BIM在建筑施工中的深度應(yīng)用
——2019年中國北京世界園藝博覽會(huì)生活體驗(yàn)館工程

(北京城建十六建筑工程有限責(zé)任公司，北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100083)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目介紹

2019年中國北京世界園藝博覽會(huì)位于北京市延慶區(qū)南辛堡村，毗鄰媯水河，占地960公頃。下設(shè)中國館、國際館、生活體驗(yàn)館、植物館等多個(gè)場館，其中生活體驗(yàn)館位于園區(qū)東北角。

圖1 2019年中國北京世界園藝博覽會(huì)生活體驗(yàn)館BIM效果圖

生活體驗(yàn)館總占地面積3.6公頃，建筑面積2.1萬m2。共由7個(gè)展館組成，1#展館為主展館，地上兩層，地下一層，2#-7#展館均為一層。主體結(jié)構(gòu)地下部分為混凝土結(jié)構(gòu)，地上部分為鋼結(jié)構(gòu)。生活體驗(yàn)館“綠色田園、城市山水”的設(shè)計(jì)理念迎合世園會(huì)“綠色生活、美麗家園”的辦會(huì)主題。建筑使用雙曲面弧形屋面，呈現(xiàn)出屋廓高低起伏的視覺效果，配合六種不同的建筑外裝飾墻共同構(gòu)成一副山水田園畫卷(圖1)。

1.2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

本工程作為北京市重點(diǎn)工程，以北京市建筑結(jié)構(gòu)長城杯金獎(jiǎng)、北京市建筑長城杯金獎(jiǎng)為目標(biāo)。對于項(xiàng)目的技術(shù)含量、建設(shè)質(zhì)量和建設(shè)周期都提出了相當(dāng)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)及要求。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，世園會(huì)生活體驗(yàn)館項(xiàng)目工程難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)難協(xié)調(diào)。園區(qū)內(nèi)劃分有多個(gè)標(biāo)段，均由不同設(shè)計(jì)單位與施工單位的不同項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)同時(shí)建設(shè)，致使施工影響因素眾多，園區(qū)整體協(xié)調(diào)工作難度加大。

(2)難管理。作為生活體驗(yàn)館項(xiàng)目總包，下管多家分包單位，管理難度較大。

(3)施工難。生活館項(xiàng)目由分散式建筑群組成，場地面積雖大，但能夠提供施工作業(yè)的面積卻非常有限，并且場地內(nèi)保留了若干棵旱柳樹，需要在此條件下進(jìn)行施工作業(yè)，因此施工組織及場地布置設(shè)計(jì)尤為重要。

(4)品質(zhì)高。生活體驗(yàn)館設(shè)計(jì)復(fù)雜多變，采用多種新材料、新工藝，為呈現(xiàn)出最佳的效果，同時(shí)完成多項(xiàng)北京市及全國創(chuàng)杯工作，保證施工的品質(zhì)對項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)而言極具挑戰(zhàn)性。

(5)工期緊。延慶夏秋多雨，冬季寒冷，雨施和冬施時(shí)間長；并且根據(jù)場地景觀綠化的設(shè)計(jì)要求安排種植時(shí)間，以保證定期成活。在此條件下，卻只有470天的工期，時(shí)間異常緊張。

2 BIM應(yīng)用準(zhǔn)備工作

2.1 BIM工作目標(biāo)

本項(xiàng)目力圖使用BIM技術(shù)輔助施工全過程精益化管理，實(shí)現(xiàn)建筑在施工階段的進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等的統(tǒng)籌管理[1]。在解決項(xiàng)目施工五大難點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，探索利用BIM進(jìn)行建筑工程上下游對接的可能性——對上，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工的高效對接；對下，實(shí)現(xiàn)施工與運(yùn)維的接口通暢[2]。

