一种可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法

摘要

本发明提供了一种可实施正向建设工程的的数字化设计与虚拟建造方法，建立虚拟建造系统创建工程三维虚拟建造模型，包括立项、规划、设计、建造、运维项目全生命期的合规性三维空间数字化设计建造模型，构成设计建造构造数据库，进行虚拟建造，成果输出项目三维结构数据库，输出的施工模型、施工图及工艺完全一致,达到图模合一和信息集成传递，再虚拟验收，发布施工图，实施正向建设流程；该方法通过数字化空间设计与虚拟建造、集成式成果交付、三维结构数据库、云协同设计施工、各类信息及时采集、传递与共享的正向建设技术，进行基于建设工程本体构造的数字化虚拟建造，实现下游各参建方基于同一个虚拟建造模型协同设计与协同施工。

权利要求

1.一种可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法，其特征在于：

建立虚拟建造系统创建工程三维虚拟建造模型，包括立项、规划、设计、建造、运维项目全生命期的合规性三维空间数字化设计建造模型，构成设计建造结构数据库，进行虚拟建造，经虚拟验收无误后，根据工程三维虚拟建造模型成果发布施工图及文件，实施正向建设流程；

其步骤如下：基于所述虚拟建造系统，

搭建跨行业各专业模板，包括城市规划设计、建筑设计、室内设计、景观设计模板；

1）搭建建设领域三维规划信息模型数据库、三维通用材料及设备数据库、各专业设计标准及施工运维标准数据库；

2）进行规划设计、总图及建筑单体方案设计、初步设计及施工图设计三维数字化空间设计与建造；

3）利用跨行业各专业模板、三维规划信息模型数据库、三维通用材料及设备数据库、各专业设计标准及施工运维标准数据库进行虚拟建造，并根据建筑、结构、机电的虚拟建造成果输出项目三维结构数据库，包括施工模型、施工图、工艺、清单，虚拟验收无误后，发布施工图及文件；

4）进行土建项目报建、图审、招投标、实际工程施工及竣工验收及结算；

5）进行室内装饰项目报建、招投标、实际施工、竣工验收及结算；

6）形成集成运维数据的竣工模型，对接基于物联网技术的三维可视化运维系统；

所述跨行业各专业模板还包括：城市地下空间、轨道交通、地下管廊、市政工程、公路桥梁、水利水电、矿山、能源跨行业建设领域规划设计模板，以满足基于模型定义的数字化设计与建造；

所述步骤3）虚拟建造成果输出的施工模型、施工图及工艺完全一致, 达到图模合一、数模一体；

所述城市规划设计模板对建设项目进行数字规划信息模型设计与地质建造；集成相关规划指标信息、地质信息、环境信息以及水文、气候、资源、人口、交通信息，形成含数据的项目规划信息模型，虚拟建造，模型成果输出三维结构数据库，包括规划各阶段规划信息模型、图纸及文件；

所述建筑设计模板进行项目三维数字化空间总图及建筑单体方案设计，项目三维数字化空间总图、建筑单体及一次机电的初步设计，并进行施工图设计，虚拟建造，模型成果输出三维结构数据库，包括规划各阶段规划信息模型、图纸及文件；

所述室内设计模板进行项目室内功能分区及交通动线组织设计，确定合理的室内空间设计方案；利用三维通用材料及设备数据库、各专业设计标准及施工运维标准数据库进行初步设计，同步进行项目室内装饰装修虚拟建造，模型成果输出项目装饰三维结构数据库，包括施工模型、施工图、工艺；采用设计集成工、艺验收统一标准，经虚拟验收无误后，发布装饰及二次机电施工模型、施工图及文件；

其中，利用虚拟建造成果输出的施工模型、施工图、工艺、清单进行土建项目报建、图审、招投标、实际工程施工及竣工验收及结算；利用室内装饰装修虚拟建造成果输出的施工模型、施工图、工艺、清单进行室内装饰项目报建、招投标、实际施工、竣工验收及结算；利用三维结构数据库形成集成运维数据的竣工模型，对接基于物联网技术的三维可视化运维系统；

