BIM4D模拟，驱动施工资源动态管理

现时的施工项目管理通过引入大量人工智能、虚拟现实、工程数据库和网络通信等计算机软件集成技术，提供了基于网络环境的4D施工资源动态管理，实现了集人力、材料、设备、成本、场地布置、施工计划、进度于一体的4D动态集成管理以及施工过程的4D可视化仿真过程，为项目管理提供科学、有效的管理手段。

1.4D施工模拟的概念和特征

4D施工现场的管理是将施工场地及设备、设施的3D模型与施工进度计划相连接，建立施工场地的4D模型，实现施工场地布置的可视化和各种施工设备、设施以及进度的动态管理。简而言之，4D模拟就是在BIM的三维空间模型基础上增加时间维度，通过对建筑物建造工序方案的仿真模拟，对施工工序的可操作性进行检验，并进行管理和监督。

4D施工模拟可以有效地加强项目各参与方的沟通与协作，优化施工进度计划，为缩短工期、降低造价提供帮助，其主要特征表现在以下几方面：

1）3D施工现场可视化：通过对施工设施及其相关设备进行归类分析，提取出能够反映其空间几何特征的关键属性（包括形状、大小、位置等几何属性以及设备名称、型号、相关技术指标等场地属性），利用该属性信息在图形平台上构造对应的3D实体模型，实现对这些模型任意位置和角度的动态显示和切换，进而实现对整个施工现场的3D可视化。

2）3D场地模型与进度计划的双向链接：通过将3D场地模型与进度文件进行关联形成4D模型，可以实现双向数据的交流和反馈，保证施工进度与场地布置在时间和空间上的一致性。双向链接实现了对任意时间、任意场地的施工状态模拟；当施工进度发生变化时，可以自动对任意指定时间段内场地的空间状况，人力、材料、机械等资源的需求以及工程量进行统计更新，为场地布置提供直观又准确的依据。同时，双向4D模型可以分析各种施工设施之间、材料供给与需求之间、场地布置与施工进度之间等诸多复杂依存关系，这为研究施工资源的“时间-空间-数量”关系，定义这些关系的规则、动态变化规律及其影响施工效率的因素提供了强有力技术支撑。

3）4D动态模拟：施工进度计划与3D场地模型相关联生成的4D模型可以呈现场地状况和施工过程的全动态模拟。在图形环境中，通过给定施工对象及确定的时间，即可依照施工进度显示当前的施工状态。这种动态模拟是可逆的，所以它可以形象地反映施工过程中场地的动态变化。如果需要对整个施工过程进行动态追踪，那么通过输入施工资源的各种数据（如：材料、机械、劳动力等）以及查询工程量便可实现。同时，通过查询施工设施名称、类型、型号以及计划设置时间等属性，也可以实现施工进度和场地布置的关联，最后形成动态的4D现场管理。

2.4D施工模拟软件

4D施工模拟软件是集可视化、仿真、通信为一体的强大工具，它将BIM模型与项目施工进度计划相链接，以三维动画的形式动态模拟整个施工现场与施工过程。它提供了工作的图形仿真，允许提前发现潜在的问题，并作出优化的施工方案（包括人员、场地、设备、物料堆放、运输路径、安全问题、空间冲突等）；此外，它还能仿真临时性设施（如脚手架、起重机等大型设备）的进出场时间，这为合理安排大型机械位置、优化整体进度、节约成本提供了帮助。4D施工模拟便利了跨学科建构能力的评价，提供了用图形形式表示施工过程的方法，从而帮助所有项目参与者更快、更好地作出规划决策。

基于BIM的4D施工模拟，不仅能跟踪施工现场、优化施工进度计划，而且能使项目各参与方进行更有效的沟通，其优势是传统的基于二维图纸的施工管理模式所不能比拟的。因此，很多BIM软件厂商都将4D施工模拟作为BIM软件必不可少的一部分，甚至一些小型软件开发公司专门开发4D模拟工具。

