BIM在中德生態(tài)園區(qū)建筑精細化管理中的應(yīng)用

趙靈敏 桑運濤 李 磊 郭述超 / ZHAO Lingmin, SANG Yuntao, LI Lei, GUO Shuchao

ANWENDUNG VON BIM BEI DER VERFEINERTEN BAUVERWALTUNG IM DEUTSCH-CHINESISCHEN ?KOPARK

THE APPLICATION OF CONSTRUCTION DELICACY MANAGEMENT BASED ON BIM IN SINO-GERMAN ECOPARK PROJECT

1 概述

青島中德生態(tài)園（Sino-German Ecopark）是由中德兩國政府共同打造的具有可持續(xù)發(fā)展示范意義的生態(tài)園區(qū)，園區(qū)規(guī)劃面積11.6km2，拓展區(qū)面積29.0km2，遠期規(guī)劃面積66.0km2。

青島中德生態(tài)園的被動房技術(shù)中心項目是亞洲體量最大、功能最復(fù)雜的單體被動式建筑，通過了德國被動房研究所（Passive house Institute，PHI）的權(quán)威認證，具有非線性建筑、異形雙曲面幕墻、異形板梁施工、復(fù)雜的管網(wǎng)體系等特點。

漢德創(chuàng)意設(shè)計基地項目是青島市示范項目，使用低碳裝配式建筑技術(shù)，尊重原有地貌，打造了錯落有致的獨特景觀，充分體現(xiàn)了生態(tài)園的“雙100%原則”（100% 推行綠色施工、綠色建筑，100% 發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)）。為滿足使用要求，降低建設(shè)過程中的各種風(fēng)險，同時為后期運維提供技術(shù)保障，建設(shè)單位采用BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)輔助全過程的建設(shè)管理。項目前期建立了BIM應(yīng)用組織體系，全程輔助決策，并在重大設(shè)計方案、設(shè)計優(yōu)化方面，針對使用功能的科學(xué)性和合理性進行可視化論證。同時，利用BIM技術(shù)的可模擬性，在施工準備與施工階段，針對場地布置、各項施工模擬等方面進行多角度、全方位的方案論證，從而節(jié)約工期，避免各類返工造成的浪費。

2 BIM技術(shù)在建筑精細化管理的中的應(yīng)用

2.1 科學(xué)決策

BIM模型具有可視化的特點，可以讓各級管理者直觀地看到方案的優(yōu)缺點，從而做出評判及決策。運用VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）技術(shù)和模擬分析技術(shù)，對項目各階段做出定性、定量、可視化的分析，可以規(guī)避決策失誤，縮短決策時間，提高決策效率，使決策有據(jù)可依、更為科學(xué)。

漢德創(chuàng)意設(shè)計基地項目地形復(fù)雜，在規(guī)劃建筑布局時，針對5#、6#樓的位置和朝向的布置出現(xiàn)了分歧，業(yè)主難以抉擇。利用BIM技術(shù)將不同的布局形式呈現(xiàn)在業(yè)主面前，便于分析建筑單體與園區(qū)總體規(guī)劃之間的關(guān)系，提高了決策的效率和正確率（圖1、2）。

傳統(tǒng)的二維圖紙無法直觀地呈現(xiàn)建筑與地形的關(guān)系，往往與設(shè)計者意圖存在差異，不能很好地呈現(xiàn)設(shè)計意圖。BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精細化模型搭建，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案存在的問題；實現(xiàn)信息的三維溝通，消除設(shè)計方與業(yè)主的溝通障礙；輔助進行高效的設(shè)計修改，從而快速實現(xiàn)設(shè)計意圖。