所述工程三维虚拟建造模型连接智能放样设备进行放样施工，放样误差在3mm以内。

说明书

一种可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法

技术领域

[0001] 本发明属于工程建设信息技术领域，具体涉及一种可实施正向建设工程的的数字化设计与虚拟建造方法。

背景技术

[0002] 在工程建设行业，2002年，市场主流厂家最先提出BIM理念，并携BIM软件系统进入建设行业市场，声称BIM软件系统可完成建设项目的三维建筑信息模型设计，以弥补AutoCAD二维设计的不足；但由于该BIM技术的系统缺陷；二维设计与BIM设计在底层系统上一直没有建立逻辑关连关系，两者在设计与施工、施工与运维阶段相互脱节，无法实现BIM项目全生命期最重要的信息传递与共享。目前BIM系统及厂家并没有兑现它当初的承诺，BIM技术仍然停留在根据二维图纸进行翻模和三维可视化应用层面，导致整个建设领域BIM技术信息化应用长期不能落地而停滞不前。

[0003] 实际应用中，主流BIM-基于二维图纸翻模的体块BIM，体块模型无构造细节，设计阶段无信息采集，由于AutoCAD二维设计系统缺乏有效的设计错误检查机制，根据二维图纸翻制的模型“继承”了图纸中可能存在的错误，致使BIM技术仍然无法摆脱粗放式管理模式。

[0004] 2017-2018年，BIM厂家通过学术界又提出正向设计理念这一新的BIM应用形式，拟改变其先二维设计后翻模广受病垢的应用方式，试图以“空间设计”的方式改变之前无法实现“设计与施工关联”、“施工与运维关联”、“图模合一”、 “数模一体”、“信息传递与共享”的弊端及应用瓶颈，有一点没有变，仅处于设计阶段的正向设计代价太大，仍然无法实现下游各参建方未能基于同一个BIM模型的协同设计与协同施工。

[0005] BIM是基于二维图纸的翻模技术，设计阶段未进行信息采集，体块模型缺少构造细节，设计与施工脱节，施工与运维脱节，形成建设各阶段信息孤立；BIM技术无法做到限价设计，事先确定建设标准和项目总投资；BIM不能实施根据二维图纸的空间协同设计，且无法直接对接施工设计，无协同前置机制；BIM应用需要借助第三方平台导入翻制的模型进行施工管理工作，如出现现场设计施工变更，平台与BIM施工模型之间无法实现数据的双向流通，管理效率低下；BIM技术无法实现项目设计、施工模型的唯一数据源，施工模型和施工图纸分别是两套数据，两者在逻辑上缺乏一致性，因此，无法完成图模合一和信息集成传递；造成BIM的工作常态“边设计、边施工、边整改”（设计、工程变更）会伴随项目施工全过程，直到竣工；BIM技术已被证实完全无法满足室内外装饰装修阶段的信息化深度应用，形成建设过程中无法逾越的信息化应用真空地带。

[0006] 为弥补BIM技术缺陷，信息化应用中需编制大量的各类《标准》和《规程》来约束其行为；目前BIM技术仍无法按住建部《建筑工程设计文件编制深度规定》的要求完成达标成果交付，即设计输出：图纸及文件，无法满足图审、报建等图纸编制深度要求，建设管理流程中严重依赖设计院的二维图纸，在建设项目中无法实现全专业全构造的空间精细化设计，因此，工程建设中，应用BIM技术无法避免传统粗放式管理模式下约10%的浪费量，BIM技术无法协助企业实现数字化转型升级。

[0007] 针对上述问题，需要探索现有BIM技术三维建筑信息模型设计与施工信息数据共享问题，在工程项目实际动土之前，在虚拟空间完成包括设计、建造、运维项目全生命期的合规性空间设计建造，是解决建设领域现有BIM技术应用问题的有效途径之一。

发明内容

[0008] 本发明要解决的问题是基于二维图纸翻模的逆向BIM，产生的无二维图纸的空间协同设计、设计集成工艺、施工质量技术标准、验收规范、BIM模型直接衔接施工设计阶段等问题；提供一种可实施正向建设工程的的数字化设计与虚拟建造方法，通过数字化空间设计与虚拟建造、集成式成果交付、三维结构数据库、云协同设计施工、各类信息及时采集、传递与共享的正向建设技术，进行基于建设工程本体构造的数字化虚拟建造，实现下游各参建方基于同一个BIM模型的协同设计与协同施工。

[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法，其特征在于：

[0010] 建立虚拟建造系统创建工程三维虚拟建造模型，包括立项、规划、设计、建造、运维项目全生命期的合规性三维空间数字化设计建造模型，构成设计建造结构数据库，进行虚拟建造，经虚拟验收无误后，根据工程三维虚拟建造模型成果发布施工图及文件，实施正向建设流程；

