行业趋势｜一文读懂基于BIM的虚拟建造

1、虚拟施工的概述

虚拟施工(Virtual Construction，简称VC)，是实际施工过程在计算机上的虚拟实现。它采用虚拟现实和结构仿真等技术，在高性能计算机等设备的支持下群组协同工作。通过BIM技术建立建筑物的几何模型和施工过程模型，可以实现对施工方案进行实时、交互和逼真的模拟，进而对已有的施工方案进行验证、优化和完善，逐步替代传统的施工方案编制方式和方案操作流程。

在对施工过程进行三维模拟操作中，能预知在实际施工过程中可能碰到的问题，提前避免和减少返工以及资源浪费的现象，优化施工方案，合理配置施工资源，节省施工成本，加快施工进度，控制施工质量，达到提高建筑施工效率的目的。 

基于BIM的虚拟施工技术体系流程。从体系架构中可以看出，在建筑工程项目中使用虚拟施工技术，将会是个庞大复杂的系统工程，其中包括了建立建筑结构三维模型、搭建虚拟施工环境、定义建筑构件的先后顺序、对施工过程进行虚拟仿真、管线综合碰撞检测以及最优方案判定等不同阶段，同时也涉及了建筑、结构、水暖电、安装、装饰等不同专业、不同人员之间的信息共享和协同工作。

基于BIM的虚拟施工体系流程

BIM的载体是模型，核心是信息，其本质就是面向全过程的信息整合平台。虚拟施工是通过仿真技术虚拟现实。随着BIM的不断成熟，将BIM技术与虚拟施工技术相结合，利用BIM技术，在虚拟环境中建模、模拟、分析设计与施工过程的数字化、可视化技术。通过虚拟施工，可以优化项目设计、施工过程控制和管理，提前发现设计和施工的问题，通过模拟找到解决方法，进而确定最佳设计和施工方案，用于指导真实的施工，最终大大降低返工成本和管理成本。

如果虚拟施工有效协同三维可视化功能再加上时间维度，可以进行进度模拟施工。4D模型虚拟施工随时随地直观快速地将施工计划与实际进展进行对比，同时进行有效协同，施工方、监理方、甚至非工程行业出身的业主、领导都能对工程项目的各种问题和情况了如指掌；5D模型对项目工程量进行准确测量，有效控制费成本支出；6D模型实现对安全环境的模拟，时时观察环境变化，做好改善与预防措施。这样通过BIM技术结合施工方案、施工模拟和现场视频监测，减少建筑质量问题、安全问题，减少返工和整改。

基于BIM的nD虛拟施工模型

虚拟施工的特点包括：

1．先试后建，正是因为它这一特点大大降低了施工过程中的返工率，节约了很大一部分成本。

2．分析与优化，对设计进行分析与优化，确保可施工性。

3．优化施工管理，清晰展示施工过程，各工种人员能清楚了解自己的工作内容和工作条件。

虚拟施工核心技术

2、虚拟施工的目的及意义

▷ 4D施工模拟提升管理水平

施工进度计划是项目建设和指导工程施工的重要技术文件，是施工单位进行生产和经济活动的重要依据。进度管理是质量、进度、投资是三个建设管理环节的中心，直接影响到工期目标的实现和投资效益的发挥。施工进度计划是施工组织设计的核心，通过合理安排施工顺序，在劳动力、材料物资及资金消耗最少的情况下，按规定工期完成拟建工程施工任务。传统进度管理的方式有基于二维图纸、网络图等。

为了工程如期完成，不同专业在同一区域、同一楼层交叉施工的情况是难以避免的。是否能够组织协同好各方的施工顺序以及施工区域，都会对工作效率和既定计划查收产生影响。BIM技术可以通过施工模拟为各个专业施工方建立良好的协调管理提供支持和依据。

3、实现虚拟施工过程的仿真软件

用于建模的Revit软件本身不具备进行施工模拟的能力。要实现施工过程仿真需要一种能够将BIM模型和施工进度安排相结合并以动画形式展现的工具。这里使用的是Navisworks。

