基于BIM技術(shù)的設(shè)計施工協(xié)同管理模式探討

高 蔚,劉崢嶸

(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 310028；2.浙江大學(xué)房地產(chǎn)管理處,浙江 杭州 310058)

造成建筑行業(yè)低效率和浪費(fèi)的原因多種多樣：如逐步專業(yè)化導(dǎo)致斷裂的行業(yè)結(jié)構(gòu)，以及建筑工程項目各方之間的關(guān)系、信息管理水平差信息化投入少等[1]。而信息管理的“碎片”現(xiàn)象主要有四個方面：專業(yè)分工導(dǎo)致的專業(yè)碎片,不同部門間形成的組織碎片,建筑生命周期內(nèi)的過程碎片和不同軟件應(yīng)用產(chǎn)生的信息碎片。信息的碎片化使得信息傳遞的效率和準(zhǔn)確度大大降低,從而造成建筑行業(yè)的低效率和浪費(fèi)現(xiàn)象。解決建筑行業(yè)的低效率和浪費(fèi)問題,協(xié)同管理是主要趨勢。

BIM技術(shù)的核心便是信息集成。BIM技術(shù)目前在國內(nèi)一些大型工程如北京水立方、上海中心大廈等已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用,盡管國內(nèi)研究和應(yīng)用起步較晚,BIM技術(shù)在設(shè)計、施工和維護(hù)管理階段的作用正在得到一步步的證實(shí)[2]。設(shè)計和施工是建筑工程BIM應(yīng)用的關(guān)鍵階段,如何在傳統(tǒng)設(shè)計模式依然為主導(dǎo)的前提下提高設(shè)計、施工質(zhì)量,合理利用BIM技術(shù)作為協(xié)同管理手段,使其實(shí)際意義大于宣傳意義,是目前階段需要研究以及探討的課題。

1 BIM技術(shù)的研究意義

對于建筑工程來說,項目設(shè)計圖紙的質(zhì)量直接決定了工程建造成本的高低。由于設(shè)計階段目前大部分設(shè)計單位的成果屬于無形狀態(tài),停留在相互獨(dú)立分散的二維圖紙中,圖紙之間的關(guān)聯(lián)性很大程度上取決于設(shè)計團(tuán)隊的二維協(xié)作能力,設(shè)計階段的成果極大程度地影響著施工階段的成果。而施工階段需要交付的成果最終是以實(shí)體的有形形式存在的,是設(shè)計成果的最終驗(yàn)證[3]。

日益復(fù)雜的工程項目以及緊張的預(yù)算和工期對設(shè)計和施工也提出了更高的要求,于是更高效的溝通方式及工作流程管理如今已勢在必行。越來越多的項目參與方正在研究和實(shí)踐BIM技術(shù),使用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計和施工管理的涵蓋范圍和領(lǐng)域也越來越廣泛。

1.1 傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的缺陷

建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)計是由若干個不同的團(tuán)隊完成的。由于設(shè)計標(biāo)高、尺寸標(biāo)注錯誤或設(shè)計空間預(yù)留不合理,非常容易導(dǎo)致現(xiàn)場施工中的建筑結(jié)構(gòu)矛盾和管線沖突。傳統(tǒng)的二維平面圖紙,即使非常有經(jīng)驗(yàn)的工程師也很難在設(shè)計階段把所有的問題都找出來。

無中心的、單向的工程信息的溝通也常常出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象,難以及時與整體工程管理相互協(xié)調(diào),以致阻礙整個工程的信息匯總,容易形成信息孤島。無法將信息進(jìn)行組合篩選,進(jìn)度、投資、質(zhì)量等相關(guān)的信息數(shù)據(jù),數(shù)量大而且是動態(tài)變化的。工程的圖紙、文件、資料等文檔,數(shù)量多而且一般以紙質(zhì)的形式保存,影響管理信息的使用效率。工程設(shè)計和施工管理過程中必然產(chǎn)生大量的交互信息,各自為陣的局面使得信息不能共享,效率低下[4]。

其實(shí)BIM很早就存在了,只是原來的協(xié)同管理主要是以設(shè)計師及施工管理人員為基礎(chǔ),協(xié)調(diào)圖紙上的碰撞沖突,很少借助集成軟件的應(yīng)用。傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)已很難適應(yīng)當(dāng)前建筑工程的設(shè)計、施工要求,協(xié)同管理伴隨著工程發(fā)展越來越凸顯其重要作用,基于集成軟件的BIM技術(shù)應(yīng)用已迫在眉睫。傳統(tǒng)的設(shè)計流程見圖1。

