美國(guó)BIM 應(yīng)用案例淺析:BIM 如何減少建筑能耗及實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠

尤娜·張 金索·吉姆

(1.佐治亞理工學(xué)院，亞特蘭大市，佐治亞州，美國(guó) 30332;2.嘉富瑞設(shè)計(jì)公司，迪爾伯恩市，密歇根州，美國(guó) 48126)

編者按

近年來(lái)，BIM 技術(shù)(如3D 可視化和4D 施工模擬)逐漸成為建筑業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。在本文中，編者選取編譯了美國(guó)兩個(gè)典型的BIM 應(yīng)用案例，來(lái)展示如何應(yīng)用BIM 技術(shù)減少建筑能耗以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字工廠。他山之石，可以攻玉，編者希望這兩個(gè)案例可以為國(guó)內(nèi)的讀者帶來(lái)有益的借鑒。

案例(一):BIM 實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能案例——美國(guó)克萊門森大學(xué)生命科學(xué)樓項(xiàng)目

1.1 項(xiàng)目基本信息

1.1.1 研究目標(biāo)

美國(guó)克萊門森大學(xué)生命科學(xué)大樓案例研究的主要目標(biāo)是深入探討分析整個(gè)過(guò)程中BIM 是如何協(xié)同作業(yè)的，因?yàn)锽IM 的實(shí)施過(guò)程是一個(gè)多方組織或個(gè)人利用不同的專業(yè)知識(shí)和技能，努力去實(shí)現(xiàn)同一個(gè)項(xiàng)目目標(biāo)的過(guò)程。本研究的目的是在當(dāng)前的BIM 協(xié)同工作中確定什么是可行的，什么是不可行的，所以基于我們從建筑師方面得到的信息，決定把建筑公司和他們雇傭之間的工程咨詢公司之間的協(xié)作作為重點(diǎn)，著重研究工程咨詢公司是如何通過(guò)協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和促進(jìn)項(xiàng)目的實(shí)施。

1.1.2 參與項(xiàng)目的公司

負(fù)責(zé)該項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)的公司是Pekins -Will 公司，由勞倫斯·帕金斯和菲利普·希爾在1935 年創(chuàng)建于美國(guó)芝加哥，目前在全美擁有23 個(gè)辦公室，約1 500 名員工，得到過(guò)包括美國(guó)建筑師學(xué)會(huì)的多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。拉爾夫.約翰遜是公司的設(shè)計(jì)總監(jiān)。Servidyne Systems 是項(xiàng)目外包的工程設(shè)計(jì)咨詢公司，成立于1925 年，總部位于美國(guó)佐治亞州亞特蘭大市，并通過(guò)其全資擁有的子公司在全球范圍內(nèi)開(kāi)展項(xiàng)目。公司提供全面的能效分析和需求響應(yīng)方案，商業(yè)能源審計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助建筑運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)(CMMS)的實(shí)施，可持續(xù)發(fā)展項(xiàng)目，以及可顯著提高現(xiàn)有建筑運(yùn)行維護(hù)及財(cái)務(wù)績(jī)效的其他咨詢服務(wù)。

1.1.3 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目位于美國(guó)南卡羅來(lái)納州的克萊門森大學(xué)的主校區(qū)，是生物科學(xué)系一棟四層的實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)設(shè)施，地上三層(含空調(diào)空間和屋頂上的機(jī)械電氣閣樓)及地下一層組成，總面積約96 000 平方英尺(如圖1 和圖2 所示)。業(yè)主克萊姆森大學(xué)追求該項(xiàng)目達(dá)到LEED (Leadership in Energy and Environmental Design)TM所提出的設(shè)計(jì)與施工認(rèn)證，因此Pekins-Willg 公司委托Servidyne System 對(duì)該建筑進(jìn)行能耗建模與仿真，以此協(xié)助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)評(píng)估潛在的節(jié)能措施的成本效益評(píng)(EEMS)，并將此納入建筑設(shè)計(jì)，協(xié)助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)獲得建筑的LEED 認(rèn)證。在進(jìn)行此案例分析的時(shí)候，來(lái)自Servidyne System 公司的團(tuán)隊(duì)給我們提供了他們有關(guān)建筑能耗分析的報(bào)告，這給我們研究該項(xiàng)目BIM 在團(tuán)隊(duì)協(xié)作方面的應(yīng)用帶來(lái)了很有益的幫助。

圖1 克萊門森大學(xué)生命科學(xué)大樓項(xiàng)目位置圖

圖2 克萊門森大學(xué)生命科學(xué)大樓項(xiàng)目BIM 渲染圖

1.1.4 LEED 簡(jiǎn)介

LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)是國(guó)際公認(rèn)的綠色建筑認(rèn)證系統(tǒng)，對(duì)建筑或社區(qū)的綠色可持續(xù)設(shè)計(jì)和使用提供第三方驗(yàn)證，如節(jié)約能源，提升用水效率性能策略的建立，減少二氧化碳的排放量，改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和資源，以及對(duì)其影響的敏感性管理。LEED 由美國(guó)綠色建筑委員會(huì)(USGBC)開(kāi)發(fā)，其重要目的是提供給建筑業(yè)主和運(yùn)營(yíng)商提供一個(gè)簡(jiǎn)便的、實(shí)際的、可衡量的綠色建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)解決方案的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.5 美國(guó)供暖制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)標(biāo)準(zhǔn)90.1

