BIM技術(shù)在建筑工程全過(guò)程中的應(yīng)用研究

王安圓,李 燃，康雅瓊

(安徽建筑大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,安徽 合肥 230601)

引言

隨著工業(yè)化、信息化的穩(wěn)步推進(jìn),人工智能在建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,從CAD到廣聯(lián)達(dá),再到BIM技術(shù),人工智能的每一次進(jìn)步都推動(dòng)著建筑業(yè)朝著信息化和智能化方向的革命。在西方國(guó)家,BIM技術(shù)的應(yīng)用要早于我國(guó)。早在2003年,美國(guó)就計(jì)劃逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)家級(jí) 3D-4D-BIM 技術(shù),在2007年之后,美國(guó)政府要求所有重要工程項(xiàng)目都要通過(guò) BIM 技術(shù)應(yīng)用。英國(guó)政府更是明確要求在2016年所有建筑企業(yè)必須達(dá)到3D-BIM 全面協(xié)同。在我國(guó),從2001-2006年,BIM技術(shù)才開(kāi)始在我國(guó)得到初步應(yīng)用,期間發(fā)展較為緩慢。到2015 年,住建部提出,需將BIM技術(shù)應(yīng)用于工程項(xiàng)目全壽命周期各階段,其目的是為項(xiàng)目全過(guò)程的方案優(yōu)化和科學(xué)決策提供更加科學(xué)的依據(jù),這就極大地加快了BIM 技術(shù)在項(xiàng)目各階段的應(yīng)用研究[1]。BIM以其三維立體技術(shù)為基礎(chǔ),并在此基礎(chǔ)上逐步增加了時(shí)間參數(shù)用以進(jìn)行施工進(jìn)度的模擬(4D),同時(shí)在考慮了造價(jià)等因素以后進(jìn)行進(jìn)度和造價(jià)的模擬(5D),并最終為項(xiàng)目提供更為深化的終身信息管理(6D)[2]。本文以建筑工程項(xiàng)目的實(shí)施順序?yàn)橹骶€,系統(tǒng)地收集了BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、招投標(biāo)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等四個(gè)主要階段的具體應(yīng)用,并對(duì)在壽命期末的拆除階段的應(yīng)用以及BIM技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行探討。

1 設(shè)計(jì)階段

CAD的出現(xiàn)和大面積的推廣使用,使建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的手繪時(shí)代進(jìn)入了人工智能的計(jì)算機(jī)輔助繪圖時(shí)代,這不得不說(shuō)是建筑行業(yè)的第一次信息化的革命性的進(jìn)步[3]。而B(niǎo)IM技術(shù)在CAD的基礎(chǔ)上,除了擁有繪制建筑模型的功能以外,更加強(qiáng)調(diào)了對(duì)建筑物施工、成本和投入使用期的管理,強(qiáng)調(diào)對(duì)其全壽命周期的綜合信息管理,這其中包括建筑物所處的環(huán)境、大氣氣候、甚至周邊的生態(tài)因素等等。在項(xiàng)目立項(xiàng)之前,必須進(jìn)行項(xiàng)目的可行性分析,這個(gè)階段,業(yè)主主要是通過(guò)對(duì)此技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)的技術(shù)和項(xiàng)目方案的分析和選擇[4]。傳統(tǒng)的可行性研究,業(yè)主需要借助圖紙,并需要借助專業(yè)人員進(jìn)行分析,這就帶來(lái)了費(fèi)用的增加以及工期上的消耗。業(yè)主可以利用BIM技術(shù)建立模型,模擬工程項(xiàng)目所在地的綜合性信息,在節(jié)省成本的同時(shí),也提高了分析結(jié)果的精度[5]。設(shè)計(jì)階段,BIM技術(shù)以其優(yōu)越的3D模擬技術(shù),在為設(shè)計(jì)者提供良好的視覺(jué)效果的同時(shí),幫助設(shè)計(jì)者更全面地理解建筑物,并且極大地提高了建筑、結(jié)構(gòu)、安裝、設(shè)備等各方設(shè)計(jì)人員的協(xié)調(diào)性,從而提高圖紙質(zhì)量的穩(wěn)定性[6]。對(duì)于項(xiàng)目前期工程量的計(jì)算,可以在設(shè)計(jì)階段建立的BIM模型上直接提取,不需要再單獨(dú)建立模型,并且可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與計(jì)量的同步,因此即保證了計(jì)量的連續(xù)性和高效性,同時(shí)大幅度節(jié)省了時(shí)間[7]。

