基于BIM技术的水利水电工程施工可视化仿真研究

基于基于 BIM 技术的水利水电工程 施工可视化仿真研究 技术的水利水电工程 施工可视化仿真研究 Study on Visualization Simulation of Hydraulic Engineering Construction Based on BIM 学科专业 水工结构工程 研 究 生 苗 倩 指导教师 王仁超 教授 天津大学建筑工程学院 二零一一年十二月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留 使用学位论文的规定 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 摘摘 要要 水利水电工程施工过程可视化仿真技术以动画的形式逼真形象地演示工程 的动态施工过程 将仿真过程所生成的数据和信息以图形的方式表达 替代了传 统的文字或表格的表达形式 它对施工人员准确的理解设计意图和掌握施工信息 有极大的帮助 随着水利事业的迅速发展 大规模 高难度的工程项目不断出现 可视化仿真技术的重要性也越来越明显 当前国内外都积极的进行可视化仿真技 术的研究 可视化仿真的方法也很多 通过分析比较与探索 本文以建筑信息模 型 BIM 技术为依托 以 BIM 产品中 Navisworks 软件为平台 开发了基于 BIM 技术的水利水电工程可视化仿真系统 并在观音岩水电站施工过程可视化仿真项 目的应用中得到验证 本文的研究内容主要有 1 从几个方面介绍了建筑信息模型 BIM 包括 BIM 的定义 BIM 产生的 背景原因及 BIM 在国内外的应用情况 BIM 技术的应用离不开软件的支持 本 文也简单介绍了 BIM 产品的种类及应用 2 以 Navisworks 软件为开发平台 通过研究该软件的特点 数据组织形式 及软件的开发方式 论证了实现可视化仿真系统的可行性 3 研究了水利水电工程中各种建筑物的三维可视化建模方法 通过合理地 运用建模方法 创建工程所涉及的所有建筑物的三维数字模型 进而在 Navisowrks 平台中构建施工场景 为可视化仿真系统中信息的查询与分析提供了 必要条件 4 对 Navisworks 进行基于 NET API 的开发 实现水利水电工程动态施工可 视化仿真系统 并将该系统运用于观音岩水电站可视化仿真中 验证本研究的可 行性和有效性 关键词 关键词 水利水电工程 建筑信息模型 BIM Navisworks 可视化仿真 三维可 视化建模 ABSTRACT Visual simulation of hydraulic engineering project construction realistically shows the dynamic construction process in the form of animation the statistics and informations generated in the simulation are transforming in the way of graphics instead of traditional method of words or tables This technique helps the engineers to understand the design intention and grasp construction information efficiently For the rapidly development in hydraulic engineering the significance of visual simulation is getting more distinct as the appearance of more engineering projects with larger scale and greater difficulty Research on visual simulation technique is a hotspot at home and abroad currently and there exists numbers of simulation method In this paper a visual simulation system of hydraulic engineering based on BIM Building Information Modeling is developed which used the Navisworks as develop platform and demonstrated with the Guanyinyan hydropower station construction visual simulation The content of this study is as follow 1 Introducing BIM in several aspects which include the definition of BIM the background of BIM and applications of BIM at home and abroad A brief introduce of products of