基于BIM 抽水蓄能電站施工進(jìn)度可視化仿真的研究與探討

賈朋　李振波

摘 要：文章側(cè)重于抽水蓄能電站施工可視化進(jìn)度仿真的理論研究，并在天池抽水蓄能電站籌建期的施工方案基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于Navisworks的施工進(jìn)度可視化施工實(shí)施方法研究，提出了適合抽水蓄能電站的施工仿真方法。鑒于當(dāng)前施工仿真方法理論和施工可視化進(jìn)度仿真軟件還在不斷發(fā)展，且當(dāng)前不同的施工仿真方法側(cè)重點(diǎn)不同，不存在一個(gè)公認(rèn)的適合抽水蓄能電站的仿真方法和虛擬建造軟件，因此文章僅為一種基于現(xiàn)有數(shù)學(xué)、系統(tǒng)論、信息化的可行方法。

關(guān)鍵詞：BIM；電站；施工進(jìn)度；可視化仿真

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）30-0070-03

Abstract： This paper focuses on the theoretical research of visual construction schedule simulation of pumped storage power station， and studies the visual construction implementation method of construction schedule based on Navisworks on the basis of the construction scheme of Tianchi pumped storage power station during the preparation period. The simulation method for the construction of pumped storage power station is put forward. In view of the fact that the theory of construction simulation method and the simulation software of construction visual progress are still developing， and that the emphases of different construction simulation methods are different. There is no recognized simulation method and virtual construction software for pumped-storage power station， so this paper is only a feasible method based on existing mathematics， system theory and information technology.

Keywords： BIM； power station； construction progress； visual simulation

1 概述

典型抽水蓄能電站一般由上水庫(kù)、引水發(fā)電系統(tǒng)和下水庫(kù)三部分組成。上、下水庫(kù)庫(kù)容一般較?。ɑ蚶靡呀ㄋ畮?kù)），作為主要建設(shè)項(xiàng)目的壩，它的工程規(guī)模一般不大。引水發(fā)電系統(tǒng)由引泄水系統(tǒng)及電站廠房系統(tǒng)兩部分組成。其中引泄水系統(tǒng)一般由隧洞、豎井、斜井、調(diào)壓設(shè)施等組成，主要特點(diǎn)是洞線長(zhǎng)度較長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜，如遇到洞徑較大、質(zhì)量要求較高的或出現(xiàn)不良地質(zhì)條件需要特殊處理的情況，則可能影響整個(gè)項(xiàng)目的工期。

電站廠房系統(tǒng)是由若干地下洞室群組成，特別是主廠房，體量大、埋藏深、開挖量集中、施工通道少、施工干擾大，正常情況下，地下廠房對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的工期起決定性作用。在抽水蓄能電站施工進(jìn)度可視化仿真中，最重要的就是針對(duì)上、下庫(kù)系統(tǒng)和引水發(fā)電系統(tǒng)，分析其重要的主體建筑物，從而得出施工進(jìn)度可視化仿真應(yīng)針對(duì)的主要對(duì)象。

2 基于BIM的抽水蓄能電站施工進(jìn)度可視化仿真實(shí)施方案

基于BIM的施工進(jìn)度可視化仿真技術(shù)，是將設(shè)計(jì)階段所完成的三維模型附加以時(shí)間維度T，構(gòu)成4D施工模擬所需的BIM模型，通過在計(jì)算機(jī)上借助各種可視化軟硬件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行基于時(shí)間描述的四維施工仿真。其主要目的是按照工程項(xiàng)目的施工進(jìn)度計(jì)劃模擬建造過程，在虛擬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)施工過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)和問題，針對(duì)問題對(duì)資源和計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整和修改，進(jìn)而優(yōu)化施工進(jìn)度計(jì)劃，指導(dǎo)施工管理。