2 招投標(biāo)階段

傳統(tǒng)的招投標(biāo)流程是在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完成以后,業(yè)主會(huì)發(fā)布招標(biāo)公告,施工企業(yè)根據(jù)招標(biāo)公告的要求進(jìn)行投標(biāo)。這個(gè)過(guò)程涉及到一個(gè)核心的內(nèi)容,即工程量的計(jì)算。傳統(tǒng)的造價(jià)行業(yè),一般通過(guò)借助諸如“廣聯(lián)達(dá)”“神機(jī)妙算”“一點(diǎn)智慧”等外部軟件,配合導(dǎo)入CAD圖紙,計(jì)算工程量,并形成清單。而對(duì)于BIM模型,因其具有通用性,因此對(duì)于設(shè)計(jì)、施工、造價(jià)等行業(yè)均可使用統(tǒng)一模型。張春影、高平通過(guò)采用實(shí)例驗(yàn)證、比較分析、歸類分析等方法證明,在設(shè)計(jì)人員將BIM模型進(jìn)一步深化到施工圖設(shè)計(jì)階段之后,再由造價(jià)人員直接利用BIM模型提取工程量,并以《房屋建筑與裝飾工程工程量計(jì)算規(guī)則》為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)量,可以精確、直接、快速地提取絕大多數(shù)分部分項(xiàng)工程量,并對(duì)設(shè)計(jì)變更的工程量進(jìn)行同步調(diào)整,并不再需要借助外部軟件。該算量模式在實(shí)際操作中具有更大的優(yōu)勢(shì)[8]。另外,在設(shè)計(jì)圖完成以后的招投標(biāo)階段,建設(shè)單位或招投標(biāo)代理機(jī)構(gòu)可以將導(dǎo)入了工程量清單的BIM模型直接發(fā)售給有投標(biāo)意向的施工企業(yè),在保證準(zhǔn)確性的同時(shí),提高了工作效率[9]。

3 施工階段

BIM在施工過(guò)程中的應(yīng)用,西方國(guó)家走在了我們的前面,以美國(guó)為例,其制定的BIM標(biāo)準(zhǔn)要求所有的政府投資項(xiàng)目必須推廣使用IFC標(biāo)準(zhǔn)和BIM標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上,我國(guó)的BIM研究開(kāi)始的并不算晚,但是由于我國(guó)的施工管理水平和模式,以及技術(shù)水平的原因,導(dǎo)致了BIM的推廣應(yīng)用比較緩慢。清華大學(xué)張建平教授通過(guò)對(duì)施工階段BIM應(yīng)用的技術(shù)、方法、標(biāo)準(zhǔn)和軟件進(jìn)行深入研究,結(jié)合我國(guó)施工管理特點(diǎn)和實(shí)際需求,提出工程施工BIM應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)流程和應(yīng)對(duì)措施,并將BIM與4D技術(shù)相結(jié)合,自主研發(fā)了建筑施工BIM建模系統(tǒng)和基于BIM的4D施工項(xiàng)目管理系列軟件[10]。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于BIM在施工階段的應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面:

3.1 工程量的計(jì)量

施工過(guò)程中,為了把控施工進(jìn)度,同時(shí)也為了進(jìn)度款的支付,必須對(duì)工程量進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握,人工核量耗時(shí)費(fèi)力,并且存在著極大的偶然因素,影響著計(jì)量結(jié)果。而B(niǎo)IM模型可以以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),快速進(jìn)行計(jì)量,并將設(shè)計(jì)變更能及時(shí)地顯現(xiàn)出來(lái)[11]。