BIM is given in this paper 2 The system uses Navisworks as the develop platform The feasibility of realization of visual simulation system is discussed according to investigating the software features and statistics framework of Navisworks 3 Studying on 3D visual simulation modeling method of hydraulic structures creating the digital models of all structures that the project involves in a reasonable way Hence conducting the construction processes in Navisworks platform so as to realize the detection and analysis of information in visual simulation system 4 Conducting the visual dynamic simulation system of hydraulic engineering construction according to the development of Navisworks based on NET API The feasibility and efficiency of system is demonstrated by application in visual simulation of Guanyinyan hydropower station KeyWords hydraulic engineering project Building Information Modeling Navisworks visual simulation 3D visual model 目 录 第一章 绪论第一章 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 可视化仿真技术的发展及几种可视化仿真系统的比较 2 1 3 本文主要研究内容 3 第二章第二章 建筑信息模型 建筑信息模型 BIM 及其应用 及其应用 5 2 1 BIM 定义 5 2 2 BIM 的产生及国内外研究现状 7 2 3 BIM 产品介绍 9 2 4 实施 BIM 技术带来的益处 11 2 5 BIM 在水利工程中的应用 14 第三章第三章 基于基于 BIM 技术的水利工程可视化仿真系统的实现技术的水利工程可视化仿真系统的实现 16 3 1 可视化仿真系统的软件平台 Autodesk Navisworks 16 3 2 以 Navisworks 为核心的可视化实现框架 20 3 3 Navisworks 环境下的大坝仿真 21 3 4 基于 BIM 的可视化仿真系统的开发 23 第四章第四章 水利水电工程建筑物三维可视化建模水利水电工程建筑物三维可视化建模 29 4 1 三维模型的构造方法与建模技术 29 4 2 数字地形模型的创建 31 4 3 地形填挖技术 32 4 4 地物实体建模 33 第五章第五章 观音岩水电站施工三维动态可视化仿真系统观音岩水电站施工三维动态可视化仿真系统 36 5 1 观音岩水电站工程概况 36 5 2 基于 NET 的可视化仿真系统开发 39 5 3 基于 BIM 的可视化仿真系统的实现 41 第六章第六章 结论与展望结论与展望 48 6 1 主要结论 48 6 2 展望 48 参考文献参考文献 50 发表论文和参加科研情况说明发表论文和参加科研情况说明 53 致致 谢谢 54 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 研究背景 当今社会是信息化社会 信息化技术的发展在各个方面改变了人们传统的生 活方式 信息化已成为一种全球性的大趋势 在水利行业 对信息化的研究也正 火热进行 信息化技术的应用是水利现代化的重要标志 系统仿真技术是随着计算机科学与技术的发展而逐步形成的一种新技术 它 已成为复杂工程不可缺少的分析 研究 设计 评价 管理和决策的重要手段 为复杂的工程设计与管理提供了有效的分析方法 1 在水利水电工程这一传统领 域中系统仿真技术已被运用到多个方面并取得显著效果 然而 水利水电工程是 一项复杂的系统工程 包括临时挡水建筑物施工 大坝施工 坝基开挖以及隧洞 溢洪道开挖等 并且系统内部各组成部分之间又相互联系 相互制约 关系错综 复杂 导致水利水电工程施工的仿真结果包括大量的数据及图形信息 而简单的 文字 图表或数学模型并不能准确地表达仿真的精度和可信度 因此 寻求新技 术使其与系统仿真技术相结合 从而实现仿真技术的可视化已成为必然 随着计算机软 硬件的发展以及图形处理能力的增强 计算机仿真技术已逐 步由数值仿真向可视化仿真发展 人们对于仿真结果的可视化显示的要求越来越 高 可视化仿真技术即是在这种需求下产生的一种新技术 并且受到越来越多的 关注 可视化仿真系统不仅给用户提供了一个多视点 