美國(guó)供暖制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)發(fā)表了很多建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和指南，其中，ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)90.1(建筑物能源使用標(biāo)準(zhǔn))是最重要的一個(gè)規(guī)范(圖3 所示)，其目的是提供有關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的最低要求。建筑物如果要滿足LEED 認(rèn)證要求，則該建筑即使沒(méi)有超過(guò)，也最少要滿足ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)90.1 的要求。

圖3 美國(guó)供暖制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)標(biāo)準(zhǔn)90.1

1.1.6 建筑能耗模擬仿真工具

為了實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目標(biāo)，建筑師和工程設(shè)計(jì)師需要精密而有效的設(shè)計(jì)工具來(lái)分析和理解建筑能源利用的復(fù)雜行為。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助的模型模擬和仿真已被廣泛用于準(zhǔn)確和詳細(xì)的評(píng)價(jià)建筑的節(jié)能性能。建筑能耗仿真是一個(gè)有用的工具，可以預(yù)測(cè)建筑的冷暖供應(yīng)以及電力負(fù)荷。在克萊門森大學(xué)項(xiàng)目中，詳細(xì)的計(jì)算機(jī)仿真模擬是通過(guò)建筑能源分析程序DOE -2 和EQUEST 共同完成的。DOE -2 是一個(gè)免費(fèi)的，且被廣泛接受和使用的建筑能耗分析程序，可以預(yù)測(cè)各種類型建筑物的能源使用量及成本。DOE -2 通過(guò)利用用戶提供的建筑布局、結(jié)構(gòu)、操作計(jì)劃、空調(diào)系統(tǒng)(照明、空調(diào)等)和典型氣象年氣象數(shù)據(jù)，對(duì)建筑物進(jìn)行逐時(shí)能耗模擬和成本估算。原生的DOE -2 是一個(gè)DOS 程序，學(xué)習(xí)和使用需要相當(dāng)?shù)木幊探?jīng)驗(yàn)，但是給專家和研究人員提供了極大的靈活性。EQUEST 則為DOE -2 提供了一個(gè)完整的交互式圖形用戶界面，方便了DOE -2 的使用。DOE -2 可以使用建筑項(xiàng)目所在位置的氣象數(shù)據(jù)一個(gè)小時(shí)一個(gè)小時(shí)的計(jì)算該建筑在整個(gè)一年中的能源消耗量。在該項(xiàng)目中，南卡羅來(lái)納州格林維爾典型氣象年數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)行建筑物性能分析。典型氣象年數(shù)據(jù)是一個(gè)選定的特定位置的長(zhǎng)期天氣測(cè)量組合，包括實(shí)際每小時(shí)的平均溫度，濕度，風(fēng)力和太陽(yáng)能數(shù)據(jù)。這是精心挑選的，它既反映了選定項(xiàng)目位置的特定天氣現(xiàn)象，同時(shí)還給長(zhǎng)期氣象平均水平一致。

1.2 BIM 建筑模型

1.2.1 建筑模型三維視圖

圖4 克萊門森大學(xué)生命科學(xué)大樓項(xiàng)目BIM 渲染圖(西立面)

圖5 克萊門森大學(xué)生命科學(xué)大樓項(xiàng)目eQUEST 模型(西立面)

圖6 克萊門森大學(xué)生命科學(xué)大樓項(xiàng)目BIM 渲染圖(東立面)

圖7 克萊門森大學(xué)生命科學(xué)大樓項(xiàng)目eQUEST 模型(東立面)

1.2.2 建筑模型平面圖

圖9 建筑地下層房間布置圖(eQUEST)

圖10 建筑第一層房間布置圖(BIM)

圖11 建筑第一層房間布置圖(eQUEST)

圖12 建筑第二層房間布置圖(BIM)

圖13 建筑第二層房間布置圖(eQUEST)

表1 克萊門森大學(xué)生命科學(xué)大樓建筑房間布置和面積

1.2.3 項(xiàng)目執(zhí)行任務(wù)總結(jié)

在這個(gè)項(xiàng)目中，一個(gè)基于2008 年3 月17 日收到的設(shè)計(jì)圖紙開(kāi)發(fā)的建筑模型用來(lái)模擬該建筑的能源使用，其中相應(yīng)必須的信息來(lái)自設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和項(xiàng)目組合理的假設(shè)。表2 列出了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選擇的測(cè)量建筑能源利用效率量度。能源效率的各種測(cè)度(EEMS)是在一個(gè)確定各備選設(shè)計(jì)方案的成本效益。這些測(cè)度包括各種備選的屋頂和玻璃類型，墻保溫層，光線傳感控制照明措施，電氣設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略等。

表2 克萊門森大學(xué)生命科學(xué)大樓建筑能源利用效率量度

1.3.1 EEM-A1:照明節(jié)能措施

室內(nèi)照明設(shè)計(jì)在建筑模型開(kāi)發(fā)的時(shí)候是不可用的，因此，假設(shè)該建筑設(shè)計(jì)的室內(nèi)照明功率密度和ASHARE90.1 -2004 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一致，即1.2 瓦/平方英尺(大學(xué)類建筑)。這個(gè)節(jié)能措施是用來(lái)評(píng)價(jià)建筑照明設(shè)計(jì)的潛在能源使用和成本的節(jié)約，比如本項(xiàng)目照明設(shè)計(jì)可以達(dá)到1 瓦/平方英尺。根據(jù)DOE-2 能效模擬結(jié)果表明，該項(xiàng)目采用的照明節(jié)能措施可以每年節(jié)省55 900 千瓦時(shí)電力，115 mbtu蒸汽，和46 mbtu 冷凍水。能源節(jié)省的成本大概是每年1 310 美元。