2.1 基于WBS的項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃制定

進(jìn)度計(jì)劃的制定是進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)度控制與施工模擬的第一步。而基于BIM的建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)度控制系統(tǒng)的進(jìn)度計(jì)劃制定，要建立在工作結(jié)構(gòu)分解（WBS）的基礎(chǔ)上。WBS將項(xiàng)目進(jìn)行逐級(jí)分解為總項(xiàng)目、單體項(xiàng)目、項(xiàng)目任務(wù)、子任務(wù)、工作包，并以編碼表示的若干大小不同的項(xiàng)目單元。

2.2 三維模型與進(jìn)度信息的關(guān)聯(lián)

將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換為三維模型后，需要在三維模型上附加第四維的進(jìn)度信息?；贐IM的施工模擬中，進(jìn)度信息的添加是非常關(guān)鍵的一步。首先根據(jù)WBS的分解原理，將三維模型中的構(gòu)件分類合并為構(gòu)件集，對(duì)應(yīng)于最基本的工作包，代替單個(gè)構(gòu)件。生成構(gòu)件集后，則依據(jù)傳統(tǒng)的計(jì)劃進(jìn)度編制方式，在進(jìn)度計(jì)劃軟件中對(duì)工作的進(jìn)度信息和前后搭接關(guān)系進(jìn)行定義。最后再加這一進(jìn)度模型導(dǎo)入至三維模型中，根據(jù)內(nèi)生的規(guī)則自行對(duì)構(gòu)件集和其進(jìn)度信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最終形成四維的模型，并能根據(jù)不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)畫的演示。

針對(duì)抽水蓄能水電站籌建備期的主要建筑物，考慮到三維模型的設(shè)計(jì)源于不同三維設(shè)計(jì)軟件，三維模型數(shù)據(jù)文件多樣，單純采用傳統(tǒng)的手工操作方法或基于構(gòu)件集的方法并不能有效解決三維模型與進(jìn)度信息的掛接問題，需將以上兩種方法有效結(jié)合。

（1）分解工作包

分解工作包是建立施工模擬模型的關(guān)鍵，項(xiàng)目工期只有通過合理的分解，才能系統(tǒng)地將項(xiàng)目的工作逐步分解為各個(gè)工作包，再通過進(jìn)度計(jì)劃軟件，在WBS的基礎(chǔ)上，對(duì)各工作任務(wù)進(jìn)行工期的安排。

工作包分解時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步考慮具體施工情況，如洞身的開挖支護(hù)，開挖與支護(hù)交替進(jìn)行，噴錨支護(hù)應(yīng)在開挖后適時(shí)跟進(jìn)，可將開挖支護(hù)這一子任務(wù)先細(xì)分為洞身開挖與洞身支護(hù)兩個(gè)工作包，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的工作包分解，形成以周為基本工期單位的工作包。

工作包分解是對(duì)工程項(xiàng)目實(shí)施的主要工作任務(wù)以及工程項(xiàng)目技術(shù)系統(tǒng)的綜合分解，它能把要進(jìn)行的項(xiàng)目與可交付成果分解成為更小的、易于管理的組成部分，以便于和三維模型進(jìn)行一一掛接。

（2）三維模型切分

原始三維模型并不能滿足施工模擬的基本需求，需基于工作包的分解結(jié)果，對(duì)三維模型進(jìn)行進(jìn)一步的切塊劃分，如進(jìn)廠交通洞的洞身是一個(gè)整體模型，需專門針對(duì)該模型切段劃分，形成多個(gè)等間距的洞體。

三維模型的切分應(yīng)綜合考慮施工工期、工程量、工作包工期等多個(gè)因素，保證切分后的三維模型能夠直接與工作包進(jìn)行掛接，本工程針對(duì)進(jìn)廠交通洞的三維模型，采用平均切分的方式，對(duì)三維模型進(jìn)行了有效切分。

（3）基于施工進(jìn)度模擬軟件鏈接施工進(jìn)度數(shù)據(jù)

施工進(jìn)度模擬軟件是利用BIM模型進(jìn)行施工進(jìn)度模擬的專用軟件。Navisworks是一款用于分析、仿真和項(xiàng)目信息交流的軟件，它將其他軟件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)整合集成進(jìn)入單一項(xiàng)目模型，進(jìn)行施工可視化分析、調(diào)整、優(yōu)化，以便于后期進(jìn)行可視化虛擬建造，預(yù)測(cè)和避免潛在的問題。