多角度 多层次观察仿真 进程的可视化平台的人机交互环境 还可以允许用户直观的修改各个仿真参数而 据此可视化的显示仿真结果 2 科学 直观地描述工程施工各环节间时间 空间 的复杂逻辑关系 简便清晰地表达仿真结果 能有效地为设计和决策人员服务并 对提高施工组织设计的效率和管理现代化水平有重要的意义 本文采用建筑信息模型 BIM Building Information Modeling 的一款核心软 件 Autodesk Navisworks 软件 根据水利水电工程施工的特点 建立了水利水电 工程施工可视化仿真系统 并应用在观音岩水电站施工中 实现了观音岩水电站 施工全过程的三维动态演示及仿真信息的可视化管理和查询 直观地显示了枢纽 工程的设计成果 第一章 绪论 2 1 2 可视化仿真技术的发展及几种可视化仿真系统的比较 1 2 1 可视化仿真技术的发展 早在 1961 年 G W Morgenthler 首次提出了 仿真 的概念并对其做了技 术的解释 在实际系统不存在的情况下 对系统或活动本质所作的复现 3 目 前 仿真又称模拟 被认为是通过对系统模型的实验来研究已存在的或设计中的 系统 从而复现实际系统发生的本质 随着计算机的发展 仿真技术被应用在多 个领域 并带来了巨大的社会效益 如 航空 4 航天 5 电力 6 化工 7 等领域 不仅降低了试验材料和经费的消耗 也避免了传统试验的危险 1986 年 美国 国家科学基金会 NSF 召开的关于科学计算与图形学和图像处理的讨论会上提 出将图形学与成像技术应用于科学计算 从而产生一个新的领域 仿真计算可 视化 8 可视化仿真技术的发展大体经历了三个阶段 第一阶段为早期的图形化仿 真 即利用流程图和网络图建立仿真模型 如循环网路可视化模型 第二阶段为 20 世纪 90 年代初期出现的平面图形可视化和二维动画 如天津大学孙国强对土 石坝交通运输系统进行的模拟研究 9 第三阶段为 20 世纪 90 年代后期至现在研 究的三维动画技术与系统仿真技术结合 开发的针对系统运行的三维可视化仿真 系统 系统的软件开发平台一般为 3D max 软件 虚拟现实软件和 ArcGIS 软件 例如 Kamat 和 Martinez 开发的动态施工可视化 Dynamic Construction Visualization 系统 10 天津大学王仁超等开发的金安桥水电站网络进度计划可 视化仿真系统 11 1 2 2 可视化仿真构建方式的比较 目前的可视化方法很多 应用比较广泛的有运用 3D Max 动画软件的可视化 方法 基于虚拟现实的可视化仿真方法和基于地理信息系统 GIS 的可视化仿真方 法 这些方法虽然在一定程度上实现了用户要求的可视化仿真效果 将动态施工 过程展示出来 然而每种方法在应用及开发过程中 都会有不足和缺陷的地方 基于 3D Max 动画软件的可视化仿真系统 有效地继承了 3D Max 软件比较 完美的建模功能和渲染能力 工程场景的制作尽量逼真 并且通过效果图及动画 直观地向人们展现了设计思想 然而 3D Max 软件在实现可视化仿真系统的过程 中有自身的缺陷 首先 虽然 3D Max 的建模功能强大 但水利工程中各类建筑 物的实体模型 其形状不规则 面较多 对于这类模型的建立 布尔运算在使用 第一章 绪论 3 过程中极容易出错 造成了建模的困难 其次 3D Max 实现三维仿真是基于 OpenGL 来开发的 通常使用 Visual C 编程工具 对于非专业的编程人员 若想熟练得掌握并应用这类语言 需要花费很多时间 因此软件的开发周期较长 投资较大 再次 基于 3D Max 的可视化仿真系统 虽然能够形象的展示施工过 程 但不容易实现仿真结果的显示和查询 虚拟现实 VR Virtual Reality 也称虚拟环境 是近几年出现的一种可视化 仿真技术 它是综合了计算机图形技术 传感技术 多媒体技术 人机交互技术 立体显示技术 网络技术及仿真等学科所生成的一种三维世界效果虚拟环境 12 在水利行业也有许多应用 如武汉大学与中国葛洲坝集团公司开发的混凝土坝施 工的可视化仿真系统 虚拟现实技术的缺陷表现在 首先 虚拟现实技术为用户 同时提供视觉 听觉 触觉等方面的真实感知 需要软件和硬件的大力支持 包 括高性能计算机 视觉显示设备 头 眼 手 体位跟踪定位装置 触觉 力觉反馈装 置及虚拟现实软件等 这些设备使得使用虚拟现实技术的投资比较大 推广性能 较差 其次 系统的速度问题 这是虚拟现实技术面临的一个主要问题 为了是 虚拟环境具有良好的实时效果 系统必须在 0 1 内对用户的输入做出反应 并且 显示器上的画面更换速录必须在 10 帧 秒以上 13 这也为虚拟现实技术的使用及 推广增加了技术难题 水利工程的可视化仿真研究较深入 应用比较广泛的是基于 GIS 的可视化仿 真系统 14 15 借助地理信息系统 GIS 满足了用户对空间信息管理的要求 也 实现了仿真信息的查询显示和分析管理 然而 GIS 对模型对象的属性有要求 如数据类型为点 线 面和面片 并且 GIS 需要将这些模型数据转化成独特的 shp 格式才能在界面上显示 对于较大的文件 格式的转化需要耗费很长时间 其占 用的系统内存较大 GIS 能够良好地显示三维空间结构 但是不能提供模型的平 面和立面的效果图 不能满足用户对某特征位置详细信息的获取 本研究以建筑信息模型 BIM 的一款核心软件 Autodesk