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基于BIM技术的施工场地可视化布置与优化

发表时间：2020/10/23 来源：《基层建设》2020年第19期作者：白帆蔡星雨张亚楠

[导读] 摘要：本文在BIM技术的运用基础上，结合不同时期的施工特点，利用虚拟现实技术对建筑施工现场布置实现三维可视化，进而实现对施工场地进行合理布置和动态管理。

        北京建工集团有限责任公司北京市 100055
        摘要：本文在BIM技术的运用基础上，结合不同时期的施工特点，利用虚拟现实技术对建筑施工现场布置实现三维可视化，进而实现对施工场地进行合理布置和动态管理。优化施工现场布置方案，提高施工管理水平和经济效益。通过BIM平台，项目各参与方能够及时对BIM模型中的信息进行插入、提取、更新和修改，并用以支持和反映各参与方的职责而协同作业。BIM技术在施工阶段的应用将提高工程施工过程中信息的利用率，为工程施工各阶段、各参与方之间信息的集成与共享提供平台，实现建设项目的集成化管理。
        关键词：BIM技术；施工场地；可视化；布置与优化
        1.BIM技术简介
        BIM全称是Building Information Modeling，译为建筑信息模型。国际标准组织设施信息委员会（Facilities Information Council）将BIM定义为利用开放的行业标准，对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命周期信息进行数字化形式的表现，从而为项目决策提供支持，有利于更好地实现项目的价值。
        我国的建筑工业行业标准《建筑对象数字化定义（JG/T198-2007）》将BIM定义为建筑信息完整协调的数据组织，便于计算机应用程序进行访问、修改或添加。这些信息包括按照开放工业标准表达的建筑设施的物理和功能特点及其相关的项目和生命周期信息。
        2.施工场地布置的基本概念、原则及要点：
        2.1施工场地布置的基本概念：
        施工场地布置作为施工组织的重要内容之一，它是根据建设项目的功能要求、规划设计要求和施工要求而确定的，是根据施工现场的现场条件和相关法律法规，设计、组织、安排施工现场各组成部分之间关系的活动。
        2.2施工场地布置的原则及其要点：
        原则上，在保证一个施工项目能够顺利进行的情况下，布置场地应当尽量不占、少占或是缓占良田良土，充分利用山地、荒地，并重复使用空地；应尽可能降低临时设施搭建费用，充分利用已有或拟建房屋、管线、河道和可换拆、暂不拆除的项目为施工服务；应在保证运输方便的前提下，尽量使运输费用最少，这就需要正确的选择运输方式和合理地铺设运输道路，减少二次搬运。
        施工场地布置的要点主要有以下几点：
        内外交通运输线路的位置；
        施工临水、临电、供风、通信系统的规模及站点位置的确定；
        施工场地分区，各施工辅助部门以及各材料仓库的规模及其位置的确定；
        临时设施的合理分区。
        3.基于BIM技术的三维可视化施工场布实施流程：
        建筑工程施工现场布置一般分为三个阶段，基础施工阶段、主体施工阶段、装饰阶段，BIM技术在施工现场场地布置中的的运用将传统的二维CAD施工平面图的绘制转变为三维可视化模型的创建，进而实现对施工场地合理布置和动态管理。
        BIM三维可视化施工场布模型的可视性及参数化的特征，对BIM模型的搭建，可依类似的项目进行改造或是建设新的项目，达到空间的高精准可视设计，且可虚拟施工的全过程。在模拟的过程中与安全规范要求实时比对，及时发现安全隐患、提前做好相应的预防处理方案，以使工程的建设进度和质量得到充分保障。