圖14 光線傳感控制照明系統(tǒng)

1.3.2 EEM-A2:光線傳感控制照明措施

在本項(xiàng)目中，教學(xué)實(shí)驗(yàn)室周邊，實(shí)驗(yàn)室和辦公室采用光線傳感控制照明措施。DOE -2 仿真結(jié)果照明，該項(xiàng)節(jié)能措施可以每年節(jié)省39 000 千瓦時(shí)地理，62 mbtu 蒸汽，和56 mbtu 冷凍水。能源節(jié)省的成本大概是每年1 260 美元。

1.3.3 增加屋面保溫層

這個(gè)措施是通過(guò)增加當(dāng)前屋面保溫層設(shè)計(jì)厚度的50%和100%來(lái)測(cè)試建筑節(jié)能效應(yīng)。當(dāng)前屋面設(shè)計(jì)是由4 英寸混凝土屋面板，4 英寸剛性屋面保溫層，及熱塑性聚烯烴(TPO)屋面卷材構(gòu)成。當(dāng)前設(shè)計(jì)屋面整體傳熱系數(shù)約是0.059.當(dāng)前設(shè)計(jì)以及增加屋面保溫層厚度后不同的傳熱系數(shù)比較如表3 所示。

表3 屋面保溫層節(jié)能效應(yīng)

建筑能耗模擬結(jié)果顯示，通過(guò)增加屋面保溫層厚度50%，可以節(jié)省240 千瓦時(shí)電力，17mbtu 蒸汽，和7mbtu 冷凍水。而通過(guò)增加屋面保溫層厚度100%，可以節(jié)省380 千瓦時(shí)電力，27mbtu 蒸汽，和11mbtu 冷凍水。

1.3.4 高反射屋面

在原設(shè)計(jì)中屋頂?shù)谋砻娣瓷渎适?.30，為了提高屋頂?shù)臒岱瓷湫?，新的高反射?0.70)的屋頂卷材涂料被采用。根據(jù)DOE -2 仿真結(jié)果證明，通過(guò)該項(xiàng)提高能效的措施，每年可以650 千瓦時(shí)電力，14mbtu 熱蒸汽，和139mbtu 冷凍水。但是該項(xiàng)設(shè)計(jì)每年會(huì)帶來(lái)額外的390 美元成本。通常為了實(shí)現(xiàn)高反射率屋頂，最簡(jiǎn)單的方法是把屋頂漆成白色，如圖15 所示。

圖15 高反射屋面節(jié)能措施

1.3.5 EEM A6:替換所有的玻璃為Solarban -60節(jié)能玻璃

Solarban-60 節(jié)能玻璃是理想的節(jié)能窗材，可以阻止太陽(yáng)直曬，減少太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱量，降低建筑空調(diào)的成本，并在冬天提供更合適的環(huán)境。典型的Solarban 60 窗戶由三部分組成:底部陰影箱，絕緣低輻射板和幕墻玻璃，如圖16 所示。

根據(jù)DOE-2 仿真結(jié)果證明，通過(guò)使用Solarban 60 玻璃，每年可以11 620 千瓦時(shí)電力，39mbtu 熱蒸汽，和239mbtu 冷凍水。但是該項(xiàng)設(shè)計(jì)每年會(huì)帶來(lái)額外的2070 美元的成本。

1.3.6 EMM -H1a＆b:空調(diào)空氣處理機(jī)組面速度設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)原設(shè)計(jì)，空調(diào)空氣處理機(jī)組的設(shè)計(jì)面速度是450 英尺/分鐘，性能優(yōu)于500 英尺/分鐘的典型值。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)400 英尺/分鐘和500 英尺/分鐘的兩種空調(diào)機(jī)組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)和原450 英尺/分鐘設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，400 英尺/分鐘設(shè)計(jì)可以降低空氣處理機(jī)組內(nèi)靜壓的21%，而500 英尺/分鐘設(shè)計(jì)則增加靜壓的23%?？照{(diào)空氣處理機(jī)組的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)如圖所示。根據(jù)DOE-2 模擬的結(jié)果表明，機(jī)組選擇從原設(shè)計(jì)的450 英尺/分鐘變更到400 英尺/分鐘，每年可以節(jié)省33 020 千瓦時(shí)電力，相對(duì)于原設(shè)計(jì)模型而言可以每年節(jié)約能源成本2 185 美元。當(dāng)機(jī)組從原設(shè)計(jì)的450 英尺/分鐘變更到500 英尺/分鐘，每年增加36130 千瓦時(shí)電力，相對(duì)于原設(shè)計(jì)模型而言可以每年能源成本增加2 440 美元。