3.2 基于BIM的3D圖紙展示

以2D圖紙為依據(jù),使用REVIT軟件繪制的BIM模型,其動(dòng)態(tài)展示功能使得圖紙具有極佳的可視性,無(wú)論是業(yè)主,還是施工方,均可快速、直觀、準(zhǔn)確地理解設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路。相較于2D施工圖紙,BIM模型的立體感可以避免施工過(guò)程中的“想當(dāng)然”,避免出現(xiàn)返工情況,提高施工效率和質(zhì)量。另一方面,施工人員可憑借豐富的施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)設(shè)計(jì)模型的可施工性進(jìn)行反饋,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。目前應(yīng)用較普遍的BIM建模有REVIT、Graphisoft ArchiCAD等。

3.3 三維碰撞檢測(cè)

BIM模型是集合了土建、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、管線、設(shè)備于一體的綜合信息模型,并可以對(duì)模型進(jìn)行全面的碰撞檢測(cè)和分析,其目的是為了提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤,并及時(shí)修改,最大限度地減少對(duì)施工造成的影響,降低設(shè)計(jì)變更。目前,我們常用Naviswork軟件做碰撞檢測(cè)。

3.4 基于BIM的4D施工模擬技術(shù)

BIM技術(shù)可以對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行全方位的模擬,包括施工機(jī)具的選擇、施工順序、施工進(jìn)度、人員的調(diào)配、材料的用量等等。在未開(kāi)始施工時(shí),就可以使施工方全面掌握項(xiàng)目施工重難點(diǎn),優(yōu)化施工方案,提高人、材、機(jī)的配置效率,減少損失和浪費(fèi)?？捎糜?D施工模擬的軟件較多,比如Autodesk Naviswork和Bentley Navigator,以及清華大學(xué)BIM研究中心開(kāi)發(fā)的基于BIM技術(shù)的4D動(dòng)態(tài)系統(tǒng)管理軟件。

3.5 基于BIM的項(xiàng)目管理

現(xiàn)階段采用的施工管理模式多以總——分包的模式,一個(gè)項(xiàng)目合理拆分成多段進(jìn)行發(fā)包,在縮短了工期的同時(shí),也帶來(lái)了管理任務(wù)繁重的問(wèn)題?，F(xiàn)階段,市場(chǎng)上并沒(méi)有出現(xiàn)專業(yè)化的BIM施工項(xiàng)目管理軟件,被應(yīng)用最廣泛的是清華大學(xué)研發(fā)的基于 BIM 的 4D 施工管理的系列軟件,該研究項(xiàng)目成果是將BIM與4D技術(shù)結(jié)合起來(lái),通過(guò)建立基于IFC的4D施工信息模型,使建筑物與其施工現(xiàn)場(chǎng)的3D模型與施工進(jìn)度進(jìn)行鏈接,與施工現(xiàn)場(chǎng)資源、安全質(zhì)量及場(chǎng)地布置等信息進(jìn)行集成。實(shí)現(xiàn)了基于 BIM技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的施工進(jìn)度、材料、人力、安全、設(shè)備、質(zhì)量、成本和場(chǎng)地布置的4D動(dòng)態(tài)集成管理以及施工過(guò)程的4D可視化模擬。

