，通过动画方式对塔吊拆除的每一个工况进行了模拟，为方案制订及实施交底提供了高效的技术支撑（图11）。】

4结语

在BIM模型的基础上，通过三维可视化施工方案模拟，可以直观地阐述包括施工部署、施工流程、施工工艺等在内的完整施工方案，为施工方案的选择和优化、施工方案的评审和交底等提供一种全新的仿真手段[6-8]。虚拟现实（VR）技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合。笔者认为，目前的BIM施工模拟或者漫游技术还不能称之为真正意义上的虚拟现实，但目前的探索却是为实现真正的虚拟现实技术的基石。

作者:孙婷 单位:上海建工集团工程研究总院

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