4D 模擬可以用于進(jìn)度可視化、設(shè)備定位、現(xiàn)場空間分析、識別潛在的施工流水沖突、資源分配計(jì)劃，以及用作不同項(xiàng)目參與方溝通協(xié)調(diào)的有效工具。但是，施工模型的創(chuàng)建和進(jìn)度計(jì)劃的編制都在施工前完成，由此進(jìn)行的 4D 模型也局限于施工前的計(jì)劃分析，不能應(yīng)用于施工過程的控制。此外，創(chuàng)建滿足 4D 模擬要求的3D 模型需要較多的資源投入， 包括時(shí)間和勞動(dòng)力等。利用BIM 實(shí)時(shí)施工模型及其自動(dòng)化創(chuàng)建技術(shù)，可以減輕模型更新的工作量和將 4D 模擬的應(yīng)用擴(kuò)展到整個(gè)施工階段，作為項(xiàng)目管理的有效工具，帶來更大的項(xiàng)目效益。

1 實(shí)時(shí)施工模型

實(shí)時(shí)施工模型是指與建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際施工進(jìn)度狀態(tài)保持一致的三維模型。實(shí)時(shí)施工模型的詳細(xì)依賴于已存在的 BIM 模型，詳細(xì)程度一般和施工模型相當(dāng)。與施工模型不同的是，施工模型在項(xiàng)目施工前完成創(chuàng)建，而實(shí)時(shí)施工模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的模型，旨在與項(xiàng)目的實(shí)際進(jìn)展保持同步，需要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際進(jìn)度對模型進(jìn)行不斷的更新。項(xiàng)目對模型的表現(xiàn)需要是動(dòng)態(tài)的，在項(xiàng)目生命周期的不同階段有不同的信息表現(xiàn)需求。隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，所產(chǎn)生和得到的項(xiàng)目信息也隨之逐漸增長，新的信息需要新的模型來集成和表現(xiàn)。實(shí)時(shí)施工模型很好的滿足了這一要求，動(dòng)態(tài)的對項(xiàng)目實(shí)施情況進(jìn)行監(jiān)控和更新模型，從而能準(zhǔn)確的反應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)際狀態(tài)，這是其他模型無法比擬的。但人工進(jìn)行實(shí)時(shí)施工模型的動(dòng)態(tài)更新是一項(xiàng)復(fù)雜艱巨的任務(wù)。

2 實(shí)時(shí)施工模型的創(chuàng)建

實(shí)時(shí)施工模型的創(chuàng)建需要對項(xiàng)目現(xiàn)場的施工進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)控，采集項(xiàng)目進(jìn)度的相關(guān)數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)更新 BIM 模型，將實(shí)際的進(jìn)度信息集成到既有的模型中，以保證當(dāng)前的 BIM 模型信息和正在增長的項(xiàng)目信息保持一致。實(shí)時(shí)施工模型的創(chuàng)建涉及兩個(gè)過程，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和更新建筑模型。

實(shí)時(shí)施工模型的更新需要施工現(xiàn)場已建成構(gòu)筑物的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。三維坐標(biāo)的采集有兩種先進(jìn)的技術(shù)方法: 照相測量技術(shù)( photogrammetry) 和激光掃描技術(shù) ( laser scanning technologies) 。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)信息可以產(chǎn)生構(gòu)件的三維表面模型，此三維表面模型不同于 BIM 模型，BIM模型是參數(shù)化的面向?qū)ο蟮膶?shí)體模型。三維表面模型僅僅呈現(xiàn)了構(gòu)件的表面形狀，并不包含構(gòu)件的屬性，例如構(gòu)件的材料屬性以及構(gòu)件間的相互關(guān)系等物理以及功能屬性。因此，需要將三維表面模型轉(zhuǎn)化為富含信息的面向?qū)ο蟮膶?shí)體模型。三維表面模型向?qū)嶓w模型的轉(zhuǎn)換過程，需要建模人員使用建模軟件工具，在三維表面模型中將相關(guān)的建筑構(gòu)件識別出來，并用對應(yīng)實(shí)體圖元替換; 通過構(gòu)件的識別、匹配和編排，創(chuàng)建 3D 實(shí)體模型。通常表面構(gòu)件和實(shí)體構(gòu)件圖元的識別替換可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但構(gòu)件的非空間屬性需要預(yù)先的定義和人工添加，使得三維表面模型向?qū)嶓w模型的轉(zhuǎn)化過程需要耗費(fèi)較多的時(shí)間和費(fèi)用。