Navisworks的主要功能如下：

4、虚拟施工的运用

二、构件虚拟拼装

构件出厂前的预拼装和安吊装等，与深化设计过程的预拼装不同，主要体现在：深化设计阶段构件的预拼装主要是为了检查深化设计的精度，其预拼装的结果反馈到设计中对设计进行优化改进，从而提高预制构件生产设计的水平；而出厂前的预拼装等主要融合了生产中的实际偏差信息，其预拼装的结果反馈到实际生产中对生产过程工艺进行优化改进，同时对不合格的预制构件进行报废，可提高预制构件生产加工的精度和质量，并提高建筑安装水平。

1、混凝土构件的虚拟拼装

在预制构件生产完成后，其相关的实际数据（如预埋件的实际位置、窗框的实际位置等参数）需要反馈到BIM模型中，对预制构件的BIM模型进行修正，在出厂前需要对修正的预制构件进行虚拟拼装，旨在检查生产中的细微偏差对安装精度的影响。若经过虚拟拼装显示对安装精度影响在可控范围内，则可出厂进行现场安装；反之，不合格的预制构件则需要重新加工。

预制构件虚拟拼装

2、钢构件的虚拟拼装

要实现钢构件的虚拟预拼装，首先要实现实物结构的虚拟化。实物虚拟化就是将真实的构件精确地转化为数字模型。这种工作依据构件的大小有多种转变的方法，目前可以直接利用的设备包括全站仪、三坐标检测仪、激光扫描仪等。例如使用机器人全站仪对某工程选定的部位进行完整的空间点云数据采集，快速构建三维可视化模型。通过与BIM模型对比，在模型中显示实体偏差，输出实测实量数据，保证数据的真实客观，并将精准的数据带到现场工地，实现数字化和智能化，从而提高工作效率和精度。

三维可视化模型全站仪数据采集

采集数据后就需要分析实物产品模型与设计模型之间的差距。由于检测坐标和设计坐标值的参照坐标系互不相同，所以在比较前必须将两套坐标值转化到同一坐标系下。利用空间解析几何以及线性代数的一些理论和方法，可以将检测坐标值转化到设计坐标值的参照坐标系下，使得转化后的检测坐标与设计坐标尽可能接近，也就使得节点的理论模型和实物的数字模型尽可能重合以便后续的数据比较。

然后，分别计算每个控制点是否在规定的偏差范围内，并在三维模型里逐个体现。通过这种方法，逐步用实物产品模型代替原有设计模型，形成实物模型组合，所有不协调和问题就都可以在模型中反映出来，也就代替了原有的预拼装工作。

这里需要强调的是两模型互合的过程中，必须使用“最优化”理论求解。因为构建拼装时，工人能发挥主观能动性，调整构件到最合理的位置。在虚拟拼装过程中，如果构件比较复杂，手动调整模型比较难以调整到最合理的位置，容易发生误判。

利用 Solidworks 软件能够创建钢结构数字化三维立体模型，并实现钢结构安装动态仿真模拟，实现各种钢构件装配、吊装的多种模拟试验和优化工作。通过施工前大量的虚拟装配及吊装试验和优化，可以改进钢结构制作和安装施工方案加以解决，从而为后续钢构件的制作和安装工作铺平了道路，减少因设计盲点及其它因素导致工程返工而引发的不必要的经济损失，提高施工效率。

根据设计图纸，运用 Solidworks 三维建模软件先按其中一个钢构件的几何尺寸建立基本模型。然后插入 Excel 系列零件设计表，将该类型钢构件的主要控制尺寸填写到该表中，在配置栏标明该构件的名称。

通过建立的钢构件数字化三维立体模型数据库，创建出本项目钢结构的全部数字化三维立体模型，以上构件完成建模后，就可以对其装配及钢结构构件安装。先新建一个装配体，在标准菜单的文件下拉菜单中点击新建，在新建对话框中选择装配体，点击确定，然后在插入零部件对话框中点击浏览依次选择要插入的零部件即可。装配好的效果如图。

3、幕墙工程虚拟拼装

运用BIM技术可以有效地解决工厂集成过程前、中、后的信息创建、管理和传递的问题。利用BIM模型、三维构建图纸、加工制造、组装模拟等手段，即可为幕墙工厂集成阶段的工作提供有效支持。同时，BIM的应用还可以将单元板块工厂集成过程中创建的信息传递至下一阶段的单元运输、板块存放等流程，并可进行全程跟踪和控制。

