基于实时施工模型的 4 D 模拟

4D 模拟可以用于进度可视化、设备定位、现场空间分析、识别潜在的施工流水冲突、资源分配计划，以及用作不同项目参与方沟通协调的有效工具。但是，施工模型的创建和进度计划的编制都在施工前完成，由此进行的 4D 模型也局限于施工前的计划分析，不能应用于施工过程的控制。此外，创建满足 4D 模拟要求的3D 模型需要较多的资源投入， 包括时间和劳动力等。利用BIM 实时施工模型及其自动化创建技术，可以减轻模型更新的工作量和将 4D 模拟的应用扩展到整个施工阶段，作为项目管理的有效工具，带来更大的项目效益。

1 实时施工模型

实时施工模型是指与建设项目实际施工进度状态保持一致的三维模型。实时施工模型的详细依赖于已存在的 BIM 模型，详细程度一般和施工模型相当。与施工模型不同的是，施工模型在项目施工前完成创建，而实时施工模型是一个动态发展的模型，旨在与项目的实际进展保持同步，需要根据项目的实际进度对模型进行不断的更新。项目对模型的表现需要是动态的，在项目生命周期的不同阶段有不同的信息表现需求。随着项目的进展，所产生和得到的项目信息也随之逐渐增长，新的信息需要新的模型来集成和表现。实时施工模型很好的满足了这一要求，动态的对项目实施情况进行监控和更新模型，从而能准确的反应项目的实际状态，这是其他模型无法比拟的。但人工进行实时施工模型的动态更新是一项复杂艰巨的任务。

2 实时施工模型的创建

实时施工模型的创建需要对项目现场的施工进度进行监控，采集项目进度的相关数据，并以此为依据更新 BIM 模型，将实际的进度信息集成到既有的模型中，以保证当前的 BIM 模型信息和正在增长的项目信息保持一致。实时施工模型的创建涉及两个过程，采集现场数据和更新建筑模型。

实时施工模型的更新需要施工现场已建成构筑物的三维坐标数据。三维坐标的采集有两种先进的技术方法: 照相测量技术( photogrammetry) 和激光扫描技术 ( laser scanning technologies) 。通过现场数据采集技术采集到的数据信息可以产生构件的三维表面模型，此三维表面模型不同于 BIM 模型，BIM模型是参数化的面向对象的实体模型。三维表面模型仅仅呈现了构件的表面形状，并不包含构件的属性，例如构件的材料属性以及构件间的相互关系等物理以及功能属性。因此，需要将三维表面模型转化为富含信息的面向对象的实体模型。三维表面模型向实体模型的转换过程，需要建模人员使用建模软件工具，在三维表面模型中将相关的建筑构件识别出来，并用对应实体图元替换; 通过构件的识别、匹配和编排，创建 3D 实体模型。通常表面构件和实体构件图元的识别替换可以实现自动化，但构件的非空间属性需要预先的定义和人工添加，使得三维表面模型向实体模型的转化过程需要耗费较多的时间和费用。

实时施工模型的动态更新是一项艰巨的任务。尽管先进的技术工具在很大程度上为现场数据采集提供了便利，但数据采集需要额外的工人或者现成的作业工人停下手头上的工作去进行，这一过程需要额外的资源投入。从现场数据的采集到BIM 模型的转化更是一项艰巨的任务，BIM 模型的创建是一个单调、耗时和易错的工作。由于反应项目实际施工信息以及基于模型进行 4D模拟的需要，实时施工模型的构件需要有足够的详细程度，构件需要细化以便能进度活动相链接，因而模型较复杂。此外，实时施工模型的创建是一个动态的过程，需要及时将采集到的现场数据集成到模型中，要持续不断的进行模型更新，模型的人工更新过程需要耗费较多的资源和人力。