例如，針對漢德創(chuàng)意設(shè)計基地項目6#樓，業(yè)主希望結(jié)合園區(qū)地形打造一棟覆土建筑。根據(jù)設(shè)計單位提供的圖紙建立BIM模型并將之載入場地模型（根據(jù)實際勘測數(shù)據(jù)創(chuàng)建而成），發(fā)現(xiàn)最初的設(shè)計方案并沒有真正做到結(jié)合園區(qū)地形。通過對BIM模型進行多輪推敲，最終的方案實現(xiàn)了業(yè)主要求，同時解決了大量土石方施工作業(yè)問題，降低了成本，縮短了工期（圖3、4）。

圖1 建筑方案與周邊環(huán)境

圖2 不同建筑方案與環(huán)境的協(xié)調(diào)對比

圖3 虛擬現(xiàn)實分析建筑單體與豎向關(guān)系

圖4 實際地形中的方案分析

2.2 圖紙審核

在設(shè)計階段利用BIM模型進行可視化設(shè)計管理與審查，可優(yōu)化設(shè)計方案。目前，參建各方已經(jīng)認識到，未采用BIM技術(shù)的項目往往存在大量設(shè)計問題，如使用功能的問題、專業(yè)交叉的問題以及單專業(yè)本身的問題。

在進行圖紙會審的同時，可利用BIM技術(shù)建立三維模型，對設(shè)計細節(jié)進行詳細分析，從而提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計自身的問題及與其他專業(yè)設(shè)計方案之間的沖突，及時反饋給設(shè)計方與建設(shè)單位，提高解決問題的時效性。由于三維模型具有可視化的特點，設(shè)計單位得以更快、更好地理解建設(shè)意圖，優(yōu)化圖紙。設(shè)計院的每一版本施工圖都配有BIM模型，方便進行設(shè)計交底。經(jīng)過幾輪檢查優(yōu)化，設(shè)計問題都在施工之前得到了解決，大大減少了施工過程中的設(shè)計變更，為項目順利實施提供了良好條件。漢德創(chuàng)意設(shè)計基地項目利用BIM模型發(fā)現(xiàn)并解決圖紙問題近百處，從而最大限度避免了后期施工中的返工拆改。被動房技術(shù)中心項目的整個設(shè)計過程中，不斷調(diào)整模型，發(fā)現(xiàn)了300多處設(shè)計問題，極大地提高了設(shè)計的質(zhì)量，為精品工程施工創(chuàng)造了良好的條件。

2.3 深化設(shè)計

深化設(shè)計是在原設(shè)計基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對各專業(yè)（設(shè)備管線、幕墻、鋼結(jié)構(gòu)、精裝修等）圖紙進行完善補充，繪制具有可實施性的施工圖紙的過程。

幕墻、鋼結(jié)構(gòu)、精裝修等系統(tǒng)存在大量異形結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)設(shè)計方式難以較好地完成深化設(shè)計，因此，土建建模、市政管網(wǎng)深化及精裝修設(shè)計深化應(yīng)采用Revit軟件，建筑內(nèi)機電深化應(yīng)采用Revit MEP軟件，幕墻深化應(yīng)采用Rhino軟件，從而完成全專業(yè)BIM模型建立及設(shè)計深化，同時可確保數(shù)據(jù)的交互利用。

2.3.1 市政管網(wǎng)

中德生態(tài)園區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，若采用傳統(tǒng)設(shè)計方式，極易造成市政管線與地形、建筑結(jié)構(gòu)的多處碰撞。因此，設(shè)計針對市政道路及管線建立BIM模型，從而實現(xiàn)以下目標：（1）分析市政道路管線與地形之間的關(guān)系，合理進行土石方平衡；（2）分析市政管線與單體建筑之間的關(guān)系，做好建筑單體管線與市政管線的對接；（3）利用市政道路及管線模型復(fù)核管道標高，分析管線與道路之間的關(guān)系（圖5、6）。

