进度管理作为项目管理知识体系的关键领域之一, 工程项目进度计划是连接设计阶段与建设施工阶段的桥梁。以项目进度管理为核心的现代项目管理技术在实际应用中, 在降低项目成本、缩短项目工期、促进项目组沟通、合理利用项目资源等方面取得了很大成功, 是组织项目顺利实施、保证项目目标实现的重要手段。传统的CPM/PERT和Gantt Bar计划管理技术自诞生以来, 在进度表示和控制方面获得了广泛应用, 相关学者结合DSM技术的进度计划方法, 对施工工序复杂关系及不确定性进行系统研究, 但也存在无法直观展示工序或项目进展的时间比例、在实施过程中对进度控制缺乏有力措施、不能提供时差分析等诸多问题。为此, 使用更好的进度管理方法与技术十分必要。将BIM3D参数化模型与施工时间相结合, 形成4D建筑信息模型, 很容易找出施工中可能发生的时间及空间冲突, 可提升工程进度管理绩效。

BIM 4D建筑信息模型即在原有的3D模型x, y, z轴基础上, 附加时间维度, 从而将模型的形成过程以四维动态方式表现出来。4D模型是一种多形态的表现方式, 用户除了可以透过4D可视化的展现看到工程施工过程中所有重要构件的图形仿真, 还可以依据施工流程及进度, 在3D模型上以不同颜色呈现出来, 显示建筑对象单项施工实际进度状况, 从而可以更清楚地了解工程目前施工状态, 还可以透过4D可视化方式仿真工程中每个建筑物单元、每个时段的施工进度。

1996年, 美国斯坦福大学设施集成研究中心 (Center for Integrated Facility Engineering, CIFE) 提出将4D模型应用于建设工程项目的相关成果, 开始引起国际上的极大关注。随即CIFE又推出4D CAD系统, 通过将CAD绘图平台建立的3D建筑物构件模型与项目计划的各项工作时程相连接, 并于CAD绘图平台中动态地仿真建筑物的兴建过程, 虽然该系统推出时还处于研究阶段, 但已带领了一阵研究热潮。而将此4D模型应用于工程项目的不同阶段, 让管理者透过4D可视化动态图形仿真来掌握决策所需信息, 以协助工程顺利完成, 即4D建设项目管理。

目前, 国内外相关专家学者及软件厂商对BIM4D技术均开展了一定的研究, 相关理论文献与产业实践表明, 目前关于BIM 4D技术研究集中体现在3方面。

1) 基于建设时序的空间规划模式在较大的时空域中考量建筑场地与设施转换、大尺度建设时序等问题, 比如一期、二期规模配比等商业策划与建设过程综合分析等。

2) 基于空间体系的时间分解模式类似于里程碑, 总能预判那些重要的工艺节点, 这些节点将是工艺程序转换或者场地使用功能和方式发生变换的时刻。在这些时刻中通过4D技术经常可以发现一些工序工作空间的冲突现象。

3) 基于施工工序的时序空间成长模式建筑工程的任何一个工序都会在时序空间内形成状态流, 其流过的空间内会留下该工序的工作成果。因此当这些工序交叠渐次展开时, 建筑工程实体就不断地被完成, 而对这些工序流进行组织设计和管理一直是施工阶段项目管理的重点。

已有研究表明, BIM技术并未实现建筑业信息化的横向打通, 就某一阶段的BIM技术而言, 应用价值并未得到充分实现, 如何统筹管理, 实现BIM在各个阶段、各专业间的协同应用, 是未来研究的关键。针对BIM 4D相关功能, 就目前国内外主流软件进行分析, 如表1所示。

由表1可见, BIM 4D的应用主要侧重于项目实施阶段, 也有局部进行设计前期规划分析。目前大多数软件平台, 如Autodesk, Bentley, Vico等, 其所属BIM 4D相关软件主要是基于某一功能进行的开发, 交互性多侧重于自有软件。然而, 也有在进度管理领域独树一帜的, 如SYNCHRO, 结合Oracle平台相对完美融合, 具有一定的代表性。