1.3.7 EEM H2:增加通風(fēng)管尺寸10%

根據(jù)這個(gè)項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)公司(紐科姆和博伊德)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室空氣處理機(jī)組和兩處辦公室空調(diào)機(jī)組送風(fēng)風(fēng)道尺寸是大約2 英寸。通過(guò)增加供風(fēng)管橫截面積10% 可以降低供應(yīng)管道系統(tǒng)靜壓約20%。根據(jù)DOE-2 的仿真結(jié)果表明，這種改變可以每年節(jié)省21 420 千萬(wàn)時(shí)電力，和原設(shè)計(jì)相比每年可以節(jié)省能源成本1 420 美元。

1.3.8 EEM -H3:辦公室空調(diào)機(jī)組熱回收排氣熱能量輪

本節(jié)能措施是通過(guò)安裝一個(gè)4 000 立方英尺的回收排氣能量輪來(lái)達(dá)到節(jié)省建筑能耗的效果。根據(jù)DOE-2 的仿真結(jié)果表明，通過(guò)熱回收排氣能量輪，建筑可以每年節(jié)省3 390 千瓦時(shí)電力，與原設(shè)計(jì)相比每年可以節(jié)省能源成本1 700 美元。

圖16 Solarban-60 節(jié)能玻璃

圖17 空調(diào)空氣處理機(jī)組面速度設(shè)計(jì)優(yōu)化

圖18 熱回收排氣熱能量輪及其工作原理

1.4 結(jié)論

通過(guò)評(píng)估以上各種節(jié)能措施且根據(jù)DOE -2 軟件仿真模擬結(jié)果，原有設(shè)計(jì)(基準(zhǔn)設(shè)計(jì))和新提出設(shè)計(jì)在節(jié)約能源消耗的比較，如表4 所示。

表4 建筑節(jié)能DOE-2 軟件仿真模擬結(jié)果

案例二:BIM 技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠——美國(guó)通用汽車公司俄亥俄州托萊多變速器廠擴(kuò)建工程

2.1 簡(jiǎn)介

在汽車工業(yè)中，三維建模技術(shù)已廣泛的用于車輛的設(shè)計(jì)和制造中，帶來(lái)了不可否認(rèn)的生產(chǎn)效率的提高。然而，應(yīng)用三維建模技術(shù)在設(shè)計(jì)和建造汽車工廠還并沒(méi)有很長(zhǎng)時(shí)間。通用汽車公司從他們?cè)谏a(chǎn)和設(shè)計(jì)汽車中得到靈感，將BIM 技術(shù)引入到其生產(chǎn)基地的設(shè)計(jì)流程和建設(shè)過(guò)程中。通用汽車公司把汽車生產(chǎn)中應(yīng)用三維制造工具改造為設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)管理工具，并將其應(yīng)用在工廠的建設(shè)中，從而通過(guò)集成化的工具和設(shè)計(jì)技術(shù)，以節(jié)省時(shí)間，并最大限度地提高人力資源和生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)精益施工，這也符合通用汽車一貫的“精益設(shè)計(jì)/建造”的經(jīng)營(yíng)理念。

為實(shí)現(xiàn)“精益設(shè)計(jì)/建造”這一目標(biāo)，GHAFARI Associates LLC 公司在通用汽車公司之前的項(xiàng)目中從最初的開(kāi)發(fā)三維模型來(lái)完成結(jié)構(gòu)，管道和電氣系統(tǒng)到模型集成設(shè)計(jì)起到了重要的作用。他們應(yīng)用三維BIM 建模工具為汽車生產(chǎn)工廠制作了一個(gè)高度仿真的模型，并創(chuàng)建了快速反應(yīng)和協(xié)同工作環(huán)境，這樣在三維模型的制作和修改中，項(xiàng)目所涉及到的工程設(shè)計(jì)及建造的每個(gè)參與者都會(huì)及時(shí)的接收到相關(guān)的修改及更新。GHAFARI 充分利用BIM工具的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)以前工廠設(shè)計(jì)的豐富經(jīng)驗(yàn)使自己的工作流程更加明確，及知道如何通過(guò)合適的方式完成設(shè)計(jì)。在該項(xiàng)目中，他們拓寬了BIM 工具在各個(gè)工廠設(shè)計(jì)階段的早期潛能，其中包含了該項(xiàng)目獨(dú)有的具體和復(fù)雜的要求。

2.1.1 項(xiàng)目背景

通用汽車公司正在著手計(jì)劃增建一個(gè)用來(lái)生產(chǎn)全尺寸SUV 和卡車的六速后輪驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速器的新的工廠。該項(xiàng)目位于美國(guó)俄亥俄州托萊多亞歷克西大道1455 號(hào)，場(chǎng)地的初步規(guī)劃設(shè)計(jì)已經(jīng)由通用汽車旗下全球設(shè)施集團(tuán)完成，并提供了相關(guān)的設(shè)計(jì)文件。該項(xiàng)目涉及到475 000 平方英尺的新建筑和275 000 平方英尺設(shè)施改造，目標(biāo)是提供一個(gè)全功能的新的設(shè)計(jì)/建造設(shè)施及整修現(xiàn)有的工廠設(shè)施。

