BIM与4D技术的应用分析

【摘要】为了在工程项目中引进BIM与4D技术，本论文首先阐述BIM与4D模型的含义以及它们之间的联系，并对4D模型的功能作出总结，最后讨论了4D模型的实现方法，从中我们可以看到BIM与4D技术在工程项目中的应用价值。

【关键词】BIM；4D模型；工程项目

1 从BIM到4D模型

为了改变CAD只是通过点、线等几何图形机械地绘图，以及绘制的各个建筑构件之间没有相互联系的设计方式，人们创造与发展了一种更加智能的设计工具，这就是BIM。目前，国际上不同组织和科研机构对于BIM还没有统一的定义或解释。这里引用美国国家BIM标准对BIM的定义是：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，以支持和反映其各自职责的协同作业。

其实，4D模型作为一个术语早已广泛存在于建筑业的领域之中，4D理论亦由来已久，如早期的4D CAD技术。在1998年美国斯坦福大学的CIFE（Center for Intergrated Facility Engineering）就提出过将图形与计划信息联系起来的4D建模的过程[3]。但是实践证明基于二维CAD平台建造的4D模型不仅3D功能差，而且建模过程费时费力，不是真正意义上的3D。而基于三维BIM平台建造的4D模型，三维建模技术相对先进，能够节省一定的人力、物力，从而提高劳动效率，同时实现了图形的可视化和动态模拟，提供了具体准确的工程信息，不仅为项目决策者们提供支持，优化工程项目决策方案，并且能够对建筑实现全生命周期的管理。

承上所述，在BIM的应用中，基本信息是3D几何信息，即BIM模型，除此之外还有4D信息与结构信息。4D信息包括了诸如资源、现场布置、建造活动、计划进度等信息，而结构信息则包括了结构单元类型、外形（包含面积、质心、惯性矩等）、局部坐标、材料、加载条件等信息。这三种信息在BIM中有着不同的功用，如3D几何信息能够给人创建一个3D模型并以一个3D的视角观察，而4D信息能够用来支持4D模拟和工程管理，最后结构信息则能用于生成结构模型、边界条件以及加载条件，根据任何时间点下的建造活动进行力学计算。所以在一个4D系统中，至少包含了结构安全冲突、计划冲突、资源与成本冲突、场地冲突四个分析与管理模块[4][5]。

研究表明，4D模型能够用来是解决建筑业设计与施工分离的问题，从而提高工程建设效率。其通过整合3D模型和计划信息，将设计与施工信息进行了有效的集成，因此改进了建设过程中的沟通与协作。

目前在项目的建造阶段，4D模型应用最广的就是用来生成4D动画。因此，4D模拟很容易被人等同于4D计划。实际上，4D计划并不等于4D动画。4D动画表述的是被赋予了合理的建造序列的模型元件组建的过程，而计划信息不仅包含了工序与时间的安排，还包含了资源、成本等方面的信息。VICO就认为，4D计划至少整合了工程量的提取、基于位置的工程量、资源、生产效率以及劳动力成本于BIM之中。除此之外，施工阶段还可以通过4D模型生成EVA曲线（Earned Value Graph）来对项目的进度与成本进行综合监控。

2 4D BIM模型的功能

常用的4D BIM模型功能如下表1所示。

表 1 常用4D BIM模型的功能

功能名称 应用过程 应用结果 优点

可视化 3D漫游、查错 直观感受设计方案的成果、模型错误检查等 易于沟通、协调

4D进度模拟 链接进度计划 对比实际与计划之间的进度差异、对比不同施工方案的建造过程、对比进度计划变更前后的差异 表达形象、易于理解

性能分析 日照、风环境分析等 使方案满足绿色建筑的要求 科学分析

碰撞检查 模型碰撞冲突检查 对各专业图纸设计的内容进行碰撞冲突检查，并生成报告 效率与准确性高

工程量统计 自动计算工程量 根据3D模型自动生成相应的工程量 效率高

成本资源统计 链接成本、资源 根据每项任务的成本与资源消耗量，自动生成相应的项目成本与资源消耗的图表 效率与准确性高

由上表可以看出，在4D BIM模型的诸多功能当中，4D进度模拟与成本资源统计对进度管控产生的直接帮助最为明显，其产生的数据能够直接被分析利用，利用这两点我们能够对进度进行优化与控制。

3 4D BIM模型的实现

承上所述，4D BIM模型的诸多功能，主要依靠软件来实现。但目前想完全应用4D BIM模型的功能来支持项目的建设，绝非一款软件能办到的。如针对项目的建模，方案阶段可用SketchUp、Rhinoceros等，设计与施工阶段可用Revit、PKPM等；而对4D进度模拟的实现有NavisWorks、Synchro等，对进度、成本与资源信息综合管理的有Vico、Primavera P6等，对工程量的统计有鲁班、斯维尔等，以及对建筑性能的分析有Ecotect等，不一而足。而在实际工程项目中，通常要综合使用上述软件，才能收到良好的效果。对于常用的4D BIM软件，表2做了一个简单的介绍。 表 2 常用的4D BIM软件

软件名称 厂商 模型接口 进度计划接口 IFC接口

NavisWorks Simulate Autodesk SketchUp

Catia

MicroStation

Revit Microsoft Project

Primavera P6 有

Synchro Professional Synchro Revit SketchUp

Catia

MicroStation Microsoft Project

PMA NetPoint

Primavera P6 有

Vico Office Vico Software Revit

Catia

SketchUp Microsoft Project

Primavera P6 有

ProjectWise Bentley Revit

Catia

SketchUp Microsoft Project

Primavera P6 有

4 结论

本章通过对从BIM到4D模型的建立过程与方法的阐述，我们能够对BIM与4D技术形成一个良好的整体认识。我们能够看到BIM模型能够集成项目全生命周期的信息，以及可以通过多种途径来进一步利用BIM模型。如将BIM模型附加时间维度，则能够形成对施工计划进行4D模拟的4D模型。在4D模型的诸多功能中，有两个功能在进度管理方面具有很大的应用价值，分别是4D进度模拟与成本与资源信息的统计。我们能够利用这两点对目前的进度管理方法进行改善。