模型的细致程度, 描述了一个BIM模型构件单元从最低级的近似概念化程度发展到最高级的演示级精度的步骤。美国建筑师协会 (AIA) 为了规范BIM参与各方及项目各阶段的界限, 在其2008年的文档E202中定义了LOD的概念。这些定义可以根据模型的具体用途进行进一步发展。针对项目不同深度要求, BIM 4D也有与之对应的不同应用层次, 如表2所示。

在BIM实际应用中, 首要任务就是根据项目的不同阶段以及项目的具体目的来确定LOD的等级, 根据不同等级所概括的模型精度要求来确定建模精度。可以说, LOD做到了使BIM应用有据可循。当然, 在实际应用中, 根据项目具体目的不同, LOD可以适当地调整。

该主题乐园酒店项目属于上海国际旅游度假区大型开发项目之一, 占地约6.5hm², 总建筑面积41 880m², 地下1层, 地上7层, 客房数量420间, 停车位296个, 包括宴会厅、特色餐厅、礼宾酒廊等。

1) 复杂建筑主题酒店必须容纳各种建筑功能, 并同时满足设计的创造性构想。

2) 紧凑的时间表在竞争激烈的全球环境中, 度假区需要在紧迫的时间内设计和建成, 尽快推向市场。这就要求在设计和施工过程中达到一定的准确性和精度, 避免更改和返工。

3) 有限的预算项目争取最大限度地将给定的预算金额用在为乐园游客提供的节目上。由于施工时发现冲突而改变设计不仅影响进度, 而且增加成本, 从长期来看, 将减少公司能够用在客人可以享受的金额。相反, 更有效率地将资金花在正确的地方会给公司带来更好的投资回报。

4) 新市场和语言关作为在我国大陆建造的第1个大型项目, 项目建设方需要将其独特的要求传达给本地供应商和建设单位。由于语言差异, 可视化工具至关重要, 其可以帮助设计师将思路和设计意图传达给本地设计院和承包商。

5) 质量不断努力保持和改善产品质量标准, 提供一个令人信服的建筑环境来为游客叙述富有感染力的故事。

6) 安全安全目标简单而明确:无人受伤。这不仅适用于乐园运营, 也适用于施工过程。采用VDC来强化适当的场地规划有助于减少现场的安全风险。

结合工程实际应用需求, 在设计阶段就使用三维模型同步设计, 直至施工图完成阶段, 形成三维综合协调模型与设计文件共同移交给承包商, 以合约形式落实相应工作范围, 以期达到设计、施工及运营的集成化。图1显示了项目实施BIM 4D的工作流程及主要应用。

其中, 基于项目实际需要, 采用Revit或适用的其他特定专业软件创建3D模型, 如Rhino, Tekla, Civil 3D, 其主要目的是针对不同的建筑系统加以整合, 包括建筑、室内、装饰、假山塑石、结构、机电、厨房、景观等。与之对应, 经整合或按照实际需要将单独的专业特殊BIM模型, 与项目进度管理团队编制的P6进度计划通过软件兼容的文件格式进行转换, 再导入专业的BIM 4D建模软件, 将建筑实体物件与进度计划中的工序相匹配, 由此生成4D模型, 用以优化进度计划, 展示建造过程。承包商主要实施流程如图2所示。

项目管理方 (业主) 在提供项目总进度节点的同时, 将与设计模型相一致的4D模型共同移交于承包商。作为总进度控制计划的细分, 承包商将负责定期修改、更新和维护, 与管理方总控计划相辅相成。在定期周计划会上予以审阅汇报, 通过可视化展示现场交通物流规划, 包括临时状态以优化进度计划。

图3所示为不同视角的4D进度计划, 呈现了直观进度计划与实物建设过程, 对建筑基础及桩基工程进行方案模拟比较, 并从资源分配角度考虑施工过程中所需的工程量。通过定期形成的汇报, 来体现完成百分比, 并进行预测。