GHAFARI Associates LLC 公司被選擇全程負(fù)責(zé)此工程項(xiàng)目，領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)/建造團(tuán)隊(duì)，提供工程設(shè)計(jì)和施工服務(wù)，包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、工程、調(diào)度、監(jiān)督、協(xié)調(diào)合同、勞動(dòng)、工廠設(shè)備的供應(yīng)/安裝、材料、清理、調(diào)試、檢驗(yàn)和測(cè)試、GM 員工培訓(xùn)以及設(shè)施啟動(dòng)。該項(xiàng)目是由一個(gè)由多家公司的建筑師、工程師、承包商、制造商、設(shè)備商等組成的大型的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)和建造。在這個(gè)項(xiàng)目中最具挑戰(zhàn)性的部分是，項(xiàng)目的施工工地上同時(shí)有其他施工活動(dòng)的發(fā)生，以及在新的廠房及舊設(shè)施裝修工程中業(yè)主方通用汽車公司正常的運(yùn)營(yíng)活動(dòng)的開(kāi)展。這意味著在該項(xiàng)目過(guò)程中需要業(yè)主和建筑承包商進(jìn)行事前及事中進(jìn)行充分的協(xié)調(diào)和合作。項(xiàng)目具體信息如表5 所示。

表5 美國(guó)通用汽車公司俄亥俄州托萊多變速器廠擴(kuò)建工程概況

2.1.2 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

在這個(gè)項(xiàng)目中GHAFARI 公司擔(dān)任建筑師/工程師的角色，以及負(fù)責(zé)三維模型集成工作，這是因?yàn)樗麄冊(cè)谕ㄓ闷嚬疽酝牧鶄€(gè)項(xiàng)目中領(lǐng)導(dǎo)了三維設(shè)計(jì)建造方法以及相關(guān)技術(shù)的實(shí)施和部署。本項(xiàng)目需要項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的各參與方，包括GHAFARI的工程團(tuán)隊(duì)，通用汽車公司的工程師，以及非GHAFARI 團(tuán)隊(duì)(總承包商、分包商及制造商)，聯(lián)合努力進(jìn)行高度的協(xié)作。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)主要使用Bentley BIM綜合解決方案，與AutoCAD 的2D 繪圖文件和ProjectWise 協(xié)作服務(wù)器按照設(shè)計(jì)及建造進(jìn)度每日進(jìn)行通信，以此在建筑、結(jié)構(gòu)及主要設(shè)施系統(tǒng)模型之間充分協(xié)調(diào)，消除施工前的設(shè)計(jì)沖突，并產(chǎn)生高度協(xié)調(diào)的施工文件、建筑、結(jié)構(gòu)和MEP 系統(tǒng)安裝圖紙。

和其他類型的項(xiàng)目相比，工廠類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)有顯著的不同點(diǎn)，因?yàn)樗袃蓚€(gè)平行的流程-產(chǎn)品和工藝規(guī)劃和工廠規(guī)劃過(guò)程。工廠項(xiàng)目的生命周期由五個(gè)階段組成，包括場(chǎng)地規(guī)劃階段-廠房及基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)階段-施工階段-安裝生產(chǎn)設(shè)備階段-開(kāi)始生產(chǎn)階段，如圖19 所示。項(xiàng)目設(shè)計(jì)/建造團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用Bentley 的工廠綜合解決方案，來(lái)全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的愿景:在工廠設(shè)施的全生命周期中聯(lián)合協(xié)調(diào)規(guī)劃師、設(shè)計(jì)師、建筑師、工程師、承包商、分包商和業(yè)主/運(yùn)營(yíng)商。要確保每個(gè)人總是有準(zhǔn)確的信息，以便他們作出最好的決定，無(wú)論他們所處的位置，時(shí)區(qū)或相關(guān)設(shè)計(jì)或建造類別。所有設(shè)計(jì)建造的智慧資源都統(tǒng)一在一個(gè)可訪問(wèn)的形式下，工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)成為一個(gè)中心的，企業(yè)級(jí)的信息資源平臺(tái)，而不是為單一事件所驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)工具。

圖19 美國(guó)通用汽車公司俄亥俄州托萊多變速器廠擴(kuò)建工程全周期工作流程

圖20 現(xiàn)有建筑設(shè)施激光掃描點(diǎn)陣

一個(gè)由數(shù)字模型、方法及應(yīng)用構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)被用來(lái)集成工廠生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計(jì)以及制造工藝本身，亦即所謂的新興“數(shù)字化工廠”的定義。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，GHAFARI 把所有的信息都引入集成到Bentley 的工廠BIM 綜合解決方案，這已成為事實(shí)上的大多數(shù)汽車制造商的標(biāo)準(zhǔn)。他們輸入的信息包括:所有可用的竣工資料，完整的工廠信息，最后規(guī)劃階段的信息，制造業(yè)務(wù)運(yùn)行信息，等等。所有這些信息都是由通用汽車公司旗下的全球設(shè)施部根據(jù)他們保存好的工廠信息檔案中提供的。當(dāng)前的“數(shù)字化工廠”的概念側(cè)重于綜合規(guī)劃的過(guò)程，縮短了這些步驟之間及不同的規(guī)劃小組之間的延誤。它提供了專門的工具，使準(zhǔn)確和最新的信息在最初的規(guī)劃階段，到項(xiàng)目建造運(yùn)營(yíng)階段，都能夠在項(xiàng)目組成員之間傳播共享。

