建筑施工现场的4D可视化管理_张建平

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施　工　技　术

CONSTRUCTIONTECHNOLOGY2006年10月第35卷　第10期

建筑施工现场的4D可视化管理

张建平,韩　冰,李久林,卢　伟

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(1.清华大学,北京　100084;2.北京城建集团,北京　100081)

[摘要]应用4D-CAD技术,结合当前施工现场管理的实际需求,研究开发4D建筑施工现场管理系统4D-CSMS。该系统将施工场地及设施的3D模型与施工进度计划相链接,动态模拟施工过程和场地状况,实现了3D施工场地布置和施工设施的动态管理,为提高建筑工地的管理水平和工作效率,提供了科学、有效的管理方法和手段。[关键词]4D-CAD;可视化;动态管理;建筑施工现场[中图分类号]TU717

[文献标识码]A　　　　[文章编号]1002-8498(2006)10-0036-03

4DVisualizationManagementofConstructionSite

ZHANGJian-ping,HANBing,LIJiu-lin,LUWei

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(1.TsinghuaUniversity,Beijing　100084,China;2.BeijingUrbanConstructionGroupCo.,Ltd.,Beijing　100081,China)

Abstract:Thisresearchprovidesa4Dconstructionsitemanagementsystem4D-CSMS(ConstructionSiteManagementSystem)basedon4D-CADtechnologyandthepracticedemandsofconstructionsitemanagement.Bylinkingthe3Dmodelsofconstructionsiteandallfacilitieswithconstructionschedule,thissystemcan

simulatetheconstructionprocessandsiteutilization,andachieve3Dsitelayoutanddynamicmanagementofallequipmentsandfacilities.Itprovidesascientificandeffectivemethodtoenhancemanagementlevelandefficiencyofconstructionsite.

Keywords:4D-CAD;visualization;dynamicmanagement;constructionsite

　　施工现场管理涉及施工场地的合理布局、施工空间的优化使用和施工设施的动态管理,直接影响到设备运转、材料供给、劳动力调配乃至整个施工进度和成本。当前,“施工空间”(SiteSpace)被视为施工资源的重要组成部分,与时间、投资、劳力、材料和设备等资源一样,施工空间的分配、利用和调控已成为施工管理中的重要任务。现代建筑施工的“现场管理(SiteManagement)”引起了国内外施工专家的广泛关注。根据建筑施工的实际需求,基于计算机技术的施工现场管理方法以及相应的计算机系统成为当前施工管理的一个研究热点。

1　4D-CAD技术在施工现场管理中的应用研究

4D-CAD是基于4Dimensions(简称4D)模型的计算机辅助设计技术。4D模型是指在3D模型基础上,附加时间因素。这种建模技术应用于建筑施工领域,是以施工对象的3D模型为基础,施工的建造计划为其时间因素,将工程的进展形象地展现出来,形成动态的建造过程模拟模型,用以辅助施工计划管理。4D理论由美国斯坦福大学的CIFE(CenterforIntegratedFacility,,用得到了长足的发展[1～3]。4D技术不仅应用于建筑施工进度的三维可视化和动态管理,而且还结合建筑施工的实际需求,建立了4D现场管理系统,对施工现场的场地和设施进行规划设计和动态管理。

2000年,清华大学课题组提出了一个4D施工管理

[4]

模型4DSMM(4DSiteManagementModel)。4DSMM将

施工对象和场地3D模型与进度计划链接起来,构成4D建筑施工模型,实现了施工进度和场地布置的4D动态管理。2002年,课题组提出的4D施工管理扩展模

+型4DSMM+,以WBS结构(WorkBreakdownStructure)为

核心,进一步将施工对象和场地3D模型与进度计划、施工资源、场地布置相结合,实现了建筑施工进度、材料、机械、人力、成本和场地布置等资源的4D动态管理

+以及施工过程的可视化模拟[5、6]。基于4DSMM+开发

的建筑工程4D施工管理系统4D-GCPSU,曾在北京、香港多个实际工程试用。当前,结合北京奥运会国家体

[收稿日期]2006-07-31

[基金项目]国家自然科学基金项目(50478015)[作者简介]张建平(1953—),女,湖北武汉人,清华大学土木工程系教授,博士,博士生导师,北京清华大学土木工程系　,:(62782706