Navisworks 软件 为平台开发可视化仿真系统 该软件能兼容常用的三维设计软件创建的模型文件 格式 其建模过程简单且模型较精确 软件开发过程简单 开发周期短 1 3 本文主要研究内容 本文以观音岩水电站的动态施工为研究对象 利用计算机仿真技术和三维可 视化技术对观音岩水电站动态施工过程进行模拟 研究水利水电工程施工全过程 的动态可视化信息管理技术与方法 研究 Navisworks 软件与可视化技术及计算 第一章 绪论 4 机仿真结合的可行性与有效性 提出了基于 BIM 技术的水利水电工程施工可视 化方法 本文主要内容包括 1 介绍了当今建筑行业的一项新的技术革命 建筑信息模型 BIM 阐述了 BIM 的定义 产生背景原因及国内外的研究现状 列举了 BIM 产品的种 类及实施 BIM 技术对工程项目的设计 施工 运营管理阶段带来的利益 最后 举例说明 BIM 技术在水利水电工程中的应用 2 本研究中 实现可视化仿真系统的软件平台是 Autodesk Navisworks 介绍了 Navisworks 软件的基本知识 说明利用该软件建立可视化仿真系统的原 因 分析了在该软件环境下可视化仿真系统实现的框架及基于 Navisworks 的可 视化仿真系统的开发模型模式 3 建立一个能够形象逼真的展现工程面貌的三维数字模型是实现水利水 电工程动态施工可视化仿真的必要条件 本文讲述了三维数字模型的构造方法与 建模技术 针对本论文的工程研究对象 描述了数字地形模型的创建过程及地形 的动态填挖技术 碾压混凝土与土石坝的建模过程 4 对 Navisworks 软件进行了基于 NET 的二次开发 实现了水利水利工 程施工可视化仿真系统 并将该系统成功应用于观音岩水电站动态施工可视化仿 真分析中 从而验证了本研究的可行性 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 5 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 2 1 BIM 定义 BIM Building Information Modeling 建筑信息模型 是通过数字信息仿 真模拟建筑物具备的真实信息 这里的信息不仅是三维几何形状信息 还包含了 大量的非几何信息 如建筑构件的材料 重量 价格和进度等 BIM 概念是由美国乔治亚技术学院 Georgia Tech College 建筑与计算机专 业查克 伊斯曼 Chuck Eastman 博士于 1975 年前提出的 建筑信息模型综合 了所有的几何模型信息 功能要求和构件性能 将一个建筑项目整个生命周期内 的所有信息整合到一个单独的建筑模型中 而且还包括施工进度 建造过程 维 护管理等的过程信息 16 20 世纪 80 年代 芬兰学者提出了 Product Information Model 系统 1986 年 美国学者 Robert Aish 提出了 Building Modeling 理念 2002 年 Autodesk 公司提出 建筑信息模型 Building Information Modeling BIM 是建筑设计的创新 美国建筑科学研究院 National Building Information Model Standard NBIMS 发布的美国国家 BIM 标准对 BIM 的定义为 BIM 是一个设施 建设项目 物理 和功能特性的数字表达 BIM 是一个共享的知识资源 是一个分享有关这个设 施的信息 为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过 程 在项目不同阶段 不同利益相关方通过在 BIM 中插入 提取 更新和修改 信息 以支持和反应其各自职责的协调作业 17 国际标准组织设施信息委员会 Facilities Information Council FIC 对 BIM 的定义为 BIM 是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项 目全寿命周期信息的可计算 可运算的形式表现 从而为决策提供支持 以更好 地实现项目的价值 在其补充说明中强调 建筑工程信息模型将所有的相关方面 集成在一个连贯有序的数据组织中 相关的电脑应用软件在被许可的情况下可以 获取 修改或增加数据 18 建设工程信息化 BLM 理论与实践丛书中对于 BIM 的定义是 BIM 以三维 数字技术为基础 集成建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型 对工程项目 相关信息详尽的数字化表达 其结构是一个包含有数据模型和行为模型的复合结 构 它除了包含与几何图形及数据有关的数据模型外 还包括与管理有关的行为 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 6 模型 两者结合通过关联为数据赋予意义 因而可以模拟真实世界的行为 美国建筑师协会 American Institute of Architects AIA 对 BIM 的定义是 连接工程信息数据库的模型化技术 图 2 1 为美国建筑科学院 NBIMS 关于 BIM 概念的螺旋示意图 19 图 2 1 BIM 概念螺旋示意图 总之 BIM 是一个综合利用 3D 建模和 3D 计算技术 