2.3.2 設(shè)備安裝

土建、機電等專業(yè)間經(jīng)常出現(xiàn)碰撞問題，全專業(yè)建模便于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中出現(xiàn)的碰撞錯誤。通過深化設(shè)計可以實現(xiàn)以下目標：（1）減少管線沖突造成的返工，最大限度提高建筑的凈空；（2）保證各專業(yè)的有序施工，協(xié)調(diào)各專業(yè)間的施工沖突；（3）精確定位預(yù)留洞口，減少對梁板柱的影響，避免二次施工，從而合理布控、節(jié)約成本（圖7、8）。此外，借助BIM模型與施工技術(shù)人員進行交流，不但具有查看靈活的特點，還可完成剖切CAD圖紙等工作（張濤 等，2014）。

設(shè)備機房內(nèi)管線復(fù)雜，主管直徑較大，在空間狹小、設(shè)備繁多的情況下，管道排布難度較高。在深化過程中，不但要考慮管線的施工空間，還要兼顧施工工序及機房完工后的整體效果。本項目運用BIM技術(shù)對機房內(nèi)的管線排布進行模擬，并與設(shè)計人員、專業(yè)技術(shù)人員進行協(xié)調(diào)溝通，最終確定方案（劉利莎 等，2017）。依據(jù)此前制定的排布原則，利用BIM技術(shù)，進行設(shè)備管線綜合排布，確定凈高，精確安排穿墻預(yù)留洞的位置，指導(dǎo)機電安裝施工，從而提高施工效率，減少不必要的返工，降低施工成本。制冷機房的深化效果如圖9所示。

被動房技術(shù)中心項目完成了700余項設(shè)計優(yōu)化，具體包括以下6類設(shè)計優(yōu)化支持：管線排布碰撞（175項）；管線排布安全要求（40余項）；管線安裝和檢修要求（238項）；管線排布空間考慮（162項）；管線安裝經(jīng)濟性考慮（80余項）；管線安裝美觀考慮（70余項）。

2.3.3 幕墻工程

漢德創(chuàng)意設(shè)計基地項目幕墻工程中存在較多異形結(jié)構(gòu)，BIM技術(shù)在解決復(fù)雜形體的過程中發(fā)揮了巨大的作用。采用Rhino軟件建立參數(shù)化三維模型并進行分析深化，模型的精度完全可以滿足施工要求，尤其是在雙曲面區(qū)域的定位安裝、科學(xué)施工、節(jié)約成本方面效果顯著（張濤 等，2014）。在異形幕墻及復(fù)雜節(jié)點的深化中，參數(shù)化的三維模型為在建單體建筑解決了技術(shù)難題。

本項目中幕墻專業(yè)與其他專業(yè)關(guān)系密切。采用BIM技術(shù)，通過Catia操作平臺，可以實現(xiàn)以下目標：（1）檢查結(jié)構(gòu)尺寸及預(yù)埋件位置，防止幕墻安裝與土建、鋼結(jié)構(gòu)的碰撞；（2）確定模型尺寸，控制并優(yōu)化板材類型，確定規(guī)格、區(qū)域材質(zhì)等；（3）整理編號及對應(yīng)的加工圖紙（圖10），提取信息內(nèi)容，整理出量加工表格（張濤 等，2014），避免手工制表，提高工作效率。

2.3.4 異形墻體

漢德創(chuàng)意設(shè)計基地項目中存在異形墻體，利用Revit軟件確定其模板制作及搭設(shè)制作方案。BIM模型充分發(fā)揮了其三維可視化及可出圖的優(yōu)勢，指導(dǎo)異形墻體模板搭設(shè)并精確定位，縮減了現(xiàn)場模板制作的周期，同時實現(xiàn)了設(shè)計效果。

2.3.5 裝飾專業(yè)

裝飾專業(yè)在BIM體系中是一個重要的“收口”，有別于傳統(tǒng)的單純展示的需求，精裝模型的搭建需要在全專業(yè)模型的基礎(chǔ)上進行（張濤 等，2014），如建立三維效果，確定地面、天花板及墻面的做法、顏色和布局等。通過渲染功能獲得可預(yù)測的、照片級的渲染效果，建成的模型和施工完成后的效果基本一致。