實(shí)時(shí)施工模型的動(dòng)態(tài)更新是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。盡管先進(jìn)的技術(shù)工具在很大程度上為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集提供了便利，但數(shù)據(jù)采集需要額外的工人或者現(xiàn)成的作業(yè)工人停下手頭上的工作去進(jìn)行，這一過程需要額外的資源投入。從現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集到BIM 模型的轉(zhuǎn)化更是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，BIM 模型的創(chuàng)建是一個(gè)單調(diào)、耗時(shí)和易錯(cuò)的工作。由于反應(yīng)項(xiàng)目實(shí)際施工信息以及基于模型進(jìn)行 4D模擬的需要，實(shí)時(shí)施工模型的構(gòu)件需要有足夠的詳細(xì)程度，構(gòu)件需要細(xì)化以便能進(jìn)度活動(dòng)相鏈接，因而模型較復(fù)雜。此外，實(shí)時(shí)施工模型的創(chuàng)建是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，需要及時(shí)將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)集成到模型中，要持續(xù)不斷的進(jìn)行模型更新，模型的人工更新過程需要耗費(fèi)較多的資源和人力。

3 實(shí)時(shí)施工模型的自動(dòng)創(chuàng)建

實(shí)時(shí)施工模型的自動(dòng)創(chuàng)建是一個(gè)多學(xué)科交叉的課題，涉及掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像學(xué)、機(jī)器智能技術(shù)和參數(shù)化建模技術(shù)等領(lǐng)域。實(shí)時(shí)施工模型的自動(dòng)創(chuàng)建依賴于構(gòu)件對象的識別和匹配技術(shù)。對象識別和匹配技術(shù)需要將建筑設(shè)施相關(guān)的構(gòu)件識別出來，并自動(dòng)完成向含有對象屬性的實(shí)體構(gòu)件轉(zhuǎn)換。建筑構(gòu)件的識別當(dāng)前有基于材料識別和基于 形狀 識 別 兩 種 技 術(shù)Brilakis等專家組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長時(shí)間的研究，提出了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)施工模型自動(dòng)創(chuàng)建的框架，如圖 1所示。實(shí)施框架包括六個(gè)狀態(tài)( 輸入/輸出) ，在圖 1中用橢圓表示; 促使?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變的進(jìn)程用矩形表示。整個(gè)過程從現(xiàn)場構(gòu)筑物的數(shù)據(jù)采集開始，最終產(chǎn)品為 BIM 模型。BIM 模型自動(dòng)創(chuàng)建的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)施工模型的自動(dòng)更新，減輕模型更新過程的人工參與和工作量，有助于推進(jìn)實(shí)時(shí)施工模型在生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用。

圖1  建筑信息模型( BIM) 模型自動(dòng)生成框架

4 基于實(shí)時(shí)施工模型4D 模擬

基于實(shí)時(shí)施工模型的 4D 模擬實(shí)施框架如圖 2 所示。與基于施工模型的 4D模擬不同的是，基于實(shí)時(shí)施工模型的 4D 模擬是一個(gè)動(dòng)態(tài)的循環(huán)過程。利用BIM 模型自動(dòng)更新技術(shù)完成對施工現(xiàn)場已完成構(gòu)筑物的數(shù)據(jù)采集，并自動(dòng)更新到 BIM 實(shí)時(shí)施工模型。通過在三維視圖中對實(shí)時(shí)施工模型的查看，可以直觀及時(shí)的跟蹤到已完成施工的部分和已執(zhí)行的進(jìn)度計(jì)劃，并將已完成施工的建筑部分作為后續(xù)施工作業(yè)的約束條件; 然后將未施工的建筑模型部分和未執(zhí)行的進(jìn)度計(jì)劃相鏈接，進(jìn)行以已完成施工部分為約束條件的后續(xù)施工作業(yè) 4D 模擬，并以此 4D 模擬作為工具分析后續(xù)的進(jìn)度計(jì)劃和指導(dǎo)后續(xù)的現(xiàn)場施工作業(yè)。