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計流程示意圖

1.2 BIM技術(shù)的合理應(yīng)用

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)是當(dāng)前建筑行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn),BIM似乎已經(jīng)成為一種時尚,談?wù)撛O(shè)計已經(jīng)離不開BIM的概念了。BIM的重點(diǎn)核心是信息協(xié)同,使得設(shè)計信息在各個階段得以自由共享,降低信息在傳遞過程中的衰減。設(shè)計過程逐漸從前臺的直觀操作轉(zhuǎn)向后臺的信息架構(gòu),通過集成軟件的應(yīng)用向設(shè)計模型中增加建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電相關(guān)的附加信息,例如材料、構(gòu)造、標(biāo)高、尺寸等[5]。

BIM技術(shù)對設(shè)計各階段都起到很大的輔助作用,BIM并不能涵蓋設(shè)計的全部,更不是特指某些軟件,而是一種設(shè)計思維和協(xié)作方式。BIM的協(xié)作方式有效地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計項目的三維表達(dá),幫助設(shè)計、施工和業(yè)主方直觀地了解設(shè)計情況,檢查設(shè)計沖突。優(yōu)化完成后的模型一方面可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工,并可用于項目交付使用后的維護(hù)管理。見圖2。因此結(jié)合目前國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀,如何合理地應(yīng)用BIM技術(shù)就顯得尤為重要。

近些年由于電力、空調(diào)、通訊、數(shù)據(jù)、安全、智能等技術(shù)在建設(shè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用,建設(shè)項目的復(fù)雜性和信息量也呈幾何級數(shù)增長。BIM技術(shù)需確保信息入口的唯一性,這樣既可以避免錯誤發(fā)生的可能,又可以節(jié)省重復(fù)輸入信息的工作量。這就要求各參與方合理地輸入和使用各自的主要信息,以便后續(xù)參與方可以方便地調(diào)用共享信息。

圖2 基于BIM技術(shù)的設(shè)計流程示意圖

2 協(xié)同管理研究的契機(jī)

21世紀(jì)初,BIM 技術(shù)就已走進(jìn)中國,帶來的不僅是技術(shù)的變革,緊跟其后的還有項目運(yùn)作方式、協(xié)作模式的革新。一個以BIM技術(shù)為引導(dǎo)的行業(yè)變革,需要標(biāo)準(zhǔn)先行,更要實(shí)踐先行,勇于開拓創(chuàng)新[6]。

目前國內(nèi)大多數(shù)文章將研究重點(diǎn)集中在系統(tǒng)架構(gòu)的理論研究上。工程實(shí)踐是BIM技術(shù)不斷發(fā)展的前提和必要條件,本文以方法論為基礎(chǔ),結(jié)合目前國內(nèi)及國際BIM技術(shù)的理論研究成果,以杭州市某住宅小區(qū)設(shè)計、施工為例。從工程設(shè)計施工實(shí)踐出發(fā),探索BIM技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價值,用實(shí)例說明其研究觀點(diǎn)。

2.1 設(shè)計階段

2.1.1 可視化設(shè)計

采用BIM技術(shù)進(jìn)行建設(shè)項目的可視化設(shè)計,BIM技術(shù)依托于集成軟件,核心是一個由計算機(jī)三維模型所形成的數(shù)據(jù)庫。包含了以設(shè)計圖紙為依據(jù),集成了從設(shè)計到施工直至使用階段的全壽命期內(nèi)所有工程項目信息。

在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上建立的建筑模型是具有完整的空間結(jié)構(gòu)的三維直觀模型,立體的模型一方面可以幫助各專業(yè)設(shè)計師掃清二維設(shè)計圖紙的盲區(qū),另一方面可以幫助減少設(shè)計方與業(yè)主、施工方的溝通障礙[7]。見圖3。

圖3 三維模型的可視化設(shè)計

借助BIM技術(shù),各專業(yè)設(shè)計師可以用最為直觀的方式表達(dá)設(shè)計思路,也可以對圖紙進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。真正實(shí)現(xiàn)所見即所得的設(shè)計效果,便于對建筑三維空間進(jìn)行把握。同時,由于三維軟件的集成性能,設(shè)計師無需擔(dān)心由于局部修改而影響關(guān)聯(lián)部位的準(zhǔn)確性。

2.1.2 管線碰撞

傳統(tǒng)的管線綜合這項繁瑣的任務(wù)只能靠人工完成,將各專業(yè)分散的二維圖紙疊合在一起進(jìn)行管線綜合,由于二維圖紙的信息缺乏直觀的溝通協(xié)調(diào)平臺,導(dǎo)致管線綜合成為建筑施工前最易產(chǎn)生問題的重要環(huán)節(jié)。各專業(yè)的二維圖紙是單獨(dú)繪制的,需要不斷地進(jìn)行人工核對碰撞,這樣的設(shè)計流程是非常耗時費(fèi)力的。見圖4。