在设计和施工阶段建 立起的 4D 关联数据库 该数据库包含了设计意图 项目资料 施工信息及设计 管理数据等方面的信息 利用 BIM 技术生成的建筑物的虚拟建筑模型 包含了 建筑物从规划设计到施工 运营管理及拆除等全生命周期各个阶段的所有信息 构成了一个大型的综合信息数据库 在这个虚拟建筑模型中 项目参与各方可以 任意地修改建筑物模型的平面 立面 剖面及任意部分的细部详图 建筑材料 门窗表等 并且能够输出上述信息及施工进度和预算报表等 从项目的初始规划 阶段 这个数据库就开始建立 随着项目的进行 建筑模型的数据和信息不断增 加 并且这些信息在项目的不同专业之间共享 各专业设计人员均可以从中提取 有用的资料 并将本专业的修改信息及时传入该数据库 实现了模型的无限次使 用 也避免信息在传递过程中的缺失和因为获取的信息不正确而引发的失误和重 复设计工作 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 7 2 2 BIM 的产生及国内外研究现状 2 2 1 BIM 的产生 任何技术的产生都来自于社会需求并为社会需求服务 恩格斯曾经说过这样 一句话 社会一旦有技术上的需要 则这种需要就会比时所大学更能把科学推 向前进 作为正在快速发展并普及应用的 BIM 技术也不例外 BIM 的产生首先来自于市场的需求 当今社会 工程项目的复杂性不断增 加 相应的建设系统越来越多 传统的二维或三维的手段已不能满足要求 产品 质量和可持续绿色建筑的要求越来越高 相应的缺乏知识和技术手段的支持 工 期和造价的控制越来越严格 而实际中频繁出现错漏碰缺和设计变更 全球化使 建筑行业竞争加剧 而技术和管理水平却相对的滞后 另一方面 建筑行业本身也面临非常大的挑战 在过去的五十年中 航空航 天 汽车 电子产品等行业的生产效率通过使用新技术和新生产流程有了巨大提 高 而建筑行业虽然取得巨大的成就 但与其他行业相比 它的效率却呈下降趋 势 究其原因 首先 建筑行业参与方较多且各专业间没有统一的规范 项目设 计过程和施工过程分离 导致责任不明确 其次 项目参与方之间的信息传递是 通过纸质介质的图纸完成 传递过程中 一方意见的修改无法快速更新到图纸中 从而造成信息的流失和不完整 并且以纸为传播媒介是信息传播不连续 再次 图纸是以二维图像信息来表明设计意图 无法完整直观地表示建筑物的全部信 息 从而导致设计意图的表达不明确 理解过程中容易出现偏差和不准确 此外 建设工程由于参与方众多 规模大 施工难度大 技术复杂 工期长等特点 使 得施工过程具有很大的风险 继续新技术提高管理水平 因此 市场的需求和建筑行业自身对于新技术和先进生产流程的需求促使 BIM 技术的产生 2 2 2 BIM 国内外研究现状 2 2 2 1 BIM 在国外的研究现状 BIM 技术起源于美国 逐步扩展到欧洲 日本 韩国等发达国家 目前 BIM 技术在这些国家的研究和应用都达到了很高的水平 1 美国 20 在美国 各大设计事务所 施工单位和业主纷纷主动在项目中应用 BIM 有数据统计表明 2009 年美国建筑业 300 强企业中 80 以上都应用了 BIM 技术 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 8 同时政府和行业协会也出台了各种 BIM 标准 2003 年 美国总务管理局 GSA 提出了国家 3D 4D BIM 计划 所有 GSA 的项目被鼓励采用 BIM 技术 并对采用这些技术的项目承包商根据应用程度的 不同给予不同程度的资金赞助 自 2007 年起 GSA 陆续发布系列 BIM 指南用 于规范和引导 BIM 在实际项目中的应用 2006 年 美国联邦机构美国陆军工程兵团 USACE the U S Army Corps of Engineers 制定了一份 15 年 2006 2020 年 的 BIM 路线图 其指定的 BIM 十 五年规划要实现的目标概要和时间节点如图 2 2 2007 年 美国建筑科学研究院 NIBS 发布了美国国家 BIM 标准 NBIMS 图 2 2 美国陆军工程兵团 BIM 十五年规划的目标概要和时间节点 2 日本 BIM 在日本全国范围内得到广泛应用并上升到政府推进的层面 21 日本的国土交通省负责全国各级政府投资工程 国土交通省的大臣官房 办 公厅 下设官厅营缮部 主要负责组织政府投资工程建设 运营和造价管理等工 作 2010 年 3 月 国土交通省官厅营缮部宣布 将在其管辖的建筑项目中推进 BIM 技术 根据今后实行对象的设计业务来具体推进 BIM 的应用 3 韩国 韩国已有多家政府机关致力于 BIM 应用标准的制订 如韩国国土海洋部 韩国教育科学技术部 韩国公共采购服务中心 Public Procurement Service 等 其中 韩国公共采购服务中心下属的建设事业局制定了 BIM 实施指南和路线图 Roadmap 具体路线图为 2010 年 1 2 个大型施 1BIM 示范使用 2011 年 3 4 个 大型施工BIM示范使用 2012 2015年500亿韩元以上建筑项目全部采用4D 3D 成本 的设计管理系统 2016 年实现全部公共设施项目使用 BIM 技术 韩国国土 海洋部分别在建筑领域和土木领域制订 BIM 应用指南 其中 建筑领域 BIM 应用指南 于 2010 年 1 月完成发布 