2006No.10张建平等:建筑施工现场的4D可视化管理　37

育场工程的实际需求,推出的4D-GCPSU2005正应用于该工程项目的实际管理

[7]

以按照时间的正序模拟,又可以按照时间的逆序模拟。通过实时查询工程量以及劳动力、材料、机械等施工资源,实现对整个施工过程的动态追踪。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,使场地布置与施工进度相对应,形成4D动态的现场管理。3　4D施工现场管理系统4D-CSMS

+

基于4DSMM+开发的4D-CSMS系统采用面向对

。

对于国家体育场工程,由于施工场地范围大,施工机械繁多,并涉及多个分包单位和多个独立施工面,4D-GCPSU的场地管理功能不能完全满足实际需求。在4D-GCPSU2005中,4D建筑施工现场管理系统(4D-CSMS:4DConstructionSiteManagementSystem),采用自主开发的OpenGL图形平台,通过进一步优化

+

4DSMM+的模型结构,建立统一数据库,实现了施工进

象的开发技术,以自主开发的OpenGL图形平台作为图形支撑系统,具有良好的稳定性和可扩充性。其系统结构如图1所示。

度、资源需求与场地布置、施工设施的集成化管理和动态控制。4D-CSMS系统完善了现场管理功能,提高了图形显示效率,为建筑施工现场管理提供了新的管理方法和手段。4D-CSMS在国家体育场工程的实际应用中,取得了较好效果。2　4D施工现场管理模型

4D施工现场管理是将施工场地及设施 设备的3D模型与施工进度计划相链接,建立施工场地的4D模型,实现施工场地布置可视化和各种施工设施 设备的动态管理。4D施工现场管理模型具有以下主要特征:

1)3D可视化　通过对各种施工设施和设备的分类和分析,提取出能够反映其空间几何特征的关键属性,可在图形平台上构造其3D实体模型,并可以从任意位置和角度对3D模型进行动态显示变换,以实现施工现场的3D可视化。每个实体不仅具有位置、形状、大小等几何特征,还包含该实体特定的场地属性,如施工设备的名称、型号以及相关技术指标等。

2)3D场地模型与进度计划的双向链接　通过分析场地布置与施工进度之间、各种施工设施之间、材料供给与需求之间等诸多复杂的依存关系,研究施工资源的“时间-空间-数量”关系以及定义这些关系的规则、动态变化规律及其对施工效率的影响因素,将3D场地模型与施工进度计划链接起来,建立场地4D模型,实现了3D场地模型与进度软件Project之间的双向数据交流和反馈,从而保证了场地布置与施工进度在时间和空间上协调一致。可动态模拟施工过程和任意时间的场地施工状态,当施工进度发生变化,自动计算出任意时间段、任意施工状态的工程量和人力、材料、机械等资源需求以及场地空间状况,为场地布置提供准确、直观的依据。

3)4D动态模拟　通过将3D场地模型与施工进度计划相链接,生成4D模型,可以对施工过程及场地状况进行4D动态模拟。在图形环境中,只需选择施工对象并指定任意施工时间或任意时间间隔,即可根据施工进度显示当前施工状态。4D动态模拟形象地反映

,图1　4D施工现场管理系统结构

整个4D-CSMS以场地实体3D模型库和现场管理全局数据库为核心。场地实体3D模型库提供系统中所需要的各种设施 设备的三维几何信息。建立场地实体3D数据库,首先在AutoCAD中构造3D场地实体模型,所开发的模型转换接口可将实体模型转换成若干三角形面片,并把这些三角形面片的顶点坐标保存到数据库中。提取这些点坐标,即可在OpenGL图形平台中构建所需要的3D实体。4D现场管理全局数据库保存现场管理的施工信息,包括各种施工设施的位置坐标和存在时间、材料的需求用量、各种施工设备的位置和型号等,是4D施工场地的全息反映。用户可通过不断增加和修改全局数据库中的各条记录,构造现场管理全局数据库,完成整个施工现场在不同时间阶段的规划和布置。