此外，可通過三維模型在虛擬環(huán)境中尋找設(shè)計的碰撞沖突，準確、全面地檢查錯誤及遺漏的問題，例如機電專業(yè)與天花板龍骨吊桿的碰撞等。為保證裝飾施工的順利進行，須解決此前各專業(yè)之間及裝飾施工之間兩種碰撞問題。由于工程量計算是基于BIM模型進行的，因此對模型的深度提出較高要求。項目使用Revit軟件進行裝飾參數(shù)化設(shè)計、虛擬展示等一體化設(shè)計，從而提高了裝修階段深化設(shè)計的效率，在繪制模型的同時還能生成詳細的表格、剖面施工圖等。被動房技術(shù)中心項目采用BIM技術(shù)，效果非常明顯，施工前就解決了大量的錯誤，提高了施工效率，同時優(yōu)化管理流程，實現(xiàn)了項目的精細化管理（王嶼川 等，2016）。

圖5 市政管網(wǎng)與道路標高分析

圖6 市政管網(wǎng)與單體建筑對接分析

圖7 設(shè)備管線綜合及預(yù)留孔洞準確定位

圖8 管線排布模擬及施工完成情況

圖9 設(shè)備機房設(shè)備及管線綜合排布

2.4 工程量統(tǒng)計

傳統(tǒng)工程量計算是根據(jù)二維圖紙進行手工統(tǒng)計，這種計算方式不僅效率低下、準確性較低，而且很難清晰地表達復(fù)雜節(jié)點的信息，利用BIM技術(shù)，可以在較短時間內(nèi)準確地生成復(fù)雜建筑物的工程量清單。

采用BIM技術(shù)，可在三維模型的基礎(chǔ)上進行拆分及分類，根據(jù)建筑工程特點，由專業(yè)技術(shù)人員按樓層、專業(yè)進行拆分，拆分成滿足工程量計算要求的構(gòu)件，完成模型構(gòu)件與工程量計算分類的對應(yīng)關(guān)系。然后根據(jù)模型分專業(yè)、分部位進行工程量統(tǒng)計，為項目設(shè)計概算及施工過程中投資控制提供了重要的參考指導(dǎo)。

漢德創(chuàng)意設(shè)計基地項目1#樓的屋面為不規(guī)則多面體的造型，傳統(tǒng)圖紙無法準確表達龍骨的位置及各龍骨的尺寸，使得鈦鋅板龍骨的安裝定位遇到了極大的困難。通過BIM模型對1#樓鈦鋅板的每根龍骨做出精確定位，并標注其尺寸（圖11、12），同時，利用BIM模型算量，配合審計完成1#樓鈦鋅板面積統(tǒng)計，指導(dǎo)現(xiàn)場下料加工，減少了材料浪費，更節(jié)省了寶貴的工期?？梢姡瑢τ趶?fù)雜建筑及構(gòu)件，BIM技術(shù)在工程量統(tǒng)計過程中發(fā)揮了巨大的作用。

項目利用BIM模型進行深化設(shè)計，取得了良好的成果。利用可視化設(shè)計管理與審查，優(yōu)化方案及施工圖紙近百處，輔助現(xiàn)場專業(yè)深化出圖50余份。通過設(shè)計優(yōu)化、深化及指導(dǎo)現(xiàn)場施工，節(jié)約投資百余萬元，節(jié)省工期30余天，取得了較為可觀的經(jīng)濟效益。

圖11 鈦鋅板模型及定位尺寸

圖12 基于BIM模型的龍骨出圖及現(xiàn)場圖片

2.5 運維管理

項目運維管理階段歷時較長，能耗管理和設(shè)備運營維護貫穿整個過程。利用BIM提供的精細模型作為載體，將零碎分散的信息數(shù)據(jù)及運維階段所需的機電設(shè)備信息進行整合，實現(xiàn)了運維階段的精細化管理。