该指南是建筑业业主 建筑师 设计师等 采用 BIM 技术时必须的要素条件以及方法等的详细说明的文书 土木领域的 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 9 BIM 应用指南也已立项 暂定名为 土木领域 3D 设计指南 22 2 2 2 2 BIM 在国内的研究现状 BIM 已经在全球范围内得到广泛认可 自 2002 年 建筑信息模型这一概念 在中国被定义以来 BIM 理念正逐步为建筑行业所熟知 其应用主要以设计公 司为主 各类 BIM 咨询公司和培训机构也渐渐崭露头角 在一向是亚洲潮流风 向标的香港 BIM 技术已被广泛应用于各类房地产开发项目中 并于 2009 年成 立香港 BIM 学会 近几年 BIM 的应用引发了建筑行业的信息化热潮 目前国内已有很多较 成功的 BIM 应用案例 如 2008 北京奥运会奥运村空间规划及物资管理信息系 统 南水北调工程 香港地铁项目 天津国际邮轮码头 杭州奥体中心主体育场 2010 年世博会中国馆 德国国家馆 奥地利馆 芬兰馆 国家电力馆 汶川地 震纪念馆 上海通用企业馆等在设计 施工 运营阶段都曾使用 BIM 技术 BIM 技术的基础研究得到国家的大力支持 政府导向推动国内 BIM 技术的 发展 BIM 被国家列为 十五 科技攻关计划 进入 十一五 国家科技支撑 计划重点项目 并且专门以 基于 IFC 国际标准的建筑工程应用软件研究 为课 题进行深入研究 开发了基于 IFC 的结构设计和施工管理软件 另一项 十一五 科技支撑项目课题 基于 BIM 技术的下一代建筑工程应用软件研究 将推出基 于 BIM 技术的建筑设计 建筑成本预测 建筑节能设计 建筑施工优化 建筑 工程安全分析以及建筑工程耐久性评估等一系列工程软件 大大地推进了 BIM 的应用进程 23 2 3 BIM 产品介绍 由 BIM 的定义可知 BIM 不仅仅是一种或者几种软件 而是一种理念 一 项技术 并且参与了建筑项目全生命周期 但是 BIM 的应用与发展离不开软件 BIM 作为工程建设行业的一项新技术 涉及到不同应用方 不同专业 不同项 目阶段的不同应用 而这绝不是一个或者一类软件能解决的 BIM 的应用需求 促进了一大批与之相关的软件的产生 美国的 building SMART 联盟主席 Dana K Smitn 也在其编写的 BIM 专著中提出 依靠一个软件解决所有问题的时代已经一 去不复返了 BIM 的软件种类繁多 根据其用途分类 见图 2 3 24 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 10 图 2 3 BIM 软件分类 1 BIM 核心建模软件 BIM 核心建模软件主要有四大类 1 Autodesk 公司的 Revit 系列 Revit Architecture Revit Structural Revit MEP 分别用于建筑 结构和机电专业 常用于民用建筑设计 2 Bentley 公司的建筑 Architecture 结构 Structural 和设备 Building Mechanical Systems 系列 一般用在工厂设计 石油 化工等 和基础设施 道 路桥梁 水利等 3 Nemetschek Graphisoft 公司的 ArchiCAD AIIPLAN Vector works 软件 国内常用的是 ArchiCAD 主要用于建筑专业 4 Dassault 公司的 Digital Project 和 CATIA 这两款软件的建模能力和信息 管理能力比传统软件有明显的优势 2 方案设计软件 这类软件包括 Onuma Planning System 和 Affinity 将业主基于数字的要求转 化成几乎几何形体的方案 用于业主和设计人员之间的沟通 3 和 BIM 接口的几何造型软件 常用的几何造型软件包括 Skecthup 和 Rhino 等 在设计初期的复杂造型分 析时 使用这类软件可能会更简便 并且其设计成果可以被核心建模软件使用 4 可持续分析软件 这类软件主要包括 Echotect IES Green Building Studio 等 其功能是通过 BIM 模型 对项目做光照 热量 噪音 风环境等方面的分析 5 机电分析软件 主要包括国内的鸿业 柏超和国外的 Design master Trane Trace 等软件 6 结构分析软件 结构分析软件主要有国外的 ETABS STAAD Robot 和国内的 PKPM 软件 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 11 该类软件的功能是对 BIM 模型进行结构分析 然后将结果中所做的结构调整反 馈到核心建模软件 从而更新优化 BIM 模型 7 可视化软件 该类软件有 3DS Max Artlantis 和 Lightscape 等软件 其功能是将 BIM 模 型导入到该类软件中 通过模型渲染和动画效果对 BIM 模型做视觉效果分析 8 模型检测软件 常用的模型检测软件是 Solibri 软件 主要是检查模型的逻辑性 例如模型 是否有空间上的重叠 9 深化设计软件 包括 Xsteel 和 Athena 是针对某些专业领域的深化设计工具 10 模型综合碰撞检查软件 这类软件主要有 Autodesk Bentley