施工现场管理系统实现了以下功能:1)3D施工场地布置

施工场地布置是按照施工方案和施工进度计划,对拟建建筑物和其施工所需的各项设施 设备进行施工现场平面和空间上的周密规划和合理布局,是施工准备工作的一项重要内容,也是实现安全、文明施工的基本条件。施工场地布置的内容包括:一切地上、地下的已有和拟建建筑物、构筑物和管线的位置和尺寸;现场的垂直运输机械和运输道路;各种加工厂、库房及堆场;临时建筑;水电线路和安全防火设施等。

4D-CSMS提供的3D场地实体模型库和一系列辅,

红线、围墙、道路、现有与临时建筑物、材料堆放、加工场地、仓库以及垂直、水平运输机械、搅拌站等各种施工设备和设施。各类3D场地实体模型均可以显示、隐藏或改变颜色,直观逼真地体现了实际施工现场布置,实现了3D可视化效果。

在进行施工场地布置时,系统会根据规范的场地布置设计流程和方法,为用户提供设施 设备选型和定位的相关设计参数,以提高设计效率。例如在设计加工场地时,用户输入加工材料的种类和用量等数据,系统可自动计算加工场地的所需面积,用户根据实际场地状况,用鼠标进行点选即可完成加工场地的3D实体布置,无需借助施工手册查阅各种参数,大大提高了工作效率。

在施工场地布置过程中,系统记录各个场地实体的几何信息、工程属性以及计划使用的时间,自动生成4D场地模型。与仅能提供场地用途和占地情况的传统施工平面布置图相比,本系统可以详细描述每一个场地实体的平面和空间位置、施工用途和状况、相关指标和参数、设置和拆除时间等,使用户可以快捷查询每个设施 设备的详细信息,实时修改其布置状况和相关信息,进而实现了整个施工场地的3D动态设计和可视化模拟。

2)施工现场4D模拟

任何一个建筑工地都是惟一的,其地理环境、施工条件以及施工对象决无雷同之处,而源源不断的材料运输、类型繁多的设备调配、大量频繁的人员调动,使施工现场管理成为一个复杂的动态过程。在实际工程中,传统的施工平面布置图,无法反映场地布置的动态变化,尤其不能表达高层建筑工地中不同施工层的场地利用。对于施工过程中的场地布置,工地经理和工程师只能凭借自身经验,按需要进行现场调配,这样往往由于人为考虑不周和经验不足、或情况过于复杂,而引起现场运行的种种矛盾和冲突,甚至发生大型设备、设施之间的碰撞和事故。

4D-CSMS为解决上述工程问题提供了可行、有效的管理手段。系统基于4D施工模型,可以动态模拟工程的进度计划和实际进度,显示施工现场任意时间的相应场地布置和空间状况的3D视图,并按照施工进度,全面展现施工现场各种场地设施 设备随主体建筑物施工所产生的变化,包括各个设备 设施的3D实体、所在位置、设置时间以及型号规格、技术指标等属性,实现施工现场的4D模拟。在4D-CSMS中,用户指定任意施工时间,即可根据施工进度显示当前施工状态,并可以选定的任意时间间隔,按照时间正序或逆序模拟

能,用户只需指定演示速度,系统便可按照该速度及指定的时间间隔动态展示施工状态。

施工现场的4D模拟不仅是一种可视的媒介,使用户看到施工现场变化过程的3D图形模拟,及时发现现场的矛盾和冲突,避免设施 设备之间的碰撞事故。而且使场地布置与施工进度相对应,通过实时查询施工设施 设备名称、类型、型号以及计划设置时间等属性,按需要修改其布置,对整个施工现场布置的形象变化过程进行优化和控制。4D模拟可满足用户对施工现场的整体把握,为施工全过程中现场的资源占用和空间利用状况分析、各种设备 设施的动态分配,提供了形象、准确的决策依据。

3)施工设施动态管理

长期以来,施工现场管理的依据主要是施工组织设计报告及场地平面布置图,其中施工设施 设备的配置,通常只提供主要的大型设施 设备的选型和布置计划。而且这些图表大多以纸质文档保存和传递,无法及时反映各施工阶段的设施 设备配置的实际变化情况,更缺少设施 设备的完整详细信息。因此,施工现场的信息管理是施工信息化亟待解决的问题。