2.2 BIM 應(yīng)用過(guò)程

2.2.1 前期設(shè)計(jì)階段

·激光掃描

項(xiàng)目組在開(kāi)始工程的時(shí)候就考慮到在現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的條件下盡量減少施工活動(dòng)對(duì)工廠運(yùn)行的影響。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用激光掃描的方法確定現(xiàn)有建筑情況，以此來(lái)確保工廠的所有正常功能在實(shí)地測(cè)量，建筑拆除，清理，和建造的過(guò)程中得以保持，同時(shí)也符合激光掃描安全性和危險(xiǎn)性評(píng)估的指導(dǎo)原則。項(xiàng)目的總面積是750000 平方英尺，其中150000 平方英尺的現(xiàn)有建筑和設(shè)備都通過(guò)激光掃描技術(shù)捕捉下來(lái)用來(lái)三維建模使用。通過(guò)使用激光掃描，工程師可以獲取設(shè)備的尺寸，設(shè)施的位置，及它空間數(shù)據(jù)的可視化的測(cè)量。

針對(duì)該項(xiàng)目的實(shí)地測(cè)繪，通用汽車公司指定了由Leica Gesosystems 生產(chǎn)的CYRA HDS -3000激光系統(tǒng)作為唯一使用的激光掃描工具。一旦測(cè)量員定位了所定義的范圍之內(nèi)的設(shè)備和控制點(diǎn)的位置，掃描儀即使用可以識(shí)別控制點(diǎn)對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的高密度掃描。Leica 測(cè)量系統(tǒng)支持云陣的中性文件格式(COE)，這種文件格式能夠?qū)牒蛯?dǎo)出到MicroStation 和AutoCAD中。在該項(xiàng)目中，Ghafari Associates 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用Bentley -CloudWorx 軟件進(jìn)行三維建模來(lái)匹配通過(guò)激光掃描得到的點(diǎn)陣。而且他們也可以很輕松把掃描得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到的MicroStatio 里面來(lái)創(chuàng)建精確的竣工模型和檢查現(xiàn)有的建筑設(shè)施和設(shè)計(jì)的新的建筑，以及比較施工進(jìn)度。這種三維模型在檢查和查找現(xiàn)有數(shù)據(jù)之間的偏差和干擾給項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)帶了更高的效率。

2.2.2 設(shè)計(jì)階段

·文件交互的格式標(biāo)準(zhǔn)

通用汽車全球設(shè)施部已經(jīng)為所有的通用汽車公司相關(guān)業(yè)務(wù)建立了自己的圖形標(biāo)準(zhǔn)，基于這些嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和指定的文件格式，所有電子文檔可以無(wú)需任何轉(zhuǎn)換的在各個(gè)部門之間高效的傳輸。因此，GHAFARI 在進(jìn)行從二維圖紙?zhí)崛⌒畔⑦M(jìn)行建模時(shí)，也嚴(yán)格遵循了WFG 的文件標(biāo)準(zhǔn)，如表6 所示。

表6 美國(guó)通用汽車公司全球設(shè)施管理部(WFG)文件標(biāo)準(zhǔn)

·網(wǎng)格定位

每一個(gè)新建的和現(xiàn)有的WFG 管理的通用汽車公司設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格定位文件都可以從WFG 地區(qū)工程部門得到。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格定位文件是基于一個(gè)10＇x10＇的網(wǎng)格系統(tǒng)，將被插入到所有的主體圖紙中。在WFG 的自有工具包中，包含一個(gè)AutoCAD 的工具，成為“網(wǎng)格生成器”，可以自動(dòng)創(chuàng)建符合所有WFG 圖形標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格定位文件。目前約75%的工程數(shù)據(jù)被創(chuàng)建為MicroStation 的DGN 文件或Auto-CAD 的DWG 文件。通用汽車公司W(wǎng)FG 部門決定使用MicroStation 作為公司的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用能夠程序，因?yàn)镸icroStation 可以兼容AutoCAD 的DWG 文件，以此有足夠的能力讀寫兩種文件格式，可以使設(shè)計(jì)人員方便的訪問(wèn)已經(jīng)存在的圖紙數(shù)據(jù)，作為下一步設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。此外，基于MicroStation 使項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從一個(gè)單一的工作主圖模式，使來(lái)自不同部門的團(tuán)隊(duì)成員——土木工程，建筑，結(jié)構(gòu)，管道系統(tǒng)和暖通空調(diào)——可以看到他們相對(duì)于整體的個(gè)人貢獻(xiàn)，因此，更容易識(shí)別出設(shè)計(jì)缺陷。見(jiàn)圖21。

圖21 典型的網(wǎng)格定位文件

圖22 基于網(wǎng)絡(luò)的ProjectWise 項(xiàng)目協(xié)作平臺(tái)

·設(shè)計(jì)工程中的協(xié)調(diào)

在這個(gè)項(xiàng)目中，GHAFARI 主要擔(dān)任主持協(xié)調(diào)各個(gè)部門的角色，在整個(gè)過(guò)程中綜合審查多個(gè)設(shè)計(jì)部門生產(chǎn)的模型，而這些協(xié)調(diào)會(huì)議在三維模型最后的產(chǎn)生中發(fā)揮了重要的作用。項(xiàng)目協(xié)調(diào)會(huì)議以每周1-2 小時(shí)例會(huì)的形式召開(kāi)，審查設(shè)計(jì)文件，工程文件，模型文件，表文件，規(guī)范要求，以及適用于項(xiàng)目的任何其他信息，其中所有的數(shù)據(jù)都必須與Navisworks 軟件兼容，以便進(jìn)一步利用沖突檢測(cè)。最重要的是，他們往往設(shè)置了視頻電話會(huì)議，這樣業(yè)主/承包商/加工商/等等都可以參與到項(xiàng)目的決策過(guò)程中來(lái)。