圖4 局部地下室各專業(yè)設(shè)計圖紙

BIM技術(shù)可以很好地解決這個問題,在施工圖設(shè)計中,可以通過BIM軟件將建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電圖紙信息整合起來,進(jìn)行檢測碰撞、管線綜合等方面的工作,減少施工過程中的錯、漏、碰、缺。不同專業(yè)的設(shè)計人員利用BIM技術(shù)共同搭建建筑模型,通過軟件檢測各專業(yè)模型構(gòu)件之間存在的碰撞沖突點(diǎn)的方位和數(shù)量,及時反饋給各專業(yè)設(shè)計師進(jìn)行調(diào)整、修改并進(jìn)行重新復(fù)核。反復(fù)幾次推敲,最終完成機(jī)電設(shè)備的管線綜合,排除項目施工環(huán)節(jié)中可能遇到的碰撞沖突,這樣的設(shè)計流程可以顯著減少由此產(chǎn)生的設(shè)計變更,降低由于施工協(xié)調(diào)造成的成本增長和工期延誤[8]。見圖5。

圖5 基于BIM技術(shù)的管線碰撞

2.2 施工階段

2.2.1 可視化指導(dǎo)

BIM技術(shù)從某種程度上相當(dāng)于在工程開始施工之前,設(shè)計師就已在電腦上將整棟建筑建成。BIM技術(shù)不僅能幫助設(shè)計師掃清二維圖紙的盲區(qū),使設(shè)計師更好地把控圖紙的施工可行性。同時對于現(xiàn)場施工可以起到漫游瀏覽以及可視化指導(dǎo)的作用,傳統(tǒng)的二維圖紙附加三維視圖,消除以往圖紙缺少直觀性的缺陷,還可以使施工人員更直觀、更深層次地理解施工圖紙和施工方案要求,讓現(xiàn)場施工人員更清楚地了解建造結(jié)果[9]。

設(shè)計師可以直觀、準(zhǔn)確、全面地了解現(xiàn)場情況,提高工作效率。避免了二維CAD制圖對現(xiàn)場情況不了解的問題,并且在一定程度上減少了工程中組織協(xié)調(diào)的工作量。BIM 技術(shù)通過引入三維、四維以及可視化的強(qiáng)大功能,實(shí)現(xiàn)了對建筑物空間結(jié)構(gòu)和功能特性的數(shù)字化表達(dá)。見圖6。

圖6 可視化指導(dǎo)施工

2.2.2 施工模擬對比

BIM技術(shù)可以將三維模型放置在虛擬的施工環(huán)境之中,通過分析施工環(huán)境可能對工程項目施工進(jìn)度產(chǎn)生影響的因素,從而制定應(yīng)對措施,降低環(huán)境因素對施工進(jìn)度的影響,優(yōu)化施工方案。施工進(jìn)度優(yōu)化是一個不斷調(diào)整的過程,通過反復(fù)模擬施工方案,發(fā)現(xiàn)問題及時改進(jìn),從而制定出最有效的施工進(jìn)度計劃來指導(dǎo)施工[10]。

在基于BIM技術(shù)的建筑模型上,可以模擬施工現(xiàn)場,對不同的施工方案進(jìn)行模擬對比,選擇最合理可行的方案。應(yīng)用BIM技術(shù)確定最有效的施工方式,合理配置各項資源,從而避免不必要的返工和浪費(fèi)。

通過BIM技術(shù)對施工現(xiàn)場模擬、4D施工模擬、大型機(jī)械運(yùn)行空間模擬等方面的應(yīng)用,進(jìn)行施工場地模擬布置,塔吊以及人貨梯的模擬布置。實(shí)現(xiàn)對施工質(zhì)量、安全、成本和進(jìn)度的有效監(jiān)控和管理。針對施工作業(yè)場地相對緊張的情況,可通過BIM模擬比對施工現(xiàn)場,快速尋找可以利用的施工作業(yè)空間,方便場地的使用規(guī)劃。見圖7。

圖7 施工場地模擬布置圖

3 BIM技術(shù)的研究方向探討

3.1 研究策略

3.1.1 合理進(jìn)行二維協(xié)同及三維BIM

BIM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是以協(xié)同設(shè)計為基礎(chǔ)的,協(xié)同設(shè)計的本質(zhì)是所有設(shè)計人員通過信息技術(shù)的應(yīng)用,在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺與軟件平臺的輔助下,根據(jù)統(tǒng)一的設(shè)計數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),充分共享和交換設(shè)計信息資源。