4D-CSMS提供了全新的施工设施动态管理功能。由于系统建立的是4D场地模型,所有3D设施 设备实体,都具有相关指标和参数、施工用途和状况、设置和拆除时间等详细的工程属性,并与施工进度计划相链接。用户只需在屏幕上点取任意场地实体,系统即可显示其名称、类型、型号、标高以及计划设置时间等属性信息,并可实时修改这些信息。系统还允许用户按照不同的类别和任意时间段查询相关的设施 设备的信息,通过图表对各施工阶段的设施 设备的用量、分布和使用状况进行统计和输出。同时用户还可以选择当前施工面或已完工楼层进行堆料区和施工设施 设备布置,系统自动定义相关施的4D属性,使其与施工进度相对应,形成施工设施的4D动态管理。

图2显示了国家体育场工程钢筋混凝土看台施工

图2　国家体育场看台施工阶段的场地布置

(下转第62页)

　

接喷洒在再生机的拌合罩壳内,与路面材料充分拌合。在粒料中,泡沫沥青用量一般为3%～5%(重量百分比),当被再生材料本身含有较多沥青时,其用量可降低为2%～3%。也可以在使用泡沫沥青做稳定剂的同时,加入少量(一般为1%～2%)的水泥,其作用是使再生层获得所需强度,提高表层质量,防止裂纹发生;③摊铺、压实成型;④表面处理。对交通流量大的道路只需在上面加铺一层新的沥青面层,对低交通流量路面进行表面处理即可。

利用泡沫沥青对现有道路进行冷再生的突出特点是:①仅使用一种粘结料就可获得高质量的基层,与其他冷再生方法相比,工艺经济,成本低;②提高了非粘结砾石道路的等级。为了提高道路的承载能力,其铺层被持续加强以抵抗交通磨耗及雨水的侵蚀,同时也消除了因灰尘和石子造成的交通危险;③用泡沫沥青作为新粘结料进行粘结层及部分非粘结基层道路的冷再生,可以获得满足预期交通载荷要求的新基层,与水泥相比,泡沫沥青能产生更具柔性的铺层。4　建议

根据统计资料,我国90%以上的高等级公路沥青路面基层或底基层采用半刚性材料,但由于使用这一方法造成路面的早期损坏非常严重,发达国家已很少采用半刚性基层沥青路面这种结构。而泡沫沥青作为一种新型道路材料已引起许多国家道路界的重视,应(上接第38页)

阶段的场地布置,其右下列表框是图中所选塔吊的信息查询结果。4　结论

结合国家体育场工程的实际需求开发的4D-CSMS,与4D施工进度管理、4D施工过程模拟、施工资源动态管理等子系统无缝集成,构成建筑工程4D施工管理系统4D-GCPSU2005。在4D-GCPSU2005中,4D-CSMS与其他子系统运行在同一图形平台,共享主体建筑的4D模型和全局数据库,建立了施工现场布置与施工进度、资源需求的相互关联和同步管理,实现了对整个施工过程和现场布置的动态控制和4D可视化模拟。

在国家体育场工程的实际应用表明,利用4D-CSMS可快捷、方便地进行3D场地布置,按照施工进度变化进行整个施工过程和场地状况的4D可视化模拟,实时查询和修改任意施工阶段的场地使用情况和设施 设备配置,实现施工现场的动态管理。可满足施工现场管理的实际需求,对于提高建筑工地的科学管理水平和工作效率,效果显著。4D技术的引入,为建筑施工用泡沫沥青混凝土作为路面底层,就可以解决半刚性基层沥青路面结构带来的问题,既能有效避免早期病害的发生,又能解决大量路面材料废弃后造成的污染和浪费问题。

目前,我国急需研究并建立一套适合我国实际情况的设计和施工规程,以便于这项新技术得到大力推广和利用,以进一步提高我国公路建设的质量和水平。5　结语

泡沫沥青是一种新的沥青混合料冷拌技术,将其用于沥青路面冷再生工程,不仅可以解决传统道路维修价格高、浪费资源和污染环境等问题,而且可以充分利用旧有材料,具有节省能源、不产生污染等环保优势,是经济效益较高的路面修复技术,现在正越来越多地被用于现场再生工程中。在过去十几年间,我国公路建设发展迅猛,在今后若干年内,公路的修复改造必将成为重点,因此利用泡沫沥青进行沥青路面修复更新将有广阔的市场前景。

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