采用施工進(jìn)度模擬軟件可基于已完成BIM模型，采用外部鏈接（直接單向互用）的方式創(chuàng)建任務(wù)。在Navisworks軟件中將BIM模型與Primavera P6等項(xiàng)目管理軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。

該軟件在工程領(lǐng)域主要用于工程的進(jìn)度管理，資源與造價(jià)管理，同時(shí)P6數(shù)據(jù)可通過格式轉(zhuǎn)換方式，實(shí)現(xiàn)與Navisworks的數(shù)據(jù)互通。通過在Navisworks中讀入P6的甘特圖，與施工構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即實(shí)現(xiàn)施工可視化4D模擬。

基于P6制作的施工進(jìn)度計(jì)劃，可通過格式轉(zhuǎn)換方式將P6數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到Microsoft Project項(xiàng)目管理軟件中，然后統(tǒng)一與三維模型一同導(dǎo)入到Navisworks平臺(tái)進(jìn)行集成，把模型中的模型塊與編制計(jì)劃中的工作包進(jìn)行對(duì)應(yīng)并建立鏈接。

3 施工進(jìn)度可視化仿真在建設(shè)期的應(yīng)用

本文以BIM理論及其相關(guān)軟件為基礎(chǔ)，建立施工可視化分析模型，并在Navisworks軟件平臺(tái)上展現(xiàn)基于BIM技術(shù)的施工可視化實(shí)施過程。通過結(jié)合河南天池抽水蓄能電站工程建設(shè)施工組織設(shè)計(jì)，針對(duì)通風(fēng)兼安全洞、進(jìn)廠交通洞、業(yè)主營(yíng)地等籌建期典型建、構(gòu)筑物進(jìn)行基于BIM模型的施工可視化進(jìn)行模擬和分析。通過Navisworks軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)施工階段信息的集成與共享，得到基于BIM技術(shù)的施工可視化模型，通過三維動(dòng)態(tài)可視化的方式，使項(xiàng)目管理者直觀地對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中所存在的問題，以便在制定項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃中對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行修正，合理進(jìn)行事前控制。

3.1 施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)管理

在施工過程中，可根據(jù)進(jìn)度信息或者三維模型對(duì)項(xiàng)目施工進(jìn)度進(jìn)行查詢、調(diào)整與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)管理，指導(dǎo)施工的進(jìn)行。同時(shí)可結(jié)合直觀的3D BIM模型以及4D施工工藝展示，有效地管理檢測(cè)整個(gè)工程項(xiàng)目的施工過程，有效地排查不合理的工期與計(jì)劃施工方案。

在P6建立的施工進(jìn)度數(shù)據(jù)，可與Navisworks建立單向鏈接關(guān)系，即當(dāng)項(xiàng)目管理者對(duì)P6中的進(jìn)度數(shù)據(jù)進(jìn)行修改后，可在Navisworks中直接與P6數(shù)據(jù)進(jìn)行更新同步，對(duì)施工進(jìn)度的更新部分進(jìn)行直接同步，而不影響施工任務(wù)與三維模型建立的原有鏈接關(guān)系。

3.2 施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)展示

基于BIM技術(shù)的施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)管理，可結(jié)合項(xiàng)目施工方案調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃，找出施工過程中可能存在的問題，優(yōu)化4D 虛擬建造過程；同時(shí)，當(dāng)施工項(xiàng)目發(fā)生工程變更時(shí)，施工項(xiàng)目管理者依據(jù)變更情況對(duì)進(jìn)度、資源等信息進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，再將調(diào)整后的信息交互到BIM模型中，進(jìn)行4D虛擬建造。完成進(jìn)度調(diào)整后，利用4D虛擬建造過程模型進(jìn)行施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)展示。