常见的4D模拟应用软件包括：

1）Autodesk—Navisworks Manage Autodesk Navisworks Manage软件是一款由Autodesk公司开发，面向设计和施工管理专业人员的施工模拟类、工程项目整体分析类和信息交流类的全面审阅型智能软件。它将精确的错误查找和冲突管理功能与动态的四维项目进度仿真和照片级可视化功能完美结合，实现了施工进度的模拟与优化，解决了冲突碰撞的识别与协调，使项目参与方更有效地进行沟通与协作，以便尽早发现潜在问题。Navisworks Manage具有协调、一致、全面三大特点，能与Microsoft Project进行互用，将Microsoft Project创建的施工进度计划导入Navisworks Manage软件，可以实现3D模型中每一个构件与每项计划工序的一一关联，进而轻松地模拟施工全过程。Autodesk Navisworks Manage软件工作界面如图4-1所示。

优势：Navisworks Manage简化了贯穿企业与团队的整个工作流程，提高了施工文档的一致性、协调性、准确性；在无需预编程的条件下就能对不同大小的模型进行平滑的实时漫游；同时，Navisworks Manage兼容多种模型格式，例如：Autodesk，MicroStation、Archi-CAD、Solidworks等；此外，Navisworks Manage还将精确的错误查找功能与基于硬冲突、软冲突、净空冲突与时间冲突的管理相结合，将项目中发现的所有冲突进行完整记录，并利用其3DMail功能使设计团队成员进行交流，实现任一3D模型的特定场景视图与文字内容的同时发送，以便更快更好地在规划阶段消除工作流程中的问题。

图4-1 Autodesk Navisworks Manage软件工作界面

劣势：在用Navisworks Manage软件进行渲染和制作模拟动画时，需要消耗大量的资源，因此该功能对计算机的配置要求很高，且所需花费的渲染时间很长；特别是当发生设计变化时，将变更后的模型再次导入NavisworksManage软件，必须将进度计划里的任务与每一个构件重新关联，显然工作量巨大，不适于大型项目。

2）Bentley—ProjectWise Navigator BentleySystems，Incorporated是一家全球性的旨在提供基础设施全生命周期解决方案的公司。其ProjectWiseNavigator软件产品能够提供所有生命周期阶段强有力的协作和丰富的功能，主要包括三方面的内容：①评估项目及在渗透和可视化环境下进行的设计；②分析和模拟施工进度、评估建筑能力；③针对施工和实施计划，创建智能化、便携式的可连接工作包。可以看出，ProjectWise Navigator是更侧重于施工类的BIM软件，它可以收集整个设计过程中的2D/3D信息（包含维修通道、设备布置和其他关键设计数据的最初设计模型等），并对其进行适用性、冲突性及施工能力评估，以避免在施工阶段出现代价高昂的漏洞与错误。(www.xing528.com)

具体而言，其功能包括：①友好的交互式可视化界面（图4-2），方便不同用户轻松地利用切割、过滤等工具生成并保存特定的视图，进而分析错综复杂的3D模型；②检查冲突与碰撞，项目建设人员在施工前利用施工模拟能尽早发现施工过程中的不当之处，降低施工成本，避免重复工作；③模拟、分析施工过程以评估建造是否可行，并优化施工进度；④直观的三维实时漫游功能，用户可以根据需要简单地运用行走、飞行、自动巡视、旋转、缩放等功能模拟置身于建设项目的任何一个角落实时查看构件的工程属性。除此之外，ProjectWise Navigator对各种文件格式、行业标准及应用提供广泛的支持：①支持的2D/3D文件格式包括：DGN、DWG、PDF、JPEG、TIFF、IGES、STEP和3DS；②支持的应用程序包括：AutoPLANT、TriForma、PDS、PlantSpace等。总之，ProjectWise Nawigator可以访问上百个Office、图形、AEC和基础设施设计应用程序中的图形和非图形二维/三维几何项目内容。