3 实时施工模型的自动创建

实时施工模型的自动创建是一个多学科交叉的课题，涉及扫描技术、计算机图像学、机器智能技术和参数化建模技术等领域。实时施工模型的自动创建依赖于构件对象的识别和匹配技术。对象识别和匹配技术需要将建筑设施相关的构件识别出来，并自动完成向含有对象属性的实体构件转换。建筑构件的识别当前有基于材料识别和基于 形状 识 别 两 种 技 术Brilakis等专家组成的联合团队经过长时间的研究，提出了实现实时施工模型自动创建的框架，如图 1所示。实施框架包括六个状态( 输入/输出) ，在图 1中用椭圆表示; 促使状态转变的进程用矩形表示。整个过程从现场构筑物的数据采集开始，最终产品为 BIM 模型。BIM 模型自动创建的技术可以实现实时施工模型的自动更新，减轻模型更新过程的人工参与和工作量，有助于推进实时施工模型在生产实践的应用。

图1  建筑信息模型( BIM) 模型自动生成框架

4 基于实时施工模型4D 模拟

基于实时施工模型的 4D 模拟实施框架如图 2 所示。与基于施工模型的 4D模拟不同的是，基于实时施工模型的 4D 模拟是一个动态的循环过程。利用BIM 模型自动更新技术完成对施工现场已完成构筑物的数据采集，并自动更新到 BIM 实时施工模型。通过在三维视图中对实时施工模型的查看，可以直观及时的跟踪到已完成施工的部分和已执行的进度计划，并将已完成施工的建筑部分作为后续施工作业的约束条件; 然后将未施工的建筑模型部分和未执行的进度计划相链接，进行以已完成施工部分为约束条件的后续施工作业 4D 模拟，并以此 4D 模拟作为工具分析后续的进度计划和指导后续的现场施工作业。

图2  基于实时施工模型的4D模拟

一般来说，施工模型在项目施工前进行创建，基于此三维模型的 4D 模拟也是在项目开展前进行的可视化模拟。而实时施工模型则需要把已完成的建筑部分更新到模型中，以此为约束条件进行的 4D模型更贴近项目的当前状态，从而使得 4D 模拟更准确和更有指导意义。同时，通过 BIM 实时施工模型，项目管理人员可以在三维视图中及时直观的跟踪项目的施工情况，发现存在的问题和了解项目的当前实际状况。基于此对后续活动所进行的4D 模拟，可以更准确预测和分析潜在的问题，作为项目管理控制的一个有效工具。

4D 技术的出现和发展给建设项目带来了巨大的效益。4D 模拟将进度相关的时间信息和静态的3D 模型链接产生4D 的施工进程动态模拟，可以将整个施工进程直观的展示出来，实现施工作业流水的三维可视化。施工计划的可视化使得项目管理人员在计划阶段更易识别和预测潜在的施工流水冲突，合理进行设备定位、现场空间、资源分配计划等分析，以及更高效的与不同项目参与方进行沟通和协调，从而可以提高施工效率、缩短工期、节约成本。但是，目前的 4D 模拟一般基于施工模型进行。施工模型的创建和进度计划的编制都在施工前完成，由此进行的 4D 模型也局限于施工前的计划分析。

利用 BIM 实时施工模型，可以将 4D模拟的应用扩展到整个施工阶段。实时施工模型通过对项目现场的实际施工进度进行监控，采集项目进度的相关数据，并将数据信息更新到 BIM 模型，从而保证了模型和项目信息的一致。基于实施施工模型的4D 模拟，以此施工现场已完成的构筑物为约束条件，更贴近项目的当前实际状态，从而使得 4D 模拟更准确和更有指导意义。基于实时施工模型的4D 模拟丰富和推进了 4D 模拟在施工阶段的应用，进一步发挥 4D 模拟的作用，将能带来更大的项目效益。但是，实时施工模型的创建是一个动态的过程，模型的更新过程是一个复杂和工作量巨大的过程，这在一定程度上阻碍了建筑企业对基于 BIM 实时施工模型4D 模拟的应用。随着BIM 模型自动更新技术的出现和发展，有望在不远的将来将基于实时施工模型的 4D 模拟广泛应用到生产实践中，从而推进 BIM 技术的应用进程，带来更大的效益。