施工可视化模拟技术在科威特医保医院EPC项目中的应用与研究

徐 云 罗 兵

上海宝冶集团有限公司 上海 201900

4D施工模拟技术采用三维模型与一维时间相结合的手段，创建可视化模拟施工的效果，达到改善项目组织间沟通协调的目的[1]。在4D模型中，项目的时空联系十分紧密，这两大因素的关系在工程实施中相互依存。4D模拟可应用在建筑工程的不同阶段，如分析设计、可实施性、施工规划及检测环节[2-3]。工程中，三维模型与一维时间进行系统性的集成始终是建筑行业人员研究与关注的方向，并在很多大型工程项目中推广应用且取得了一定成效。上海迪士尼项目4D施工模拟的应用数据表明：工程时间可节省10%～11%，工程成本可节省3%～4%。4D施工模拟技术可支持空间冲突分析、路径分析、施工质量检查和危害源识别。

1 研究背景

科威特医保医院项目是集设计、采购、建造及运营维护（EPC＋O）为一体的EPC项目，由Ahmadi和Jahra这2个规模大体相同的医院组成，每个医院包括1栋拥有300张住院病床的主楼、门诊部、急诊病房，拥有547个停车位的停车楼设施及外部工程，包括2个地点医院的所有公共事业设备。其中，Ahmadi医院占地3.6万 m2，Jahra医院占地5万 m2。每座医院主楼为地上5层、地下1层，建筑面积86 984 m2；停车楼地上5层，建筑面积19 892 m2。2座医院主体建筑完全相同，布局因场地条件不同而异。

本文以科威特医保医院项目为工程背景，从4D模型的建立及4D模拟分析在工程实体中的应用等方面考虑，依托集成化Synchro软件平台，进行4D仿真可视化模拟，完成项目关键路径和活动的监控和可视化查询，降低传统项目管理中组织的沟通协调冗长，减少施工时间、降低施工成本和提高施工质量等管理的效率，完善施工规划。同时根据4D施工可视化模拟技术在工程上的成果进行技术方面的发展研究，在4D的基础上加上资源与费用进行了工程项目5D仿真模拟。

随着社会对建筑要求的不断提高，建筑工程项目的复杂程度也大幅度提高，尤其是EPC项目。科威特医保医院EPC项目在执行过程中采用“边设计、边施工”的加速推进项目实体的建立管理模式，这对项目团队的管理要求大大提高，如何在短时间内达到复杂工程的高标准要求是值得思考的，施工可视化模拟技术在一定程度上协助了项目管理团队去执行复杂的工程项目。

2 施工模拟

2.1 仿真模型建立

1）利用Autodesk Revit将2D施工图纸转换为3D模型：将Auto-CAD中的平面图纸导入到三维建模软件Autodesk Revit中进行相关构件的制作，完成建筑3D模型。

2）利用Autodesk Navisworks将所需的3D模型进行抽取：从Autodesk Revit中导dwf.格式文件，并将该文件导入Autodesk Navisworks进行模型处理，抽取出计划中作业对应的模型文件，并依次导入4D软件Synchro软件中。

3）利用Primavera P6软件进行计划编制：根据项目参考文件、图纸、工程量清单、施工方案等进行施工计划的制作，并从Primavera P6中导出xml.格式的文件，导入到4D软件Synchro软件中。

4）利用Synchro软件进行计划与模型搭建关系：将3D模型抽取出的构件分别分配到对应的计划作业上，并按施工方案的顺序定义相关构件可视化的先后关系，完成4D仿真模型的建立。同时在对应的构件上增加综合费用，形成5D仿真模型。

2.2 4D数值仿真

4D技术的研究和应用在国内外已经得到了广泛重视，是未来工程招投标、设计和施工管理必需的辅助工具[4]。金大鹏等[5]针对机房的管线综合排布，通过4D可视化技术研究综合支吊架系统，进行相关管线排布方案优化，实现了模型漫游，使观感质量达到最优。以可视化模拟分析后的4D模型和施工进度计划为依据进行群塔作业组织和安排，能够清楚地知道每一个环节的工作时间和内容，从而合理安排施工人员及机械的施工时间[6]。4D数值仿真对项目管理的影响与作用逐渐在工程领域受到重视。科威特医保医院EPC项目同样用到了4D技术，其医院主楼结构进度计划，如图1所示。结构三维模型，如图2所示。

图1 结构进度计划

图2 结构三维模型

通过2.1仿真模型建立步骤对科威特医保医院项目工程实体的一个区域进行了4D数值仿真模拟，其仿真模型，如图3所示。施工现场形象进度，如图4所示。

图3 4D数值仿真模型

图4 施工现场形象进度

4D施工可视化模拟的结果表明：

1）改善了项目参与者对项目的理解，提高了工程师和项目团队对现场动态的把控。

2）直观地将计划中施工作业的逻辑关系表现出来，保证了工程推进的计划性与有效性。

3）在工程量相似的不同区域、相同的作业班组和机械条件下，采用施工模拟技术的效果明显，相比传统施工方法，能节省工期、节约成本，减少现场返工现象。

通过项目执行前的计划安排，协调实体施工先后的逻辑关系，并将实施逻辑关系用三维模型生长的方式展示，不仅可以让项目管理团队对工程情况了解更加清楚，而且在生产过程中工作也将更加有序，可避免不必要的返工。