得益于BIM技術(shù)的應(yīng)用，被動房技術(shù)中心將西門子Desigo CC全集成智能樓宇管理平臺、ECO冷熱源節(jié)能控制系統(tǒng)、TRA整體房間智能控制等系統(tǒng)軟件整合為一體，實現(xiàn)了智能化節(jié)能管理、物業(yè)管理、機電設(shè)備管理、對外展示等系統(tǒng)的管理需求，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)可在同一BIM平臺中實現(xiàn)信息集成應(yīng)用。

以能耗管理為例，不斷完善BIM竣工模型，增加與建筑能耗控制有關(guān)的信息數(shù)據(jù)及能耗管理規(guī)則等。首先，對運營階段的能耗管理進行初始化調(diào)整，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，實時采集能源及設(shè)備等的動態(tài)數(shù)據(jù)信息。本項目中，被動房設(shè)置冷熱量計量點29個、用電計量點101個、水位計量點9個，基于歷史數(shù)據(jù)信息和設(shè)備參數(shù)制定節(jié)能控制策略，并通過覆蓋系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)冷熱源系統(tǒng)的整體優(yōu)化，達到節(jié)能目的。系統(tǒng)可采集設(shè)備的運行參數(shù)和能耗數(shù)據(jù)，分析其運行最優(yōu)性能曲線及最優(yōu)壽命曲線，標識能效過低的設(shè)備，并在保證環(huán)境舒適的前提下，控制設(shè)備的運行狀況，還可結(jié)合BIM模型中的靜態(tài)數(shù)據(jù)信息進行仿真預(yù)估，助力能源優(yōu)化方案。

BIM技術(shù)在社會、經(jīng)濟、環(huán)保、生態(tài)等方面取得了良好的效益，在設(shè)計施工階段，可以提高工程質(zhì)量、優(yōu)化系統(tǒng)功能、節(jié)約資源、提高管理水平；在運維管理階段，能夠在節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保、保障安全方面發(fā)揮較好的作用。

BIM的應(yīng)用必須與業(yè)主方的項目管理和目標控制緊密結(jié)合。參建方需在項目全程的各個角度開展工作，輔助規(guī)劃設(shè)計階段的技術(shù)管理、施工安裝階段的工程管理、竣工驗收與運營階段的設(shè)施管理。為控制項目建設(shè)的投資、進度、質(zhì)量等提供更加科學(xué)、直觀的解決方案和決策依據(jù)。通過BIM模型討論、研究、分析、解決問題的工作方式，要貫穿項目設(shè)計、施工及運營全過程。

基于BIM的虛擬設(shè)計與施工具有較高的推廣應(yīng)用價值，尤其是對于復(fù)雜的大型工程，只有借助先進的數(shù)字化工具，才能實現(xiàn)精細化管理，提高項目管控力度。BIM技術(shù)將越來越多地與其他技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、云平臺、三維掃描、增強現(xiàn)實等相結(jié)合。隨著BIM應(yīng)用的增加及技術(shù)的發(fā)展，項目級、企業(yè)級的BIM應(yīng)用標準和相應(yīng)的制度流程也將逐步建立完善。BIM技術(shù)在BLM（Building Lifecycle Management，建設(shè)項目全壽命周期管理）中的應(yīng)用以及VDC（Virtual Design and Construction，虛擬設(shè)計與施工）管理體系的建設(shè)，將逐步構(gòu)建基于BIM的智慧化管理平臺，為智慧建造奠定良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

BIM技術(shù)解決了常規(guī)建筑設(shè)計深化過程中難以解決的問題，提高了項目推進的效率，且有效地避免了返工問題，提高了精細化設(shè)計、施工水平和管理效率。BIM技術(shù)作為一個新的工具，在勘察、設(shè)計、施工及管理等單位的應(yīng)用日漸普及，其應(yīng)用范疇不斷擴大，將被運用到整個工程的各個方面，從而實現(xiàn)智慧化建造以及精細化管理。

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