3.3 工程施工進(jìn)度監(jiān)控

基于BIM技術(shù)的4D虛擬建造能夠進(jìn)行施工進(jìn)度的查詢和調(diào)整，展示動(dòng)態(tài)的施工進(jìn)度，同時(shí)能夠利用4D虛擬建造對(duì)施工項(xiàng)目進(jìn)行施工進(jìn)度監(jiān)控。

在4D虛擬施工模型中，通過工程實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行進(jìn)度偏差分析和進(jìn)度預(yù)警。同時(shí)，項(xiàng)目管理者通過軟件項(xiàng)目工期預(yù)警管理，清晰地看出滯后范圍，并計(jì)算出滯后部分的工程量，然后針對(duì)滯后的工程部分，合理組織資源加快施工進(jìn)度或進(jìn)行進(jìn)度調(diào)整。計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度對(duì)比如圖1所示。

3.4 施工現(xiàn)場(chǎng)工序模擬

根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，建立設(shè)備與場(chǎng)地的三維模型，對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行動(dòng)態(tài)布置，對(duì)項(xiàng)目中重要的施工任務(wù)進(jìn)行施工工序模擬。本工程中，基于Navisworks平臺(tái)的Timeliner模塊與Animator模塊，針對(duì)進(jìn)廠交通洞的平開挖過程進(jìn)行施工工序模擬。

平洞開挖采用鉆爆法開挖，本項(xiàng)目中基于現(xiàn)有4D模型，選取洞身典型段，對(duì)鉆爆法的鉆孔、爆破、開挖和廢渣出場(chǎng)等過程進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的4D形象化展示。

同時(shí)，還可賦予各施工設(shè)施設(shè)備參數(shù)信息。當(dāng)點(diǎn)取任何設(shè)施時(shí)，可以查詢或修改設(shè)施的類型、型號(hào)和存在時(shí)間等施工屬性信息，如圖2所示。通過軟件界面，可以實(shí)時(shí)查看場(chǎng)地施工機(jī)械及設(shè)施的分布，將施工進(jìn)度與施工場(chǎng)地布置對(duì)應(yīng)，形成4D施工場(chǎng)地的動(dòng)態(tài)管理。

3.5 施工進(jìn)度優(yōu)化

基于BIM的4D進(jìn)度管理，通過反復(fù)的施工過程模擬，在模擬環(huán)境中暴露施工階段可能出現(xiàn)的問題，逐一修改，并提前制定應(yīng)對(duì)措施，以獲得最有施工方案和施工計(jì)劃，指導(dǎo)實(shí)際的項(xiàng)目施工，從而保證項(xiàng)目的順利實(shí)施。

4 基于.NET的施工進(jìn)度可視化仿真開發(fā)

本工程基于Navisworks API與C#.NET開發(fā)設(shè)計(jì)Navisworks圖例插件，輔助于施工模擬模型的查詢審閱。

5 結(jié)束語

隨著我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)的發(fā)展和施工技術(shù)的改進(jìn)，工程規(guī)模和工程復(fù)雜度也越來越高，這給施工進(jìn)度管理帶來了挑戰(zhàn)。如何制定進(jìn)度計(jì)劃，更好地指導(dǎo)實(shí)際施工，如何利用施工仿真，優(yōu)化工程施工方法的選擇，對(duì)抽水蓄能電站的施工組織設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)管理十分重要。

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，越來越多的施工仿真模擬將與BIM模型相結(jié)合完成。與此同時(shí)，BIM技術(shù)意味著信息的集成，因此，如何利用BIM模型內(nèi)的信息，讓仿真過程能夠從設(shè)計(jì)階段到施工階段依靠BIM模型內(nèi)蘊(yùn)，從而實(shí)現(xiàn)施工可視化仿真模擬的動(dòng)態(tài)可調(diào)，讓可視化仿真成果跟隨項(xiàng)目進(jìn)展不斷根據(jù)實(shí)際進(jìn)展進(jìn)行再調(diào)整，從而形成基于BIM的施工進(jìn)度實(shí)時(shí)控制方法，成為下一步研究的重點(diǎn)。

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