图4-2 ProjectWise Navigator软件工作界面

优势：首先，ProjectWise Navigator软件是一个被全球设计精英使用的协作系统，足见其功能之强大；其次，与Navisworks Manage软件相比，ProjectWise成本更低，且其支持的2D/3D文件格式更多（如上所述）；再次，它可以同时浏览三维模型与二维图纸，软件界面友好，交互性强；最后，该软件的碰撞检查和施工模拟功能强大。

劣势：同样，由于ProjectWise Navigator软件较耗资源，因此对计算机配置要求较高，内存、显卡、硬盘都必须满足一定要求；且在安装ProjectWise Navigator软件之前，必须安装MicroStation Edition Software Prerequisite Pack作为前提包，才能成功运行该软件。

3）Innovaya—Visual Simulation Innovaya是最早推出BIM施工软件的公司之一，其重头产品——Visual Simulation和Visual Estimating专门针对辅助施工阶段工作任务的解决方案。其中，Visual Simulation软件是一款4D进度规划与可施工性分析的软件，而Visual Estimating则是一款5D施工项目管理软件，在下节将重点介绍。Visual Simulation与Navis-works Manage有相似的地方，即同样能将Microsoft Project或Primavera创建的施工进度计划与Revit创建的BIM模型相关联，使项目进度计划通过3D构件在施工进度安排下表现其建造过程（图4-3）。此外，用户还可以方便地点击4D建筑模拟中的建筑对象，查看在甘特图中显示的相关任务；反之亦然。

图4-3 Visual Simulation软件工作界面

优势：Visual Simulation软件交互界面友好、简单，容易上手，且其关联进度计划与BIM构件时，无须手写表格即可快捷完成；一旦调整进度图表，则与其相关的BIM构件的施工安排也将相应更改，并在4D模拟建造时体现出来；其关联工作较Navisworks Manage更为简单、方便。

劣势：Visual Simulation软件对于添加、删除基本构件或临时性建筑（脚手架、起重机等的进出场安排），常常需要进行手动操作，即先将新增的类型任务项添加于进度计划中，然后进行关联。正是由于软件自身的自动更新能力较差，因此对于较大的修改将增加不少重复工作量。

4）Synchro Ltd.—Synchro 4D 目前的4D工程模拟大部分是针对大型复杂建设工程及其管理开发使用的，而Synchro 4D拥有比其他同类4D软件更加成熟的施工进度计划管理功能，并提供了丰富形象的4D工程模拟（图4-4）。正如软件的名字“同步（Synchro）”一样，Synchro 4D可以为整个工程组的参与方，包括业主、工程师、建筑师、运营者、承包商、分包商和材料提供商等，提供实时共享的工程数据。这些人员可以利用这款软件安排施工进度计划、同步设计变更、可视化模拟施工过程，进而实现高级风险管理、供应链管理以及造价管理。Synchro 4D软件不仅可以关联Bentley、SolidWorks和Sketchup软件所创建的模型，而且可以导入Asta Powerproject、Primavera以及Microsoft Project进度计划软件所创建的施工进度计划。

图4-4 Synchro 4D软件工作界面

优势：Synchro 4D软件是目前最成熟的4D施工模拟平台之一，除了具有最基本的4D可视化仿真功能之外，其最大的优势体现在强大的施工进度计划管理上，主要包括：任务顺序排列管理（Task sequencing options）、任务状态管理（Taskstatus control）、多重考核机制比较实际完工情况与计划出入、进度跟踪管理（Progresstracking）、重新编制施工进度计划管理（Rescheduling）、关键线路分析（Critical pathanalysis）以及资源管理（Resource management）等。此外，为了保护关键线路，Synchro 4D还提供了风险缓冲机制（Risk buffers），以缓解可识别的风险，并尽可能地减少重新编制施工进度计划的情况发生。

劣势：由于该软件具有强大的施工进度计划管理功能，因此它的使用也对相应的操作者提出了较高要求：使用者只有在具备丰富的施工进度计划安排的经验下，才能更有效、更全面地使用资源管理、风险分析等特色功能。