4 運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段

從建筑項(xiàng)目的全壽命周期的視角來(lái)看,其設(shè)計(jì)、施工等階段占據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度只是相當(dāng)少的一部分,而其將近70%的壽命期是處于運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段[12]。以一個(gè)使用壽命在50年以上的建筑物為例,其設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的費(fèi)用比達(dá)到了1∶9的比例[13],因此降低使用階段的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用對(duì)于建筑物全壽命周期的成本控制具有重大意義。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于BIM的應(yīng)用研究,主要還是集中在設(shè)計(jì)和施工階段,對(duì)于建筑物運(yùn)營(yíng)階段涉及不多,如何清華、錢(qián)麗麗等[14]。而同時(shí)期國(guó)外對(duì)于BIM在運(yùn)維階段的應(yīng)用研究相對(duì)豐富,如Kivits R A[15]、Becerik-Gerber B 和Karen K[16]等?？傮w上說(shuō),建筑物的日常運(yùn)營(yíng)和維護(hù),是一個(gè)統(tǒng)籌了人員、技術(shù)、設(shè)備和管理的綜合流程,其目的是為了在滿足用戶基本使用的前提下,追求舒適性和安全性[17]。歸根結(jié)底就是對(duì)信息的綜合管理,包括信息的采集、分析、處理效率。目前,運(yùn)維階段多采用自主經(jīng)營(yíng)、租賃經(jīng)營(yíng)、特許經(jīng)營(yíng)、委托經(jīng)營(yíng)四種管理模式。建筑物使用壽命期長(zhǎng)的特點(diǎn)導(dǎo)致產(chǎn)生了大量的管理文件,又因其跨度長(zhǎng),所以信息管理較為混亂。蔡可心對(duì)四所美國(guó)高校的BIM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比,但是發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有形成統(tǒng)一的BIM標(biāo)準(zhǔn)[18]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于BIM在運(yùn)維階段的應(yīng)用主要有以下幾方面:

4.1 基于BIM的建筑物的空間管理

傳統(tǒng)的2D圖紙不能直觀地展現(xiàn)出三維立體空間,以商業(yè)地產(chǎn)為例,裝修改建較為頻繁,給管理單位帶來(lái)極大困難,而B(niǎo)IM模型可以及時(shí)針對(duì)改建情況做出調(diào)整,這是紙質(zhì)記錄單不能比擬的優(yōu)勢(shì)。西方國(guó)家在長(zhǎng)期的實(shí)踐中形成了施工運(yùn)營(yíng)建筑信息交換(COBie[19])標(biāo)準(zhǔn),并有許多應(yīng)用成功的例子。

4.2 基于BIM的設(shè)備維護(hù)管理

保證設(shè)備的正常運(yùn)行是運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理的基本目標(biāo)。因此,對(duì)于設(shè)備基本參數(shù)、運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集和分析是運(yùn)維管理中必不可少的環(huán)節(jié)。以往的管理手段中,紙質(zhì)數(shù)據(jù)的管理和保存具有相當(dāng)大的局限性,同時(shí)人為因素導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率大大增加[20],并且對(duì)于故障設(shè)備的排查和處理很大程度上依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。

4.3 基于BIM的應(yīng)急安全管理

應(yīng)急安全管理,應(yīng)把握兩條思路。在突發(fā)事故發(fā)生之前,應(yīng)著眼于對(duì)建筑物的設(shè)施、外部環(huán)境以及可能發(fā)生突發(fā)事件的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控,通過(guò)各種傳感器的使用,也可以對(duì)建筑物內(nèi)人員流動(dòng)、集中程度、物品穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,及時(shí)對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。國(guó)外有學(xué)者探索過(guò)RFID(無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù))與BIM結(jié)合的途徑,如Li N和Becerik-Gerber B[21]。以往的事故減災(zāi)方式多為組織應(yīng)急演練,而B(niǎo)IM技術(shù)的運(yùn)維系統(tǒng)可以幫助業(yè)主主動(dòng)應(yīng)對(duì)突發(fā)事故[22],而Wang S 、Wang W和Wang K,以及朱慶、胡明遠(yuǎn)、許偉平等[23]的研究成果表明,可運(yùn)用3D模型模擬事故發(fā)生后的應(yīng)急演練,幫助規(guī)劃逃生路線,尋找施救途徑。

