建筑施工方案可視化優化與實踐

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摘要：通過對各種建筑施工方案可視化模擬技術進行對比分析，指出了現有技術的不足。同時以上海中心大廈工程為例，通過建立精確的BIM模型，并與現有3DSMAX動畫技術結合，發揮兩者技術優勢，實現了優化的基于BIM的建筑施工方案可視化模擬，為施工方案的優化以及技術交底提供了更為真實化的模擬手段。

關鍵詞：施工方案模擬；BIM；施工動畫；可視化；虛擬現實

建筑施工方案可視化模擬技術是一種仿真技術。通過這一技術，可以將施工方案以三維動態的方式直觀地展示出來，改變了原來平面的、靜止的施工方案表現手段。對于復雜的建筑工程施工來說，這一技術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，其本質就是通過計算機的運算和處理，建立三維物體造型并使該物體在三維空間運動。從最初的三維物體造型發展到目前的虛擬現實技術，在三維模擬的建立手段、計算方法以及三維真實效果等方面，技術發展日新月異。

1建筑施工方案可視化模擬現有技術及其不足

建筑施工方案可視化模擬技術的發展在我國已有10多年，從最初的FLASH二維平面動畫模擬技術（圖1）逐步發展到以3DSMAX為代表的三維動畫模擬技術。隨著技術的發展以及建筑工程復雜程度的提高，二維施工動畫很難滿足實際需求，目前更多的是用在PPT演示文稿中，針對一些簡單的工藝進行描述。而三維施工方案模擬技術在建筑施工領域的應用日益廣泛，在施工企業的競標以及施工管理等方面都發揮了重要作用，上海中心大廈工程就專門制作了施工方案三維動畫（圖2）。這期間，PKPM等國內軟件公司開發了針對建筑工程施工現場的專門動畫制作軟件（圖3），簡化了軟件入手難度，但其效果與3DSMAX等專業動畫制作軟件仍有差距。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畫演示動畫演示近年來，BIM技術在建筑業掀起了一場巨大變革。BIM以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達。BIM可以進行3D可視化施工模擬，如果整合施工進度后，就可以實現4D施工模擬（圖4）；再進一步，在整合成本信息后，可以實現5D施工模擬。BIM軟件不少具有動畫模擬的功能，如常用的Navisworks等[1-2]。BIM可視化施工模擬，即虛擬建造的優點在于其基礎模型的精度與實物的吻合度提高了，這樣模擬的真實度就可以得到保證。根據建筑的不同實施階段，其BIM模型的深度可分為LOD100（方案設計階段）、LOD200（初步設計階段）、LOD300（施工設計階段）、LOD400（施工深化階段）以及LOD500（竣工運維階段）。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，當需要表達一些細部的施工工藝時，采用BIM模型更為精準可靠。但目前采用Navisworks等BIM軟件實施的施工方案可視化模擬也存在明顯的不足，即渲染效果無法與3DSMAX等軟件媲美，BIM動畫呈現的效果大多畫面灰暗、場景真實感差，這些都影響了動畫模擬的可視化效果。

2基于BIM的建筑施工方案可視化演示優化探索

針對目前存在的各種三維可視化施工方案模擬技術的優缺點，我們嘗試基于BIM模型進行優化，并采用3DSMAX等軟件進行施工動畫制作。通過探索和實踐，成功實現了BIM施工動畫的優化。整個施工方案三維可視化模擬的基礎模型采用BIM軟件建立，如建筑、結構、機電模型采用AutodeskRevit系列軟件建立，鋼結構模型可以采用更為專業的鋼結構三維深化設計軟件Tekla建立，造型復雜的幕墻則可以借助Rhino犀牛軟件建模。充分利用不同BIM軟件的特性和優點，可以更為便捷、準確地完成建模工作。同時，建立專門的族（family）模型，形成族庫，便于今后快速建模。塔吊、施工電梯、泵車等施工設施也應建立相應的族模型。族模型的建立應盡量采用參數化方式，以提高效率，比如我們采用參數化手段建立的超高層建筑鋼結構常用的FAVCO系列大型動臂式塔吊模型（圖5），可以通過簡單地修改相應參數，系統自動生成M440D、M900D、M1280D等系列塔吊三維模型。圖5塔吊三維參數化BIM模型各專業的BIM模型在Navisworks平臺上進行碰撞檢查，確保專業間的矛盾消除后，形成最終的可供可視化動畫制作用的模型。這個BIM模型中還整合了施工現場的大臨設施、施工機械設備等精確BIM模型。整個施工方案模擬演示的模型文件均基于BIM技術建立，確保了模型的準確度，有效提高了可視化動畫模擬的實際價值。然后將BIM模型導入到3DSMAX軟件中，對模型進行必要的處理，附以各類材質，并在3DSMAX中進一步建立真實的城市環境等素材，提高動畫場景的真實感。模擬動畫的細節程度取決于BIM模型的精細等級，當采用LOD400級別的BIM模型時，結合3DSMAX技術，可以有效提高施工方案可視化模擬的真實性，虛擬現實效果明顯提升。