        通过施工现场布置三维动态模型，管理人员可以直观的掌握施工现场各类设置的布置情况，根据实际需求进行实时动态优化，实现精细化管理，确保施工平面布置在建筑红线的范围内。减少临时设施的搭设从而减少临时设施的建造费用，避免施工建设成本的浪费。运输设备全覆盖，尽可能避免二次搬运的产生。计划应该紧凑且科学合理，施工场地内的道路交通顺畅，具体布置流程如图1所示。
        3.1场地地形绘制：
        应根据项目相关设计资料，地形地貌图、地质资料、项目规划图、工程项目场地内原有和待建的各类设施的尺寸和坐标切换到地形地貌页签，点击“平面地形”按钮，设置地表高度后点击确定。单击后进行拉框选择，在X向动态输入框内输入标高数值完成场地模型的绘制。最大程度的还原现场地形地貌情况，为后续施工做好准备。
        3.2建筑红线范围及围墙大门
        按照建筑红线的范围控制要求，在左侧构建栏，切换到“临建”页签，选中构件“围墙”构件，在绘图区按鼠标左键指定矩形的第一个角点，移动鼠标拉框绘制矩形，在指定位置再次点击鼠标左键指定矩形的对角点即可完成围墙的绘制。建筑红线的范围控制准确，确保施工场地得到最大化的利用。

                           图1 施工现场布置流程图
        3.3施工场地临时设施
        施工场地临时设施包含办公类、生活类、施工类等三大类临时设施，在绘图区，左键指定第一个端点，向右移动鼠标，可以看到生成一间间的活动板房，当到指定间数的时候，再次点击鼠标左键指定第二个端点，即可完成“活动板房”的绘制。通过软件的模拟，及时考虑规范要求，临时设施更为合理，满足规范要求。
        3.4施工场地道路的布置
        施工道路的布置应在充分利用原有道路的基础上，满足运输车辆的安全行驶和保证运输畅通，在绘图区域点击鼠标左键分别指定2个点，即可完成线性道路的绘制，当绘制的2条道路相交时，软件自动生成路口，根据设施及材料堆成位置完成施工道路的绘制。施工管理人员可以根据道路设置合理分配材料堆场。
        3.5塔吊及垂直运输设施的布置
        塔吊的布置应根据主体建筑和各材料堆场的布置位置，在绘图区域按鼠标左键选择插入点，即可完成布置，选中塔吊，点击鼠标左键选中吊臂端部的夹点进行拖动，考虑其覆盖范围能覆盖整个施工区域和起吊能力，能够满足现场施工要求到合适的位置点击鼠标左键，即可修改吊臂的长度和位置，使垂直运输设置的布置合理化。
        3.6安全体验区的布置：
        当前企业对施工现场的安全意识普遍重视，安全体验区的布置是在构建栏中，切换到“安全体验区”页签。选中需要的构件，在绘图区域按鼠标左键选择插入点，即可完成布置，利用“体验式”教育的方式令体验者产生深刻的记忆。
        3.7路线漫游与虚拟施工：
        在工具栏切换到“虚拟施工”页签，选中X、Y向板房，然后点击工具栏中“建造”一栏中的“自下而上”按钮。然后选中塔吊，点击在工具栏中“活动”一栏中的“旋转”按钮点击停靠窗口中的“动态观察”按钮，按住鼠标左键进行转动调整到合理的角度，然后点击工具栏中的“预览”按钮，即可预览设置好的动画效果，直观体验施工现场布置场景。
        4场地布置建模及优化的方法分析
        4.1 场地布置中的建模方法
        4.1.1 施工现场地形建模
        地形建模是施工场地布置的基础，在整个施工场地布置中有着不可或缺的作用，本章节便以Revit软件进行地形建模为例，简述地形建模。
        在Revit软件中创建地形模型相对来说操作还是比较简单的，只需要通过放置点指令或者是通过导入DWG、DXF、DGN等格式的三维等高线数据或使用土木工程软件所生成的点文件来创建地形表面。下面介绍通过放置点指令来创建地形模型，具体操作：在工具栏中选择体量与场地命令，点击地形表面命令，然后选择放置点指令，确定测量点位置并依次输入所测得的各位置绝对高程数据，然后点击任务栏确定指令即可快速建立地形模型。如果需要对地形进行修改，则选择修改指令即可对地形中任意一个点进行修改。