2.2 “1+BIM +”團(tuán)隊(duì)構(gòu)成

本工程采用“1+ BIM+”的模式進(jìn)行?！?”代表一個(gè)BIM專員，負(fù)責(zé)BIM技術(shù)路線制定，團(tuán)隊(duì)人員整合，BIM工作計(jì)劃的制定、推進(jìn)和協(xié)調(diào)，BIM技術(shù)支持等工作[3-5]。在目前還無法完全實(shí)現(xiàn)人人BIM的階段，“1”對于項(xiàng)目BIM應(yīng)用程度和項(xiàng)目人員工作的BIM化程度起到了至關(guān)重要的作用?！癇IM +”代表項(xiàng)目各部門人員工作的BIM化，也是BIM工作落地的重要因素，未來會(huì)由此逐步實(shí)現(xiàn)BIM工作模式。本工程的“BIM+”團(tuán)隊(duì)由項(xiàng)目部技術(shù)、質(zhì)監(jiān)、生產(chǎn)、經(jīng)營、安全人員和鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)電、幕墻、屋面四大分包人員共同組成，主要是利用BIM來完成本職工作內(nèi)容。

2.3 軟硬件選擇

軟件選擇主要考慮項(xiàng)目施工應(yīng)用的適宜性、信息傳輸?shù)耐暾砸约吧舷掠螌拥目刹僮餍?。本工程為公共建筑，?guī)模不大但局部結(jié)構(gòu)形式、建筑裝修和景觀模型包含的必要信息龐雜，根據(jù)以上軟件選擇的三個(gè)原則，選定從設(shè)計(jì)到施工階段應(yīng)用優(yōu)勢較為突出的Revit作為主要建模軟件，深化設(shè)計(jì)優(yōu)勢較為突出的Tekla、Rhino、3Dmax作為專業(yè)建模軟件，采用ifc格式進(jìn)行信息模型傳遞。項(xiàng)目協(xié)同工作選用廣聯(lián)達(dá)BIM 5D平臺(tái)，平臺(tái)留有IFC標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)傳輸接口，可保留整合全專業(yè)BIM模型，進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)進(jìn)度、質(zhì)量安全、物資材料和項(xiàng)目資料的全過程管理[6-8]。

硬件選擇主要根據(jù)不同人員的工作職責(zé)對電腦需求的不同進(jìn)行配備。在“1+ BIM+”模式中，BIM專員需進(jìn)行大部分的BIM數(shù)據(jù)應(yīng)用與操作工作，配備配置較高的臺(tái)式電腦。其他“BIM+”人員根據(jù)工作需要配備能夠滿足部分BIM建模要求的臺(tái)式電腦、智能手機(jī)和其他BIM延伸應(yīng)用設(shè)備(本工程使用無人機(jī))即可[9-11]。

2.4 BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)

BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)是保證BIM順利有效應(yīng)用的基礎(chǔ)，本工程將《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51235-2017作為策劃、實(shí)施、交付的主要依據(jù)，編制了《2019年中國北京世園會(huì)生活體驗(yàn)館BIM應(yīng)用策劃書》、《北京世園會(huì)生活體驗(yàn)館BIM工作計(jì)劃》、《北京世園會(huì)生活體驗(yàn)館鋼結(jié)構(gòu)BIM實(shí)施計(jì)劃》、《北京世園會(huì)生活體驗(yàn)館機(jī)電設(shè)計(jì)安裝BIM實(shí)施計(jì)劃》和《北京世園會(huì)生活體驗(yàn)館幕墻設(shè)計(jì)安裝BIM實(shí)施計(jì)劃》，對項(xiàng)目BIM實(shí)施目的與目標(biāo)、工作內(nèi)容、工作流程及方式、BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)與深度、模型質(zhì)量控制、信息交換與交付等進(jìn)行明確的規(guī)定，保證BIM技術(shù)實(shí)際落地[1]。