幕墙单元板块组装流程图

预拼装的实施步骤

幕墙预拼装的实施步骤

4、机电设备工程虚拟拼装

在机电工程项目中施工进度模拟优化，主要利用Navisworks软件对整个施工机电设备进行虚拟拼装模拟，方便现场管理人员及时对部分施工节点进行预演及虚拟拼装，并有效控制进度。此外，利用三维动画对计划方案进行模拟拼装，更容易让人理解整个进度计划流程。对于不足的环节可加以修改完善，对于所提出的新方案可再次通过动画模拟进行优化，直至进度计划方案合理可行。

传统方式与基于BIM的虚拟拼装方式进度掌握比较

在机电设备项目中，通过BIM的软件平台，采用立体动画的方式，配合施工进度，可精确描述专项工程概况及施工场地的情况。依据相关的法律法规和规范性文件、标准、图集、施工组织设计等模拟专项工程施工进度计划、劳动力计划材料与设备计划等，找出专项施工方案的薄弱环节，有针对性地编制安全保障措施，使得施工安全保障措施的制定更加直观、更加具有可操作性。例如，某超高层工程项目，结合工程特点在施工前将塔楼板式换热机组吊装方案模拟出来，让业主、监理及施工方更直观了解方案实施过程，便于查找方案风险因素，论证其可实施性，为工程的顺利竣工提供保障。

1、大型施工机械设施规划

大型机械设施的规划是整个项目施工现场临时设施规划中非常重要的一步。大型机械设施规划的好坏，往往能决定一个项目的施工进度和项目成本。在传统的大型机械设施平面规划中，施工方案的制定往往需要在平面图上推敲这些大型机械的合理布置方案。但是单一地看二维的CAD图纸和施工方案，很难发现施工过程中的问题。而利用BIM技术就可以通过三维模型较直观形象的选择更合理的平面规划布置，并清楚表达与建筑物主体结构的连接关系，选择合适的施工技术方案，提前解决施工过程中可能存在的问题。

（1）塔吊规划：

塔吊运行空间分析与相互影响

为了准确判断以上几种情况出现时塔吊的运行位置，传统的方法有两种：第一种方法是利用CAD二维图纸进行位置的测量和计算，分析塔吊的极限状态；第二种方法是在现场观察塔吊的运行状态。这两种方法都存在很大的缺陷，利用二维图纸进行测算，往往不够直观，容易由于感官上的不足而导致问题产生；使用塔吊实际运行情况来分析的办法虽然可以直观准确地判断临界状态，但往往费时、费力，从而影响施工进度。而基于BIM软件进行塔吊的三维建模，并引入现场的模型进行分析，既可以通过三维的视角观察塔吊的运行状态，又能方便地调整塔吊的位置及工作状态来判断临界状态。

通过调整建立的三维模型中的参数值，能够快速实现塔吊最佳临近状态的位置，这种方式不仅不影响现场施工，还能够节约资源，缩短工期。

某工程塔吊最佳临近位置状态布置

（2）施工电梯规划

施工电梯的规划可以根据现有的建筑场地模型以及施工方案确定。根据BIM模型能够直观地判断出施工电梯所在的位置，与建筑物主体结构的连接关系，以及今后场地布置中人流、物流的疏散通道的关系。还可以在施工前了解今后外幕墙施工与施工电梯间的碰撞位置，以便及早出具相关的外幕墙施工方案，以及施工电梯的拆除方案。

① 平面规划

② 方案技术选型与模拟演示

③ 建模标准

④ 协调进度

在施工过程中，由于受到外界各个因素的干扰，施工进度不可能完全按照原先计划的施工方案所确定的节点进行，因此，经常需要根据实际的现场情况进行调整。

2、现场物流规划

施工现场是一个涉及各种需求的复杂场地，其中建筑行业对于物流也有自己特殊的需求。BIM 技术首先是一个信息收集系统，可以有效地将整个建筑物的相关信息录入收集，并以直观的方式表现出来。但是，其中的信息到底如何应用，必须结合相关的施工管理应用。这里首先介绍现场物流管理如何收集和整理信息。