Projectwise Naisegator 等 BIM 模型综合 了不同专业 建筑 结构 机电等 设计成果 也综合了项目不同阶段的信息 这些数据虽然在各自的领域中是正确的 然后综合在一块就会有碰撞与冲突 利 用模型碰撞检查软件可以检测并修改这类问题 这类软件同时还有 4D 动态模拟 及可视化的功能 11 造价管理软件 这类软件包括国内的鲁班和国外的 Solibri 等软件 主要用来对 BIM 模型做 工程量统计和造价分析 并可以输出分析结果 12 运营管理软件 应用最多的运营管理软件是美国的 Archibus 软件 Navisworks 产品也由于 其强大的数据整合能力逐渐被用于运营管理 13 发布审核软件 这类软件包括 Autodesk Design Review Adobe PDF 和 Adobe 3D PDF 将 BIM 设计成果以 DWF PDF 3D PDF 等格式发布 工项目参与方式用 但是发布 的文件可以批注审核而不能修改 2 4 实施 BIM 技术带来的益处 BIM 贯穿了项目全生命周期的各个阶段 设计 施工 运营管理 BIM 技 术的应用为项目各阶段带来了极大的效益 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 12 2 4 1 BIM 为设计阶段带来的益处 项目设计过程中应用 BIM 技术的目的就是提高项目设计的质量和效率 从 而减少施工期间的返工 保障施工工期 节约项目资金 设计阶段 BIM 带来的 益处主要体现在 1 三维可视化 BIM 技术使建筑设计从二维走向了三维 走向数字化 它将专业 抽象的 二维建筑以通俗化 三维可视化的方式描述 使得各个专业的设计师和业主等非 专业人员对项目是否满足要求的判断更准确 高效 2 协调 避免冲突 项目设计过程包括许多不同专业 如建筑 结构 给排水 空调 电气等 BIM 将各专业的设计成果整合到统一 协调的三维协同设计环境中 实现信息 共享 从而检测出结构与设备 设备与设备间的冲突 使得工程师可以及时调整 设计 避免施工中的浪费 3 模拟 BIM 技术将原本需要在真实场景中实现的建造过程 在虚拟世界中预先实 现 可以最大限度减少未来真实世界的遗憾 4 出图 各种平面 立面 剖面二维图纸及三维效果图 三维动画都可以根据 BIM 的设计成果生成 节省了编制文件和绘制图纸的时间 并且保证了工程文件和设 计图纸的准确性 2 4 2 BIM 为施工阶段带来的益处 1 四维模拟 通过将 BIM 模型与施工进度计划相集成 将空间信息与时间信息整合在一 个可视的 4D 3D Time 模型中 从而直观 精确地反映整个建筑的施工界面和施 工过程 4D 施工模拟有助于施工人员在项目建设过程中合理制定施工计划 精 确掌握施工进度 优化使用施工资源 以缩短工期 降低成本 提高质量 2 提供施工所需的信息 在项目的施工阶段 BIM 可以同步提供有关建筑的质量 成本及进度等信 息 BIM 可以方便的提供工程量清单 各阶段材料准备以及概预算等施工过程 所需要的信息 如 利用 Graphisoft 公司的 ArchiCAD 软件可以进行工程量的统 计和施工进度的编制 25 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 13 3 生成工程的最新评估和规划 与业主准确 实时地交流工程进展 BIM 可以帮助施工人员促进建筑的量化 以进行工程评估和工程估价 从 而生成最新的工程评估与施工规划 同时 施工人员可以为业主指定场地使用情 况和更新调整情况的规划 进而和业主沟通 将施工过程对业主的运营和人员的 影响降到最低 2 4 3 BIM 为运营 管理阶段带来的益处 建设项目的设计和施工 都是为了最终所能产生的效益 因此 从业主角度 来看 运营管理对于建设项目而言 是最重要也是最基础的工作 在建筑的运营管理阶段 BIM 可提供建筑的使用情况或性能 入住人员和 容量 建筑已用时间及建筑财务等方面的信息 BIM 可提供数字更新记录并改 善搬迁规划与管理 建筑的物理信息 如完工情况 承租人或部门分配 家具和 设备库存等 和可出租面积 租赁收入或部门成本分配的财务数据都更加易于使 用和管理 安全稳定地访问这些信息可提高建筑运营过程中的成本与收益管理水 平 2010 年的上海世博会采用以 BIM 为基础的数据信息管理系统 对世博园区 的规划建筑进行全过程模拟 监测 控制 最终得到科学合理的设计 论证 管 理和决策 26 2 4 4 BIM 为业主带来的益处 使用 BIM 技术受益最大的是业主 主要体现在 1 利用 BIM 技术在项目 早期可对建筑物不同方案的性能做各种分析 模拟和比较 从而得到高性能的建 筑方案 同时利用 BIM 技术的协调综合功能 确保图纸的准确性 可大大减少 目前时常发生的图纸错误和设计变更问题 2 利用 BIM 技术对施工过程做四 维模拟 可以提高施工人员对工程图纸和施工过程的理解水平 从而将少了施工 现场出现的错误 进而降低项目成本 缩短施工工期 提高工程质量 3 从时 间上看 项目的设计施工阶段仅仅数年时间 发生的成本只占其生命周期总成本 的 25 而实用阶段长达数十年甚至更久 该阶段成本站 75 BIM 技术通过 虚实结合 保证运营维护阶段的正常 是工程产生最大的效益 BIM 技术为业主招商产生有利的影响 例如在房地产行业中 BIM 虚拟现 实 