        在Revit软件中，不仅可以创建地形模型，还可以对项目位置进行定位，甚至是进行天气模拟。首先选择工具栏中的管理命令，然后点击地点，定义位置的方法有两种：一种是默认城市列表，通过在列表中输入城市名称即可完成定位；另外一种是通过Internet映射服务完成定位，如果需要精确地定位项目位置，可以选择在默认城市列表中输入项目地理位置的经纬度即可对项目位置实行精确定位。
        4.1.2 临时设施建模
        施工现场临时设施大多数都是临时活动板房，这与房屋结构相差不大利用Revit软件中自带的门、窗、墻、板等系统族库，可以对临时设施进行快速建模。下文将简述建模方法：
        第一，轴网以及标高的建立。轴网和标高是建模的基础，在Revit软件中点击工具栏中建筑，选择轴网指令即可根据临时建筑的尺寸建立轴网，在类型属性中还可以修改轴网的基础属性，可根据自己需要设置轴网颜色、宽度、符号等。
        建立好轴网后，选择建筑立面中任意一个立面对标高进行建立，点击标高可增加标高数量，也可在添加好标高后点击标高上的数字对标高进行修改，完成轴网与标高的建立有就可以对墙体、门窗等构件进行构建。
        第二，墙体、楼板、门窗建模。在Revit中，墙体建模在房屋建模中尤为重要，它不仅是房屋建模的主体，还是门窗等构件的载体，只有完成了对墙体的建模，才能继续完成门窗之类的构件的建模。在工具栏中选择建筑分栏中的墙可以快速地建立墙体。同轴网一样，可以在类型属性中对墙的厚度，种类，结构等进行编辑，编辑好墙的属性后确定墙的高度以及定位线即可对墙体进行建模。
        墙体建立好后即可创建门窗，Revit有自带的门窗族库，选择相应大小的门窗即可创建门窗，同上文所述一样，可以通过类型编辑，编辑门窗材质等属性。如果需要添加楼梯等构件，可以将其对应的族导入Revit族库中，再设置构件位置即可。
        门窗等室内构件建立好后再对楼板进行建模，选择对应楼层，点击建筑工具栏中的楼板命令，然后选取墙边线，选择确定即可建立楼板。最后再创建临时设施的屋顶，通过选择Revit中各种类型的屋顶即可对一些有屋顶的临时设施进行建模。
        4.1.3 不规则物体建模
        对于一些复杂的模型，如果在Revit中很难建模的话，可以选择使用Sketch up建模，导出DWG格式文件，再导入到Revit软件之中，两款软件可以通过此方法相互使用。
        4.2 场地布置优化
        合理的施工场地布置方案不仅能保证施工的顺利进行，而且有助于提高施工效率，避免造成二次搬运、材料损耗增加等不必要的浪费，甚至可以减少施工过程中的安全隐患。
        传统的施工场地布置方案设计大多以二维的施工布置平面图的方式展现的，但是一个施工现场的布置需要综合各专业的信息，这就很难在二维施工平面图上体现出来，而利用BIM技术进行可视化模拟布置就可以很好地解决这一问题。建立三维模型，并将各专业的信息汇集到模型中，再以三维可视化模型的形式将场地布置方案展现给各个专业工作人员，各个专业的工作者可以在BIM模型的基础上充分考虑相互协调的问题，实现各个专业领域的管理者对施工现场布置方案的优化，解决施工场地布置在三维布置中的问题。此外，利用BIM的模拟技术可以模拟不同的施工阶段和不同的施工环境，协调各个专业工作者的意见，充分考虑三维空间的要求，实现场地布置方案的优化，从而提高项目的施工效率。
        5.建筑施工场地布置中对BIM技术的应用
        5.1构建施工设施BIM构件库
        结合BIM技术针对施工场地内的各类施工设施作建模处理，标注其相应尺寸、材料等信息，构成统一化的施工设施管理库。对于建筑施工现场常用的用电设备、加工棚、安全防护设施以及施工通道等，均可利用BIM软件所配置的族功能，构建各类施工设施的BIM族库，为施工设施的制作与管理提供数据支持。比如对钢筋加工棚的制作，需要在确保结构稳定性的前提下，统一规划标准尺寸，使其充分满足工程建设场地空间方面的要求，形成企业内的统一化标准。