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作流程更加有效的通信，ProjectWise，一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的工程項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)協(xié)作系統(tǒng)應(yīng)用于該項(xiàng)目。所有項(xiàng)目的信息被放在ProjectWise平臺(tái)上，從而使所有的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員，包括那些在遠(yuǎn)程辦公室的工作人員可以在項(xiàng)目協(xié)調(diào)會(huì)議時(shí)訪問(wèn)到最新版本的可用的項(xiàng)目圖紙和文件。此外，它還允許支持多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件格式，包括DGN，DWG，PDF，JPEG，TIFF，以及IGES，STEP，3DS 等格式文件，并且可以自動(dòng)生成2D 或3D 的數(shù)字施工圖紙，在建筑承包商和異地預(yù)制工廠之間傳輸，不僅可以加快審批過(guò)程，也可以在施工現(xiàn)場(chǎng)更準(zhǔn)確的理解設(shè)計(jì)圖紙。ProjectWise 平臺(tái)還允許所有的項(xiàng)目參與者通過(guò)數(shù)字模型視圖，幻燈片，圖紙等形式共享及發(fā)布服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，使得這一過(guò)程更加實(shí)時(shí)高效。

2.2.3 預(yù)建造階段

·4D 建造調(diào)度

通過(guò)精益施工方法，通用汽車公司全面收緊整個(gè)建造過(guò)程的時(shí)間表，它允許設(shè)計(jì)/施工隊(duì)伍識(shí)別并消除項(xiàng)目過(guò)程中不必要的步驟，并允許各團(tuán)隊(duì)合并步驟和簡(jiǎn)化程序。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)和施工團(tuán)隊(duì)采用Vico Software Control 軟件來(lái)實(shí)行是一個(gè)基于位置的施工管理制度。在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的3D BIM 主模型中的每一個(gè)建筑構(gòu)件都可以被轉(zhuǎn)譯成4D 建造調(diào)度信息。通過(guò)Vico Software Control，施工進(jìn)度規(guī)劃者可以在規(guī)劃初期就可以引入定位信息，工程量信息和生產(chǎn)效率信息，以此顯著壓縮施工規(guī)劃時(shí)間，從而制定出更加清晰，明確和可行的時(shí)間表。

BIM 4D 技術(shù)可以有助于模擬施工進(jìn)程，預(yù)見(jiàn)沖突和估算項(xiàng)目完成時(shí)間。因?yàn)镚HAFARI 在以前的項(xiàng)目中并沒(méi)有應(yīng)用BIM 4D 技術(shù)到施工管理或設(shè)備安裝協(xié)調(diào)階段，這也就是為什么他們需要花費(fèi)時(shí)間來(lái)設(shè)置好4D 技術(shù)的實(shí)施，因?yàn)檫@是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程?？傮w而言，在該項(xiàng)目中4D 技術(shù)等到了很好的應(yīng)用，因此也使的整個(gè)建造過(guò)程更快，更好，更便宜和更安全，是初始規(guī)劃的建造時(shí)間縮短了26%，節(jié)省了建設(shè)成本21%。

2.3 結(jié)論及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

2.3.1 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

該項(xiàng)目的最大的挑戰(zhàn)是在建造新建筑及翻修已有設(shè)施的同時(shí)保持工廠正常的操作和維護(hù)，這一進(jìn)程中應(yīng)許設(shè)計(jì)和建造團(tuán)隊(duì)便利的訪問(wèn)來(lái)自多種來(lái)源的信息，包括現(xiàn)有的文件，模型和已有設(shè)施有關(guān)的數(shù)據(jù)。業(yè)主方，通用汽車全球設(shè)施管理部深知如何預(yù)先設(shè)定該項(xiàng)目，并在支持高效的工作流程提供所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮適當(dāng)?shù)淖饔?。該?xiàng)目另外一個(gè)挑戰(zhàn)是現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的2D 圖紙?zhí)^(guò)抽象，其中只包含了有限的信息，結(jié)果導(dǎo)致了后期設(shè)計(jì)中大量的修改和返工。然而，設(shè)計(jì)/建造團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用激光掃描技術(shù)，更有效和準(zhǔn)確的收集了3D數(shù)據(jù)，這也為汽車工廠這種復(fù)雜的系統(tǒng)提供了一種有效的解決方案。隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，各個(gè)步驟之間的依賴關(guān)系通常需要團(tuán)隊(duì)成員訪問(wèn)先前或并行任務(wù)中的相關(guān)信息。但是，在實(shí)踐中分享這些信息卻是很難的。通過(guò)BIM 技術(shù)，基于主模型的3D 數(shù)字化進(jìn)程可以使整個(gè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)在線評(píng)論改進(jìn)整個(gè)項(xiàng)目的通信，從而最大限度地減少變更和返工。除了在3D 主模型的層次上工作，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也可以在多個(gè)級(jí)別上的查看設(shè)施的設(shè)計(jì)和從整體上分析單獨(dú)的組件。