（1）材料的规划

建筑工程涉及各种材料，有些材料为半成品，有些材料是完成品，对于不同的材料既有通用要求，也有特殊要求。材料进场应该有效地收集其运输路线、堆放场地及材料本身的信息，材料本身信息、包含：

① 制造商的名称；

② 产品标识（如品牌名称、颜色、库存编号等）；

③ 任何其他的必要标示信息。

（2）材料的储存

对于不同用途的材料，必须根据实际施工情况确定其储存场地，应该明确地收集其储存场地的信息和相关的进出场信息。

2、现场人流规划

（1）现场总平面人流规划 

现场总平面人流规划需要考虑现场正常的进出安全通道和应急时的逃生通道、施工现场和生活区之间的通道连接等主要部分。施工现场分为平面和竖向，生活区主要是平面。在生活区需要按照总体策划的人数规划好办公区，宿舍、食堂等生活区设施之间的人流。在施工区，需要考虑进出办公区通道、生活区通道、安全区通道设施、现场人流安全设施等，以及随着不同施工阶段工况的改变，相应的调整安全通道。

利用BIM技术来模拟、分配和管理各种建筑物中人流规划，采用三维模型来表现效果、检查碰撞、调整布局，最终形成可以直观展示的报告。

① 工作内容

采用三维的模拟展示，以Revit，Navisworks为模型构建和动画演示的软件平台。这些模拟可能包括人流的疏散模拟结果、道路的交通要求、各种消防规范的安全约束系数等。

采用软件模拟，专业工程师在模拟过程中及时发现问题，并进行发现-记录-解决流程，重新修订方案和模型。

② 模型要求

在人流模拟前，需要定义模型的深度，模型的深度如表。

③ 交通人流4D模拟要求

交通人流4D模拟

（2）竖向交通人流规划

竖向人流通道设置在施工各个阶段均不相同，需要考虑人员的上下通道，并与总平面水平通道布局相衔接。考虑到正常通行的安全，应急时人员疏散通行的距离和速度，竖向通道位置均应与总平面的水平通道协调，考虑与水平通道口距离、吊机回转半径的安全范围、结构施工空间影响、物流的协调等。通过BIM模拟施工各个阶段上下通道的状况，模拟出竖向交通人流的合理性、可靠性和安全性，满足项目施工各阶段进展的人员通行要求。

① 工作内容

竖向交通人流规划的主要工作内容包括反映通道体型大小，构建基本形状和尺寸等。同时，与主体模型结合后，反映出模型空间位置的合理性，结构安全的可靠性，以及与结构的连接方式。

人流模拟将利用Navisworks中的漫游功能，实现图形仿真，从而可以准确查明个体在各处行走时，是否会出现撞头、临边坠落等硬碰撞，与碰撞处理相结合控制人员运动，并调整模型。

采用软件模拟，专业工程师在模拟过程中及时发现问题，并进行发现-记录-解决流程，重新修订方案和模型。

② 模型要求

基础施工阶段；结构施工阶段；装饰施工阶段

（3）人流规划与其他规划的统筹协调

①工作内容

人流规划是施工规划中的一项重要内容，需要重点考虑三个方面的统筹与协调。一是人流规划、机械规划和物流规划的界面协调。二是人流规划与人员活动区域（办公区、生活区、施工区）的关系协调。同时，与此相关的进出办公通道、生活区通道、安全区通道等设施也需要作充分的考虑和协调。三是人流规划与施工进度的关系协调。

上述三个方面的统筹与协调需要统一考虑下述问题：

②实现目标

可视化：通过BIM可以让我们实现施工项目在建造过程的沟通、讨论和决策在“所见即所得”的方式下进行。

协调性：在BIM模型中实现静态的差错检查，如人流是否和安全通道之间发生干涉或碰撞等。

动态模拟：如地震或者其他灾害发生时，人员逃生模拟及消防人员疏散模拟。

优化目标：利用BIM静态和动态功能，可以发现矛盾和冲突，因此可以更方便地对前期的一些不合理规划进行调整和优化，实现管理和组织上的更高效率、安全，经济效益更好。

统计和分析：根据施工进度建立和维护BIM模型，使用BIM平台汇总施工规划的各种信息，消除施工规划中的信息孤岛，并且将所有信息结合三维模型进行整理和存储，实现施工规划全过程项目各方信息的实时共享。