施工可视化模拟技术在工程结构上的应用所带来的价值并不是非常明显，因为单个专业（结构）的几类构件空间上的协调并不困难，但是在异常复杂的工程中，由于专业内子专业的施工穿插、专业与专业间施工穿插、实体的工作交接错综复杂的项目等，该技术的应用价值就会表现明显。

2.3 5D数值仿真

基于BIM技术的悬臂施工连续桥梁5D施工管理能够实现施工管理由静态、粗放向动态、精益的转变，提升建筑施工企业的生产效率，节省工期、节约成本[7]。将BIM 5D技术与传统成本控制中的挣值法理论结合，研究出新的基于BIM 5D的成本动态控制法[8]。

基于BIM 5D技术实施局部区域的成本精细管理，针对合同价、目标成本、实际成本，输出周、月、年对比曲线，有效地促进成本精细化管理[9]。基于BIM 5D施工模型的历史建筑修复施工模拟，不仅能优化修复方式、提高工程效率，还可动态追踪项目进度，实现修复现场的精准管控，取得更好的经济效益[10]。5D数值仿真技术提供了集信息协同及交互为一体的施工可视化模拟管理，提高了项目管理效率。工程前期的5D策划非常重要，可为项目团队进行工程实施提供一定的参考，从而提升工程项目的执行效率，避免机电管线实施碰撞的返工，造成成本浪费。机电各子专业的施工穿插相比结构构件的穿插施工要复杂得多，因为机电涉及暖通、给排水、消防、强弱电及特殊系统专业工程，机电各子专业之间综合协调的施工管理难度大且费用高，所以进行有效的时间、成本及资源的监控是有必要的。

科威特医保医院EPC项目机管线不同于简单的结构体系，就地下室机电管线而言，因其体量大、系统多、空间小、造价高等特点，错综复杂的机电管线的关系导致地下室机电管线必须做到先后有序实施的高效管理，这对项目团队来说是一个挑战。地下室机电管线三维模型，如图5所示。在2.1章节中4D数值仿真模型建立的流程基础之上选取地下室一个区域进行5D数值仿真模拟，通过在一个区域的机电管线的进度计划上增加对应作业机电管线预算成本费用，就形成了机电该区域各专业管线5D施工可视化模拟。机电管线5D施工可视化模拟，如图6所示。

图5 地下室机电管线三维模型

图6 机电管线5D施工可视化模拟

通过对地下室机电管线的5D施工可视化模拟对项目执行指导的成果表明：

1）项目管理团队利用工程的5D数值仿真效果对工程实施的安排、工期及费用控制进行了系统的研究分析，并在实体实施执行过程中进行了借鉴，效果明显。

2）不定期对5D数值仿真的模型进行更新，不仅能动态地监控工程实体进展，并且对工期的偏差、费用的偏差进行定量分析，给项目管理层提供进一步决策的作用。

除了机电工程各个子专业管线的进行5D施工可视化模拟技术的应用之外，也可以去解决工程实体在实施中专业间穿插、专业与专业间穿插、区域与区域间穿插及单体与单体间执行先后错综复杂的协调问题。

5D技术随建筑行业中项目复杂程度的提高渐渐出现并逐步推广应用，与此同时，对这方面有研究的人员已将5D发展到6D，即在5D的基准之上加上项目文件资料及风险评估的可视化施工模拟集成管理。同时，对项目管理团队的综合能力要求逐步提高，并且推动着建筑行业的项目管理水平提升。

3 结语

通过施工模拟可视化模拟技术在科威特医保医院EPC项目上的应用与研究，得出以下结论：

1）在该技术应用的过程中发现，前期模型的处理与计划的编制需要消耗大量的时间，但是在工程实施时会减少干系人之间冗长的沟通所带来的拖期风险。

2）经过实践证明：可视化施工模拟技术提高了计划对工程施工指导的水平，能节省一定的时间与费用。

3）利用4D可视化施工模拟，可以增强施工工艺逻辑与方案逻辑关系的理解效果，提高了工程管理人员对工程实施的认识和远程监控的能力，加快了工程实施的进度，节约了人工成本。

4）在该技术的工程应用带来良好效益的同时，对其开发与研究，并进一步加深4D的应用（如5D，在4D的基础之上加上费用的概念），对相关工作人员的综合能力有较高的要求，因此可以通过适当的培训与交流提升工程管理人员的整体水平。

5）施工可视化技术随着社会的进步、工程需求的提高在逐步发展（如6D技术），该技术的应用会因项目实践产生的优良效益被人所接受并推广。