[0011] 其步骤如下：基于所述虚拟建造系统，

[0012] 搭建跨行业各专业模板，包括城市规划设计、建筑设计、室内设计、景观设计等模板；

[0013] 1）搭建建设领域三维规划信息模型数据库、三维通用材料及设备数据库、各专业设计标准及施工运维标准数据库；

[0014] 2）进行规划设计、总图及建筑单体方案设计、初步设计及施工图设计等三维数字化空间设计与建造；

[0015] 3）利用跨行业各专业模板、三维规划信息模型数据库、三维通用材料及设备数据库、各专业设计标准及施工运维标准数据库进行虚拟建造，并根据建筑、结构、机电的虚拟建造成果输出项目三维结构数据库，包括施工模型、施工图、工艺、清单等，虚拟验收误会后，发布施工图及文件；

[0016] 4）进行土建项目报建、图审、招投标、实际工程施工及竣工验收及结算；

[0017] 5）进行室内装饰项目报建、招投标、实际施工、竣工验收及结算；

[0018] 6）形成集成运维数据的竣工模型，对接基于物联网技术的三维可视化运维系统。

[0019] 进一步，所述跨行业各专业模板还包括：城市地下空间、轨道交通、地下管廊、市政工程、公路桥梁、水利水电、矿山、能源等跨行业建设领域规划设计模板，以满足基于模型定义的数字化设计与建造。

[0020] 进一步，所述3）虚拟建造成果输出的施工模型、施工图及工艺完全一致, 达到图模合一、数模一体。

[0021] 进一步，所述城市规划设计模板对建设项目进行数字规划信息模型设计与地质建造；集成相关规划指标信息、地质信息、环境信息以及水文、气候、资源、人口、交通等信息，形成含数据的项目规划信息模型，虚拟建造，模型成果输出三维结构数据库，包括规划各阶段规划信息模型、图纸及文件。

[0022] 进一步，所述建筑设计模板进行项目三维数字化空间总图及建筑单体方案设计，项目三维数字化空间总图、建筑单体及一次机电的初步设计，并进行施工图设计，虚拟建造，模型成果输出三维结构数据库，包括规划各阶段规划信息模型、图纸及文件。

[0023] 进一步，所述室内设计模板进行项目室内功能分区及交通动线组织设计，确定合理的室内空间设计方案；利用三维通用材料及设备数据库、各专业设计标准及施工运维标准数据库进行初步设计，同步进行项目室内装饰装修虚拟建造，模型成果输出项目装饰三维结构数据库，包括施工模型、施工图、工艺；采用设计集成工、艺验收统一标准，经虚拟验收无误后，发布装饰及二次机电施工模型、施工图及文件。

[0024] 进一步，所述工程三维虚拟建造模型连接智能放样设备进行放样施工，放样误差在3mm以内。

[0025] 本发明具有的优点和积极效果是：

[0026] 1、本发明可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法，通过建立虚拟建造系统创建工程三维虚拟建造模型，以设计为主导，设计集成工艺、施工质量技术标准、验收规范；与建设领域主流BIM信息系统相比，具有可实施立项、规划、设计、建造、运维项目全生命期三维空间数字化设计建造模型信息化管理的差异化优势，信息化、工业化建设可真正落地实施；设计成果指导施工，竣工模型对接运维，可显著提升建设行业企业的设计施工质量，可顺利实施正向建设模式。

[0027] 2、本发明可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法，通过建立虚拟建造系统搭建跨行业各专业模板，如城市规划设计、建筑设计、室内设计、景观设计等模板，城市地下空间、轨道交通、地下管廊、市政工程、公路桥梁、水利水电、矿山等规划设计模板；完成基于模型定义的数字化设计与建造，其通用性可支撑跨行业正向建设，以满足下游各参建方能够基于同一个虚拟建造模型的协同设计与协同施工。

[0028] 3、本发明可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法，通过建立虚拟建造系统搭建建设领域三维规划信息模型数据库、三维通用材料及设备数据库、各专业设计标准、施工标准及运维标准数据库；其丰富的数据量可支撑设计与虚拟建造至实际施工精益化管理模式，实现设计标准、工艺描述、属性及管理等信息的全过程采集、传递与共享。

[0029] 4、本发明可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法，通过建立虚拟建造系统进行规划设计、三维数字化空间总图及建筑单体方案设计及初步设计、施工图设计，全生命期各类信息可实现在同一个模型的不同阶段采集、管理和使用，可真正对接项目建设，虚拟建造、集成式项目交付、云协同可支持、模式顺利实施，根据虚拟建造模型自动发布施工图，可做到无错误设计成果交付，实现建筑业信息化最重要的内容，无纸化集成式成果交付。