4.4 基于BIM的運(yùn)營(yíng)能耗管理

我國(guó)作為一個(gè)能源消費(fèi)大國(guó),存在著大量的能源浪費(fèi),而當(dāng)下并沒(méi)有完整的能源監(jiān)控體系,對(duì)于能源使用的監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、處理依然大量地依靠人力,不能做到科學(xué)規(guī)劃和統(tǒng)一協(xié)調(diào)。BIM在能耗方面的應(yīng)用取得了一定的成果,但在更大型項(xiàng)目上應(yīng)用還有一定距離。張赟[24]及Clarke J A、 Johnstone C M、Kelly N J[25]通過(guò)對(duì)能源消耗和能源效率的研究,提出了提高能源利用效率的需求和實(shí)施方案,為能耗管理提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

5 拆除階段

作為建筑物全壽命周期的最后一個(gè)階段,目前國(guó)內(nèi)對(duì)拆除階段的研究涉及很少,當(dāng)下造價(jià)行業(yè)并沒(méi)有一套完整的拆除定額,也沒(méi)有相對(duì)成熟的拆除方案。因此,我們可以做出這方面的探討。以民用建筑為例,在其70年的壽命期末,其設(shè)計(jì)圖紙,使用過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資料、房屋、管線的改建情況錯(cuò)綜復(fù)雜,紙質(zhì)資料面臨著丟失的風(fēng)險(xiǎn),為拆除工作帶來(lái)極大麻煩。現(xiàn)在的拆除方式以定向爆破居多,簡(jiǎn)單粗放,產(chǎn)生的建筑垃圾多采用“一鍋粥”的處理方式,極易產(chǎn)生環(huán)境污染。在拆除階段引入BIM技術(shù),首先確保了整個(gè)壽命期數(shù)據(jù)資料的完整性,對(duì)于改、擴(kuò)建情況了如指掌;在拆除前,對(duì)于拆除工程量有較精確的計(jì)算,有利于合理安排人員、機(jī)械設(shè)備需求量,優(yōu)化施工進(jìn)度,并可根據(jù)模型及現(xiàn)場(chǎng)周邊情況,合理選擇施工機(jī)具;利用BIM技術(shù)的3D模擬技術(shù)可模擬拆除順序,對(duì)存在較大風(fēng)險(xiǎn)的拆除部位進(jìn)行反復(fù)模擬,規(guī)避拆除風(fēng)險(xiǎn);在建立BIM模型時(shí),會(huì)清楚地反映出各構(gòu)件使用的材質(zhì),因而在拆除階段可根據(jù)不同材質(zhì),對(duì)建筑垃圾進(jìn)行分類處理,提高回收率,減小污染。

6 總結(jié)

綜合BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看,目前BIM的應(yīng)用在設(shè)計(jì)階段和施工階段相對(duì)較為成熟。對(duì)于運(yùn)維階段的應(yīng)用,正在逐步深入,而在最后的拆除階段,沒(méi)有過(guò)多研究。同時(shí)BIM的應(yīng)用多偏重于技術(shù),輕于管理。因此,BIM技術(shù)的應(yīng)用研究,應(yīng)著眼于技術(shù)和管理相結(jié)合,統(tǒng)籌全壽命周期的各個(gè)階段,并將項(xiàng)目各參與方納入到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)中,建立起完整的項(xiàng)目綜合數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)注重BIM技術(shù)相關(guān)軟件的交互使用及與建筑行業(yè)其他軟件的互聯(lián)互通。從應(yīng)用前景來(lái)看,人工智能的進(jìn)步必然會(huì)促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高,然而B(niǎo)IM的應(yīng)用與推廣卻面臨著許多困境,比如缺乏大量的專業(yè)技術(shù)人才、業(yè)主及施工單位主動(dòng)應(yīng)用BIM的積極性不高等。因此,我們需建立產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的人才培養(yǎng)模式,以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向,并通過(guò)法律法規(guī)等強(qiáng)制手段,幫助BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用。另外,在我國(guó)工業(yè)化和信息化的大背景下,結(jié)合現(xiàn)階段建筑業(yè)綠色化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì),可以優(yōu)化現(xiàn)有軟件操作,降低技術(shù)門(mén)檻,開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)使用的相關(guān)配套軟件。