3案例上海中心大廈主體建筑結構高

580m，總高度632m，與高420.5m的金茂大廈和高492m的上海環球金融中心在頂部呈現弧線上升，勾勒出上海摩天大樓優美的天際線。建筑頂部高546～632m處為造型及功能復雜的塔冠范圍，其外觀延續了主塔樓旋轉收縮上升的建筑形態，共有4個建筑功能分區：塔樓觀光層、機電設備層、阻尼器觀光層、鰭狀鋼桁架幕墻系統。結構上由核心筒八角框架結構、119～121層轉換結構、外幕墻鰭狀桁架支撐結構等組成。整個塔冠集中了觀光電梯、風力發電機、阻尼器、冷卻塔、水箱、擦窗機和衛星天線等大型設備和設施，涉及鋼結構、幕墻、機電、土建、二結構、裝飾等幾乎所有專業。結構組成形式多樣，空間關系異常復雜，深化設計和相關專業施工精度匹配難度大；專業系統集中、界面交錯，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對施工方案進行模擬演示，以便直觀地向業主、監理、設計等各方進行方案匯報，同時在施工技術和安全交底時，可以更加清晰地進行交底。虛擬可視化施工模擬可以借助Navisworks等BIM軟件進行，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動畫技術相結合，獲得了比較滿意的效果。3.1總體施工流程模擬演示通過對塔冠系統工程的一體化研究分析，將工程實施分為6大階段：塔冠施工準備階段、八角框架施工、119～121層結構轉換層施工、鰭狀桁架系統施工、幕墻板塊安裝以及M900D塔吊拆除階段。其間，在119～128層樓面結構完成后，穿插進行二結構、機電管線安裝等施工，最后進行裝飾施工。通過完整施工流程的三維可視化演示，可以清晰地展示整個塔冠的施工順序[3-5]。3.2細部流程及工藝演示總體施工流程動畫只是從宏觀角度進行了三維展示，為進一步模擬和演示實際施工方案，針對具體施工方案，進行了深入詳細的動畫模擬。3.2.1塔冠施工準備階段施工順序及工藝這部分動畫詳細真實地展示了塔冠施工準備工作。通過對跳爬式液壓鋼平臺外掛腳手架、施工電梯、塔吊等關鍵設備的拆除與爬升、永久電梯機組穿插吊裝等工序進行細致地三維演示，使原本復雜的施工準備工作得以直觀、簡化地展現（圖6）。3.2.2八角框架施工流程及工藝通過對位于125～130層的八角鋼框架結構的吊裝分段、吊裝順序、樓面混凝土澆筑、冷卻塔和水箱安裝等進行詳細模擬，為該區域鋼結構、土建及機電安裝施工提供了可視化指導。尤其是針對設置在該區域的電渦流阻尼器的安裝，做了詳盡的施工模擬：中央5#筒頂部預留空間吊入阻尼器的電渦流系統，在126層搭設擱置鋼平臺，吊入阻尼器的質量箱體部件進行裝配，封閉頂部桁架，安裝和調試阻尼器吊索，完成阻尼器安裝工程（圖7）。圖6塔冠施工準備——液壓工藝模擬3.2.3119～121層結構轉換層施工流程及工藝該區域結構施工需要綜合考慮M1280D塔吊的拆除及新裝M900D塔吊的穿插安裝等重大技術問題。通過詳細的動畫模擬，形象地展現了塔吊置換與結構施工之間的關系（圖8）。3.2.4鰭狀桁架系統施工流程及工藝通過對25榀鰭狀桁架吊裝分段、吊裝流程以及安全操作設施的模擬，解決了600m超高空凌空施工的安全問題。同時整合模擬了風力發電機、擦窗機軌道等安裝工況（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，塔冠幕墻板塊存放在樓層內。利用117層軌道吊安裝116層下口單元板塊。在121層設置伸臂吊機，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上的難題和重點，本工程需要在632m高空拆除M900D重型動臂塔吊。以往的塔吊拆除方案編制時基本采用AutoCAD軟件輔助，拆塔設備與被拆塔吊、永久結構等之間的相互關系很難理清，也很難在方案中表達清楚，對方案的評審也帶來了很大的難度。在本工程中，我們結合精確的三維模型，通過動畫方式對塔吊拆除的每一個工況進行了模擬，為方案制訂及實施交底提供了高效的技術支撐（圖11）?！?/p>

4結語

在BIM模型的基礎上，通過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、施工工藝等在內的完整施工方案，為施工方案的選擇和優化、施工方案的評審和交底等提供一種全新的仿真手段[6-8]。虛擬現實（VR）技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術的集合。筆者認為，目前的BIM施工模擬或者漫游技術還不能稱之為真正意義上的虛擬現實，但目前的探索卻是為實現真正的虛擬現實技術的基石。

作者:孫婷 單位:上海建工集團工程研究總院

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