[0030] 5、本发明可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法，通过规划、建筑及室内设计模板解决了限价设计难题，可在设计阶段确定基本建设标准及投资总额，采用正向数字化设计与虚拟建造，科学合理的信息化工作流程，通过有效的协同机制，实现建设项目的有序和有效精益化管控，避免主流BIM技术的粗放式管理模式发生约10%左右的施工浪费问题，实现建设行业的提质增效目标。

[0031] 6、本发明可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法，利用跨行业各专业模板、三维规划信息模型数据库、三维通用材料及设备数据库、各专业设计标准、施工标准及运维标准等数据库进行虚拟建造，虚拟建造成果输出项目三维结构数据库，输出的施工模型、施工图及工艺完全一致, 达到图模合一和信息集成传递，虚拟建造系统完成虚拟验收，形成项目设计、施工模型的唯一数据源，项目设计、施工全过程无需变更修改，实现工程正向建设模式。

[0032] 7、本发明可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法，通过室内设计模板进行项目室内功能分区及交通动线组织设计，进行项目室内装饰装修虚拟建造，成果输出装饰三维结构数据库，发布装饰及二次机电施工图及文件，在室内外装饰装修阶段实现信息化装配化可实施深度应用。

附图说明

[0033] 图1是可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法工艺流程图。

具体实施方式

[0034] 为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例对本发明进行进一步的描述。

[0035] 一种可实施正向建设工程的数字化设计与虚拟建造方法，建立虚拟建造系统，利用虚拟建造系统创建虚拟建造模型，在虚拟建造系统完成包括立项、规划、设计、建造、运维项目全生命期的三维空间数字化设计建造。

[0036] 利用虚拟建造系统，搭建跨行业各专业模板：城市规划设计、建筑设计、室内设计、景观设计等模板，城市地下空间、轨道交通、地下管廊、市政工程、公路桥梁、水利水电、矿山等跨行业建设领域规划设计模板，以满足基于模型定义的数字化设计与建造；利用虚拟建造系统，搭建建设领域三维规划信息模型数据库、三维通用材料及设备数据库、各专业设计标准、施工标准及运维标准数据库。

[0037] 在虚拟建造系统中进行规划设计、总图及建筑单体方案设计、初步设计及施工图设计等三维数字化空间设计与建造。

[0038] 利用跨行业各专业模板、规划信息模型数据库、通用材料及设备数据库、各专业设计标准、施工标准及运维标准数据库进行虚拟建造，并根据建筑、结构、机电虚拟建造成果输出项目三维结构数据库，包括施工模型、施工图、工艺、清单等，虚拟验收，发布施工图及文件；虚拟建造成果输出的施工模型、施工图及工艺完全一致, 达到图模合一，数模一体。

[0039] 利用城市规划设计模板对建设项目进行数字规划信息模型设计与地质建造；集成相关规划指标信息、地质信息、环境信息以及水文、气候、资源、人口、交通等信息，形成含数据的项目规划信息模型，虚拟建造，模型成果输出三维结构数据库，包括各阶段规划模型、图纸及文件。

[0040] 利用建筑设计模板进行项目三维数字化空间总图及建筑单体方案设计，项目三维数字化空间总图、建筑单体及一次机电的初步设计，并进行施工图设计，虚拟建造及虚拟验收，模型成果输出三维结构数据库，包括各阶段模型、施工模型、施工图纸及文件。

[0041] 利用室内设计模板进行项目室内功能分区及交通动线组织设计，确定合理的室内空间设计方案；利用三维通用材料及设备数据库、各专业设计标准、施工标准及运维标准数据库进行初步设计，同步进行项目室内装饰装修虚拟建造，模型成果输出项目装饰三维结构数据库，包括施工模型、施工图、工艺；经虚拟验收，发布装饰及二次机电施工图及文件。

[0042] 利用虚拟建造成果输出的施工模型、施工图、工艺、清单等进行土建项目报建、图审、招投标、实际工程施工及竣工验收及结算；利用室内装饰装修虚拟建造成果输出的施工模型、施工图、工艺、清单等进行室内装饰项目报建、招投标、实际施工、竣工验收及结算；利用三维结构数据库形成集成运维数据的竣工模型，对接基于物联网技术的三维可视化运维系统。