建筑設(shè)計是一個傳統(tǒng)的學(xué)科,而信息技術(shù)是一個現(xiàn)代年輕的學(xué)科。隨著建筑規(guī)模越來越大、體型越來越復(fù)雜,協(xié)同設(shè)計的要求也越來越迫切,但是采用傳統(tǒng)手段實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計就顯得越來越困難。而建筑行業(yè)正在進(jìn)行著一次由傳統(tǒng)的CAD技術(shù)向協(xié)同技術(shù)轉(zhuǎn)變的革命,由傳統(tǒng)的單人作業(yè)向群體協(xié)作轉(zhuǎn)變。

建筑行業(yè)在過去大量采用二維設(shè)計,有其存在的合理性和必然性。大量體型規(guī)則、結(jié)構(gòu)簡單的建筑工程,采用二維設(shè)計仍是最優(yōu)的選擇。對于少量體型不規(guī)則、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、以及對于管線綜合有較高要求的建筑工程,用二維協(xié)同較難表達(dá)清晰,而采用三維BIM則是更好的選擇。對于協(xié)同設(shè)計應(yīng)當(dāng)有清晰的認(rèn)識,根據(jù)項目具體情況合理地架構(gòu)協(xié)同技術(shù)框架,合理應(yīng)用不同的軟件及技術(shù)手段達(dá)到不同的設(shè)計需求[11]。

3.1.2 強(qiáng)化協(xié)同思維

不論是二維設(shè)計還是三維BIM,協(xié)同設(shè)計不僅僅是靠某款軟件就能實(shí)現(xiàn)的。研究是應(yīng)用的基礎(chǔ),沒有深入的實(shí)踐就不可能有深層次的應(yīng)用。協(xié)同設(shè)計的初衷是要強(qiáng)化協(xié)同思維,實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)之間的互通,解決信息孤島問題。

對于設(shè)計師和建設(shè)單位來說,通過對建筑信息整合與成本控制的知識技能的逐步學(xué)習(xí)掌握,將明顯提升項目的管控力度,也可以提高工作效率。

對于施工單位來說,在項目的整體實(shí)施過程當(dāng)中,應(yīng)用專業(yè)的協(xié)同管理平臺進(jìn)行項目協(xié)同管理,有效控制各種技術(shù)資料,達(dá)到技術(shù)資料應(yīng)用的有效性、唯一性和完整性。

3.2 研究意義

3.2.1 建立有效的多方協(xié)作機(jī)制

BIM并不是全新的概念,也不僅僅是指三維的繪圖軟件,而是一個全新的設(shè)計模式。這種新的設(shè)計模式將會給設(shè)計管理、施工管理、物業(yè)管理帶來極大的變革,為設(shè)計、施工、物業(yè)管理的信息化奠定強(qiáng)大的基礎(chǔ),同時這種新的設(shè)計模式需要新的標(biāo)準(zhǔn)、新的政策以及新的協(xié)作模式的支撐。

如何建立有效的多方協(xié)作機(jī)制,也是當(dāng)前協(xié)同管理研究的重點(diǎn),設(shè)計、施工、運(yùn)維過程中眾多部門眾多專業(yè)使用大量的專業(yè)軟件,這些軟件之間的信息不同,難以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此，建立有效的協(xié)作機(jī)制有利于打破不同部門、專業(yè)之間信息壁壘,逐步實(shí)現(xiàn)管理上的協(xié)同。

3.2.2 分階段實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)

在BIM標(biāo)準(zhǔn)上,目前芬蘭、荷蘭、美國、英國、澳大利亞、中國香港都發(fā)布了BIM 標(biāo)準(zhǔn),中國大陸也在加緊開發(fā)BIM 標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計階段,BIM技術(shù)首先開始在設(shè)計單位開展,應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜建筑三維建模,復(fù)雜項目設(shè)計階段的管線綜合等,運(yùn)用協(xié)同思維進(jìn)行信息的架構(gòu)。

施工階段,應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工階段的碰撞檢查，進(jìn)行工程量統(tǒng)計及施工進(jìn)度計劃的模擬與優(yōu)化，進(jìn)而有效控制施工質(zhì)量及施工進(jìn)度。

運(yùn)營階段,應(yīng)用BIM技術(shù)將建筑空間和設(shè)備參數(shù)有機(jī)整合起來,結(jié)合運(yùn)營維護(hù)管理系統(tǒng)充分發(fā)揮空間定位和數(shù)據(jù)記錄的優(yōu)勢,合理制定維護(hù)計劃,對一些重要設(shè)備還可以進(jìn)行跟蹤維護(hù)[12]。

當(dāng)前全球建筑行業(yè)正在從二維協(xié)同走向三維協(xié)同,這將會是一個較為漫長的過程，需要建筑行業(yè)達(dá)成對BIM技術(shù)的共識,逐步建立適用的信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),最終實(shí)現(xiàn)各階段各專業(yè)協(xié)同管理的理想。