2.3.2 結(jié)論

基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的3D 建模，可以使得工程師在一個(gè)虛擬的環(huán)境中建立一個(gè)汽車生產(chǎn)工廠，從而對(duì)施工前和施工中的設(shè)計(jì)建造活動(dòng)產(chǎn)生影響。隨著3D BIM 技術(shù)的實(shí)施，通用汽車的全新的設(shè)計(jì)和施工的口號(hào)是“從建筑物前進(jìn)到模型”——BIM 模型可以用于驗(yàn)證在現(xiàn)場(chǎng)安裝及施工。這種設(shè)計(jì)/建造團(tuán)隊(duì)通過(guò)激活所有參與的供應(yīng)商、承包商，安裝基于網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)和定期召開(kāi)審查會(huì)議，足以消除項(xiàng)目中的信息孤島，然后生成三維集成模型，該模型也能夠?qū)λ袇⑴c方的工作進(jìn)行存檔成功以及對(duì)未來(lái)的設(shè)施運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理做出貢獻(xiàn)。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目的展示，通過(guò)BIM 技術(shù)的應(yīng)用，建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程從項(xiàng)目的初始階段拓展到整個(gè)建筑的全生命周期中。

譯者注:

［1］文章所示觀點(diǎn)僅代表原著作者，與譯者及出版社無(wú)關(guān)。譯者對(duì)原文略有刪減，不承擔(dān)翻譯中的任何錯(cuò)誤、遺漏或表達(dá)不當(dāng)引起的責(zé)任。任何人士或企業(yè)需自行承擔(dān)使用翻譯內(nèi)容的風(fēng)險(xiǎn)。

［2］美國(guó)Leadership in Energy and Environmental Design(LEED)綠色建筑認(rèn)證，是美國(guó)綠色建筑委員會(huì)U.S Green Building Council 建立并推行的“綠色建筑評(píng)估體系”，LEED 主要為建筑及社區(qū)提供第三方的認(rèn)證。建筑或社區(qū)若在節(jié)能、節(jié)水、減少二氧化碳排放、提高室內(nèi)生活品建筑的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。材質(zhì)及節(jié)能方面有突出的性能，則有機(jī)會(huì)獲得LEED 認(rèn)證。

［3］通用汽車公司(GM)成立于1908 年9 月16 日，自從威廉·杜蘭特創(chuàng)建了美國(guó)通用汽車公司以來(lái)，通用汽車在全球生產(chǎn)和銷售包括雪佛蘭、別克、GMC、凱迪拉克、寶駿、霍頓、歐寶、沃克斯豪爾以及五菱等一系列品牌車型并提供服務(wù)。2014 年，通用汽車旗下多個(gè)品牌全系列車型暢銷于全球120 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，包括電動(dòng)車、微車、重型全尺寸卡車、緊湊型車及敞篷車。公司下屬的分部達(dá)二十多個(gè)，擁有員工202，000 名。分布在六大洲158 個(gè)工作地點(diǎn)，其產(chǎn)品銷售于全球120 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

［4］Bentley 公司是一家全球領(lǐng)先企業(yè)，致力于提供全面的可持續(xù)性基礎(chǔ)設(shè)施軟件解決方案。要改善我們的世界和生活質(zhì)量，建筑師、工程師、施工人員和業(yè)主運(yùn)營(yíng)商是必不可少的;該公司的使命就是提高他們的項(xiàng)目績(jī)效，以及他們所設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)的資產(chǎn)的性能。Bentley 通過(guò)幫助基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)充分利用信息技術(shù)、學(xué)習(xí)、最佳實(shí)踐和全球協(xié)作以及推動(dòng)專注于這項(xiàng)重要工作的職業(yè)人的發(fā)展，為基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)提供長(zhǎng)久支持。

［5］MicroStation 是國(guó)際上和AutoCAD 齊名的二維和三維CAD 設(shè)計(jì)軟件，第一個(gè)版本由Bentley 在1986 年開(kāi)發(fā)完成。其專用格式是DGN，并兼容AutoCAD 的DWG/DXF 等格式。MicroStation 是Bentley 工程軟件系統(tǒng)有限公司在建筑、土木工程、交通運(yùn)輸、加工工廠、離散制造業(yè)、政府部門、公用事業(yè)和電訊網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域解決方案的基礎(chǔ)平臺(tái)。ProjectWise 是一個(gè)工程項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)協(xié)作系統(tǒng)，用于幫助團(tuán)隊(duì)提高質(zhì)量、減少返工并確保項(xiàng)目按時(shí)完成。

［6］徠卡測(cè)量系統(tǒng)(Leica Geosystem)在測(cè)量解決方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面擁有近200 年的歷史，其產(chǎn)品和服務(wù)深受全球?qū)I(yè)人士信賴，能夠幫助用戶采集、分析和顯示空間信息。每天使用徠卡產(chǎn)品的用戶都充分信賴產(chǎn)品的獨(dú)立性，以及它們提供的高價(jià)值和出色的客戶支持。徠卡測(cè)量系統(tǒng)是一家全球性公司，總部位于瑞士Heerbrugg。公司在23 個(gè)國(guó)家擁有2400 多名員工，在全球120 多個(gè)國(guó)家擁有數(shù)百家合作伙伴，并通過(guò)他們?yōu)槿繑?shù)萬(wàn)名用戶提供支持。徠卡測(cè)量系統(tǒng)在瑞士證券交易市場(chǎng)掛牌上市。