实时漫游的功能促进了销售人员与购房者之间的交流 传统的房地产销售方 式是通过平面户型图 建筑模型效果图及各种广告媒体的方式推出楼盘 销售人 员与购房者之间的沟通交流比较困难 借助基于 BIM 的虚拟漫游技术 用户可 在电脑的样板房中漫游 进入虚拟建筑中的任何空间参观虚拟房间 亲身感受居 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 14 室空间 并且可以实时查询房间信息 家居布置等 同时还可以在虚拟小区中漫 游或站在阳台观看 感受小区建成后的优美环境 在慕尼黑某火车站主站台工程中使用了 BIM 技术的 Allplan 软件 业主在车 站的施工阶段就进行了招商计划 根据设计阶段的三维模型 将车站面貌展示给 顾客 并通过实时漫游使顾客详细的了解车站各部分空间和设施 如图 2 4 27 图 2 4 慕尼黑某火车站主站台 2 5 BIM 在水利工程中的应用 BIM 这种新的思维方式和设计理念 在水利水电工程建设中也有一定的应 用 在南水北调工程中 长江勘测规划设计研究院 简称长江设计院 将建筑信 息模型 BIM 的理念引入其承建的南水北调中线工程的勘察设计工作中 并且由 于 AutoCAD Civil 3D 良好的标准化 一致性和协调性 最终确定该软件为最佳 解决方案 利用 Civil 3D 快速的完成勘察测绘 土方开挖 场地规划和道路建设 等的三维建模 设计和分析等工作 提高设计效率 简化设计流程 其三维可视 化模型细节精确 使工程三维里立围观一目了然 基于 BIM 理念的解决方案帮 助南水北调项目的工程师和施工人员 在真正的施工之前 以数字化的方式看到 施工过程 甚至整个使用周期中的各个阶段 该解决方案在项目各参与方之间实 现信息共享 从而有效避免了可能产生的设计与施工 结构与材料之间的矛盾 第二章 建筑信息模型 BIM 及其应用 15 避免了人力 资本和资源等不必要的浪费 28 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院在水电设计中也引入了 BIM 的概 念 在云南金沙江阿海水电站的设计过程中 其水工专业部分利用 Autodesk Revit Architecture完成大坝及厂房的三维形体建模 如图2 5所示 利用Autodesk Revit MEP 软件平台 机电专业 包括水力机械 通风 电气一次 电气二次 金属 结构等 建立完备的机电设备三维族库 图 2 6 最终完成整个水电站的 BIM 设计工作 图 2 7 BIM 设计同时提供了多种高质量的施工设计产品 如工程 施工图 图 2 8 PDF 三维模型 图 2 9 等 最后利用 Autodesk Navisworks 软件平台制作漫游视频文件 29 图 2 5 金沙江阿海水电站大坝及厂房模型 图 2 7 机电设备总体布置三维模型 图 2 6 机电设备三维族库 图 2 8 工程施工图 图 2 9 PDF 三维模型 第三章 基于 BIM 技术的水利工程可视化仿真系统的实现 16 第三章 基于 BIM 技术的水利工程可视化仿真系统的实现 3 1 可视化仿真系统的软件平台 Autodesk Navisworks 3 1 1 Navisworks 软件简介 NavisWorks 软件是由英国 Navisworks 公司研发并出品的 2007 年该公司由 美国 Autodesk 公司收购 NavisWorks 是一款 3D 4D 协助设计检视软件 主要针对建筑 工厂和航运 业中的项目全生命周期 能提高质量 提高生产力 Navisworks 解决方案支持所 有项目相关方可靠地整合 分享和审阅详细的三维设计模型 帮助用户获得建筑 信息模型 BIM 工作流带来的竞争优势 在建筑信息模型 BIM 工作流中处 于核心地位 该软件将 AutoCAD 和 Revit 系列等软件应用创建的设计数据 与 来自其它设计工具的几何图形和信息相结合 将其作为整体的三维模型 通过多 种文件格式进行实时审阅 而无需考虑文件的大小 Navisworks 软件产品帮助所 有项目相关方将项目作为一个整体来看 进而优化从设计决策 建筑实施 性能 预测和规划直至设施管理和运营等各个环节 Autodesk Navisworks 软件系 列包 含三种 产品 Autodesk Navisworks Manage Autodesk Navisworks Simulate Autodesk Navisworks Freedom 软件 Autodesk Navisworks Manage 软件是设计和施工管理专业人员使用的一款完备的 审阅解决方案 帮助用户对项目信息进行审阅 分析 仿真和协调 多领域涉及 数据能够整合进单一集成的项目模型 便于用户进行精确的碰撞检测和冲突管 理 同时将动态的四维项目进度仿真和照片级可视化功能相结合 Autodesk Navisworks Simulate 软件具有诸多先进工具 能够帮助用户对项目信息进行审 阅 分析 仿真和协调 完备的 4D 仿真 动画和照片级效果制作功能支持用户 对设计意图进行演示 对施工流程进行仿真 同 Autodesk Navisworks Manage 相 比 simulate 软件没有碰撞检测和冲突管理的功能 Autodesk NavisWorks Freedom 软件是一款面向 NWD 和三维 DWF 文件的免费浏览器 使