圖2  基于實(shí)時(shí)施工模型的4D模擬

一般來說，施工模型在項(xiàng)目施工前進(jìn)行創(chuàng)建，基于此三維模型的 4D 模擬也是在項(xiàng)目開展前進(jìn)行的可視化模擬。而實(shí)時(shí)施工模型則需要把已完成的建筑部分更新到模型中，以此為約束條件進(jìn)行的 4D模型更貼近項(xiàng)目的當(dāng)前狀態(tài)，從而使得 4D 模擬更準(zhǔn)確和更有指導(dǎo)意義。同時(shí)，通過 BIM 實(shí)時(shí)施工模型，項(xiàng)目管理人員可以在三維視圖中及時(shí)直觀的跟蹤項(xiàng)目的施工情況，發(fā)現(xiàn)存在的問題和了解項(xiàng)目的當(dāng)前實(shí)際狀況。基于此對后續(xù)活動(dòng)所進(jìn)行的4D 模擬，可以更準(zhǔn)確預(yù)測和分析潛在的問題，作為項(xiàng)目管理控制的一個(gè)有效工具。

4D 技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展給建設(shè)項(xiàng)目帶來了巨大的效益。4D 模擬將進(jìn)度相關(guān)的時(shí)間信息和靜態(tài)的3D 模型鏈接產(chǎn)生4D 的施工進(jìn)程動(dòng)態(tài)模擬，可以將整個(gè)施工進(jìn)程直觀的展示出來，實(shí)現(xiàn)施工作業(yè)流水的三維可視化。施工計(jì)劃的可視化使得項(xiàng)目管理人員在計(jì)劃階段更易識別和預(yù)測潛在的施工流水沖突，合理進(jìn)行設(shè)備定位、現(xiàn)場空間、資源分配計(jì)劃等分析，以及更高效的與不同項(xiàng)目參與方進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)，從而可以提高施工效率、縮短工期、節(jié)約成本。但是，目前的 4D 模擬一般基于施工模型進(jìn)行。施工模型的創(chuàng)建和進(jìn)度計(jì)劃的編制都在施工前完成，由此進(jìn)行的 4D 模型也局限于施工前的計(jì)劃分析。

利用 BIM 實(shí)時(shí)施工模型，可以將 4D模擬的應(yīng)用擴(kuò)展到整個(gè)施工階段。實(shí)時(shí)施工模型通過對項(xiàng)目現(xiàn)場的實(shí)際施工進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)控，采集項(xiàng)目進(jìn)度的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息更新到 BIM 模型，從而保證了模型和項(xiàng)目信息的一致。基于實(shí)施施工模型的4D 模擬，以此施工現(xiàn)場已完成的構(gòu)筑物為約束條件，更貼近項(xiàng)目的當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)，從而使得 4D 模擬更準(zhǔn)確和更有指導(dǎo)意義?；趯?shí)時(shí)施工模型的4D 模擬豐富和推進(jìn)了 4D 模擬在施工階段的應(yīng)用，進(jìn)一步發(fā)揮 4D 模擬的作用，將能帶來更大的項(xiàng)目效益。但是，實(shí)時(shí)施工模型的創(chuàng)建是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，模型的更新過程是一個(gè)復(fù)雜和工作量巨大的過程，這在一定程度上阻礙了建筑企業(yè)對基于 BIM 實(shí)時(shí)施工模型4D 模擬的應(yīng)用。隨著BIM 模型自動(dòng)更新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，有望在不遠(yuǎn)的將來將基于實(shí)時(shí)施工模型的 4D 模擬廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，從而推進(jìn) BIM 技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)程，帶來更大的效益。