        而随着企业BIM族库的持续丰富化发展，对于施工现场各类设施的布置也会更为简单。对全部族文件加以分类整理，以构建BIM构件库，在对施工现场三维模型进行建立时，可以将各类构件拖入三维模型当中，以创建现场BIM模型，为工程施工现场的布置供给可视化参照。
        5.2机械设备管理
        在建筑工程施工建设的过程中，会用到各种重型机械设备，而设备进场与安置都属于施工场地布置的主要环节。利用传统管理模式下的二维CAD平面设计方式，仅能以二维角度对施工作业半径进行显示，比如塔起重机作业范围、塔吊作业半径等。相比之下，以BIM技术为依托的施工机械布置可以从更多方面提供支持。
        5.2.1设备进场模拟
        建筑施工机械体量庞大，进场过程中可能会受到既有设备、材料等因素的阻碍。以BIM技术为依托，可以对机械进场路径进行合理化设计，找到机械在进场过程中的碰撞点，随后对进场路径进行重新规划（亦或是对碰撞位置进行合理调整），以保证机械进场过程中不会有任何安全问题出现。
        5.2.2设备固定验算
        通常情况下，施工单位对于各类机械设备在施工现场固定位置方面具有较高要求，对塔吊等大型设备在固定之前均要采取受力验算处理，从而保证施工过程中设备运行的稳定性。近些年来，世界范围内塔吊坍塌事故频发，给人们的生命财产安全造成了严重威胁。利用BIM技术针对施工现场塔吊的固定过程加以校验与检查，确保基座与固定件安装质量，为施工过程的顺利推进提供保障。
        5.3成本控制
        BIM技术最为主要的优势体现在信息的流转性方面，BIM模型当中不仅包含各类构件的三维样式，并且配有材料、尺寸、重量以及生产厂家等相关信息。在通过BIM软件开展场地建模以后，可以对布置过程中所应用的机械设备数量、管线长度以及混凝土工程量等数据进行全面统计，形成一套具有良好可靠性的统计数据集，为工程造价的合理计算提供依据。
        5.4碰撞检测
        建筑施工现场模型中需要开展碰撞检测的内容主要包括：①物料与设备堆放位置。通过碰撞检测，分析各类施工设备间是否呈现出作业冲突情况，同时明确施工设备和原材料堆放场地之间的距离合理与否；②道路规划布置。检测施工范围内道路布置情况，各类施工道路之间尽可能不要出现交叉情况（亦或是少交叉），从而确保施工作业过程安全性；③水电布置。防止临时水电布置和现场设备布置之间出现冲突，通过BIM软件进行模型演示，准确找出危险源，并及时采用相应措施进行优化处理。
        结束语：
        综上所述，通过BIM施工场布软件绘制的三维可视化施工场布模型，直观明了，操纵简单方便，便于施工现场的实时动态调整，实现精细化管理，大大提高施工现场的管理效率，同时BIM施工现场布置软件还可根据规范《建设施工安全检查标准》（JGJ59-2011）[4]和《建设工程施工现场消防安全技术规范》（GB50720-2011）的要求智能检查项目在施工各阶段过程中的布置是否符合规范，以及不符合规范的要求如何整改的意见一并提出，有利于安全文明工地的推进与落实。BIM 可视化技术整合了建筑产业链条的所有生命周期内的各类生产要素及人力资源，在任何过程中都可以为其提供全方位的信息支撑和服务，在建筑施工可视化管理方面拥有明显的优势，为建筑施工管理注入高科技力量和高效率。
        参考文献：
        [1]马筠强.基于BIM的施工现场布置优化研究[D].哈尔滨工业大学，2016.
        [2]冯帆.ZY公司施工现场6S管理应用研究[D].河北工程大学，2017.
        [3]方芳，刘月君，李艳芳，许彬.基于BIM的工程造价精细化管理研究[J].建筑经济，2014，35（06）：59-62.
        [4]范晓琰.建设项目施工总平面布置图的设计及管理[J].价值工程，2018，37（03）：98-99.