[0043] 工程三维虚拟建造模型连接智能放样设备进行放样施工。

[0044] 实施例1

[0045] 利用正向建设的数字化设计与虚拟建造方法完成建筑设计。搭建建筑设计模板进行项目三维数字化空间总图及建筑单体方案设计，项目三维数字化空间总图、建筑单体及一次机电的初步设计，并进行施工图设计，虚拟建造，模型成果输出三维结构数据库，支持后续各施工安装。

[0046] 步骤一：根据项目红线图、规划设计要点、设计任务书，收集项目立项、可研资料、方案策划等资料，充分了解用户需求，开始项目的方案设计构思；

[0047] 步骤二：启动虚拟建造系统及建筑设计模板，并填写拟建项目信息、地块规划用地及指标信息、编辑相关图层及其他设置；

[0048] 步骤三：根据规划指标、强排、标准、规范、选定的结构形式及材质开始方案设计，方案落实，其设计深度和质量满足编制初步设计文件需要；根据方案模型输出方案图纸及文件，其建造准确性达到图模合一的精度；

[0049] 步骤四：结构设计专业在报批方案总平面图上布置地勘钻孔图，提交地勘单位进行地质勘探工作，获取所需地勘报告；

[0050] 步骤五：利用建筑设计模板、三维规划信息模型数据库、地勘报告及无人机激光三维扫描点云数据创建精准的项目三维地质信息模型，由建筑师负责，联合结构和水暖电等专业工程师协同完成项目总图及建筑单体初步设计文件编制的虚拟建造过程，其虚拟建造深度满足规定要求；模型同步集成规划数据、地质信息、总图设计信息、各专业互提资信息、材料及设备实施信息，根据其市场信息价实时监控其建设标准及投资概算是否超标；根据虚拟建造模型输出初设图纸及文件，其建造成果准确性达到图模合一的精度；

[0051] 步骤六：根据初步设计，相关人员在初步设计三维虚拟建造模型上协同进行下阶段的施工虚拟建造工作；土建方面，根据选定的结构形式与构造做法进行墙体、梁柱、楼板的空间设计工作，如在虚拟建造系统中对楼板的复合结构进行设置，在虚拟建造系统中设置楼板的复合结构、初设中选定的楼板、材料铺装构造形式、适合土建装饰一体化设计施工项目、与选定楼板构造一致的虚拟建造楼板模型；机电方面，建筑结构机电三大专业在虚拟建造空间进行协同精细化设计，发现碰撞问题及时解决，最终完成项目的虚拟建造，模型的精度达到LOD400；根据虚拟建造模型输出各专业施工图纸及文件，其建造准确性达到图模合一的精度；

[0052] 步骤七：对虚拟建造各功能空间、材料、设备实施等进行工艺做法、供应商信息、验收标准、物理性能信息等的集成，模型的精度达到LOD500，满足运维要求；

[0053] 步骤八：根据建筑设计阶段的虚拟建造成果即项目三维结构数据库，输出建设报建图纸及文件、招投标清单、材料下料采购清单、部品部件工厂加工图纸、各方面施工模型、监理模型及图纸等数据指导项目实施正向建设。

[0054] 实施例2

[0055] 使用正向建设的数字化设计与虚拟建造方法指导施工。

[0056] 步骤一：根据施工模型将施工模型排版及分块、产品编号；通过犀牛软件的二次开发，利用其插件grasshopper编写特定程序，对产品进行分块和编号,大曲面利用软件参数化功能快速分块，复杂曲面为确保可实施则通过人工分块；

[0057] 步骤二：工厂根据已排版好的施工模型输出数字机床进行逐块制模、再到成品生产；

[0058] 步骤三：工厂产品生产跟踪，利用手持式扫描仪器，录入板块信息，导入到软件掌握产品生产误差，对误差超过2mm的产品进行生产修正；产品合格后分别标注板块编号或二维码等信息，最后出厂运输；

[0059] 步骤四：利用虚拟建造成果输出的施工模型创建现场定位数据导入放样仪器中进行现场定位，此步骤包括施工基层材料的现场定位，见表一，通过智能放样设备空间定位技术完成现场GRG样板定位及吊装，利用数据插件创建拟装配虚拟建造模型特征点信息，在现场按放样数据列表依次对点位放样；进行施工与设计之间的误差分析和统计，对误差大的部位进行修改，放样误差在3mm以内；通过三维激光扫描测量技术与虚拟建造模型进行配准，发现安装位置误差问题及时解决，有效控制成品板块的安装质量；

[0060] 步骤五：吊装完成后的质量检测，利用三维虚拟建造模型三维扫描系统对现场安装面进行复检测，以修正误差。

[0061] 以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。