与此同时, 通过baseline与实际情况的分析对比, 可以直观了解项目实际与原计划差异, 有助于预先发现那些“危险”的干扰项并给出预警。

项目管理团队在关注细部节点的同时, 在更多层面从宏观角度对项目进行管控, 如针对里程碑Milestone等关键节点, 往往会提前设置目标预测。

该项目实践所使用的BIM和4D技术相对已经较为深入, 结果显示利用现有BIM工具进行4D施工模拟, 很容易掌握各施工活动与建筑组件在工地的时空关系, 确保规划出正确的施工程序, 对提升进度管理能力有正面效果。但按照BIM在我国业界技术标准和业务需求来衡量还未成熟, 对于习惯设计和绘制永久工程图纸的建设行业来说, 将所有设施设备和物料等全部建模并使用4D技术进行分析, 所需要的工作量比以往有所增加。

BIM 4D的理论和技术已经在国内外得到实践应用, 其作用主要体现在以下方面。

4D技术的最佳应用是项目实施整体规划, 即当建设过程构成项目解决方案中重要的组成部分时, 4D计划、分析和模拟将成为项目实施过程中设计的最重要和直接工具。项目实施过程设计可以涵盖项目生命周期, 绝大多数项目仅考虑施工阶段的建造过程, 但还有一些项目需要将商业策划与进度计划高度集成, 一旦项目建设与运营无法严格分开, 运营过程和建造过程就需要反复推敲和测算, 工程上需要建造过程安全可控。

施工组织设计需要进行施工场地布置, 而传统的场地布置方法并没有紧密结合施工现场动态变化的需要, 尤其是对施工场地布置随施工过程动态变化中可能产生的冲突问题欠缺考虑。4D应用是在施工场地使用、多专业协同工作面、单一专业工序流空间排布方面通过动态方法来考量空间冲突问题, 相当于大尺度、中尺度、小尺度上对施工组织设计与空间相关性较强的部分进行动态校核。

BIM和4D相关技术的出现具备了统一协调管理3D施工场地的能力。理论上在精细的空间架构内考量工序的逻辑时序正是精益建造思想的精髓之一, 因此借助BIM和4D相关技术进行精益化施工组织设计正逐渐成为可能和事实。

基于baseline, 进行现场施工进程的4D校验和未来进度预演, 可预先发现危险的干扰项并给出预警。优秀的工程师也可以通过现场巡视看到同样的问题, 但与现场巡视相比, 4D动态检验所发现的问题更便捷省力。同时, 也可以在某个现实进程节点上进行未来方案的“what-if”分析, 将所有已知要素和未完成任务关联后进行推演也是项目计划工程师最重要的工作。

基于3D模型的进度计划编制, 通过任务配置将传统工序与空间实体相链接, 以动态反映工序流在空间中的流转, 并以此计算工序时序资源的时间特征, 利用可视化效果为传统进度管理计划做技术修正, 实用性很强, 且易于接受。由此生成的形象进度相对不同项目参与方, 都有更为直观的理解。并且现有的软件系统, 已有能够同步更新4D模型的功能, 如SYNCHRO等可以直接同步P6的进度计划而无须重新建模, 很大程度上缩短了时间。

在工程师进行BIM 4D管理与更新过程中, 如何将传统的进度计划编制分解, 如按照工序分类, 与设计师建立模型的实体分解思路相匹配, 这不仅涉及软件技术问题, 更应关注的是建筑师与计划工程师, 或是设计与施工阶段的协调与集成考量。这也是在BIM 4D发展过程中需要不断融合、值得进一步研究与优化的问题。

按照现有技术和管理习惯去使用BIM 4D技术需要进步的不仅仅是工具, 更需要综合考量集成化管理问题。而长远看, BIM 4D技术的推广与应用必将成为连接下一代建筑技术的纽带。