3 BIM建模

BIM模型是BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是技術(shù)實(shí)施的載體。建模工作的價(jià)值不僅在于建筑工程施工階段的應(yīng)用，還在于上下游的工作對接。主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)施工圖校核和施工管理應(yīng)用兩方面。設(shè)計(jì)施工圖校核工作是通過建立施工圖模型發(fā)現(xiàn)問題，并與設(shè)計(jì)溝通解決，避免設(shè)計(jì)問題對后續(xù)現(xiàn)場施工造成影響或損失；施工管理應(yīng)用是模型建立完成后的應(yīng)用，它對BIM模型品質(zhì)提出了具體的要求，進(jìn)一步影響建模的方式和精細(xì)度。

本工程BIM模型以《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51235-2017中BIM模型深度要求為主要標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，項(xiàng)目招標(biāo)文件與設(shè)計(jì)施工圖為基礎(chǔ)，控制深化設(shè)計(jì)模型、施工過程模型和竣工驗(yàn)收模型的質(zhì)量，施工不同階段模型應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的建模深度(表1)。

項(xiàng)目根據(jù)《2019年中國北京世界園藝博覽會(huì)生活體驗(yàn)館施工BIM應(yīng)用策劃》中BIM實(shí)施計(jì)劃流程建立全專業(yè)BIM模型(圖2)，工作各階段所產(chǎn)生的建筑信息按照各階段模型細(xì)度等級(jí)要求在建?；蚋履Ｐ偷倪^程中載入。

表1 施工模型及上游施工圖設(shè)計(jì)模型細(xì)度等級(jí)代號(hào)

名稱代號(hào)形成階段施工圖設(shè)計(jì)模型LOD300施工圖設(shè)計(jì)階段深化設(shè)計(jì)模型LOD350深化設(shè)計(jì)階段施工過程模型LOD400施工實(shí)施階段竣工驗(yàn)收模型LOD500竣工驗(yàn)收階段

來源：《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51235-2017

圖2 世園會(huì)生活體驗(yàn)館BIM建模與模型應(yīng)用工作流程

4 模型應(yīng)用

4.1 BIM綜合應(yīng)用

BIM模型的施工應(yīng)用解決施工與設(shè)計(jì)、施工各專業(yè)間的工作協(xié)調(diào)問題；復(fù)雜與疑難技術(shù)的交底問題；質(zhì)量控制問題、生產(chǎn)進(jìn)度管控以及資料收集、整理與共享的問題[12-13]。

(1)基于BIM模型的設(shè)計(jì)對接

項(xiàng)目通過建立BIM施工圖模型來審查設(shè)計(jì)提供的施工圖，將施工圖中的疑點(diǎn)、難點(diǎn)及表達(dá)不清晰的節(jié)點(diǎn)以可視化虛擬建造的方式呈現(xiàn)，并與設(shè)計(jì)溝通予以解決(表2)。以此為依據(jù)形成圖紙會(huì)審書面文件，輔助圖紙會(huì)審工作。

(2)利用BIM施工模擬實(shí)現(xiàn)可視化交底

為解決項(xiàng)目施工場地狹小和建筑造型結(jié)構(gòu)繁瑣的問題，利用BIM可視化的特點(diǎn)制作施工組織、施工工序模擬視頻和虛擬樣板，輔助提升施工組織合理性和施工技術(shù)質(zhì)量。

表2 BIM施工圖模型審查重要問題匯總

(續(xù)表)

在鋼結(jié)構(gòu)吊裝工程中，施工場地有限，土質(zhì)松軟無支撐點(diǎn)，通過現(xiàn)場踩點(diǎn)后選擇了塔吊停放位置并進(jìn)行施工模擬(圖3)，模擬吊車進(jìn)出場與起重安裝方式，確定了將鋼梁改為地上焊接后整體吊裝的方案，并且對鋼結(jié)構(gòu)的安裝工藝(圖4)以及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的安裝順序進(jìn)行施工模擬(圖5)，實(shí)現(xiàn)可視化交底。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝進(jìn)出場及汽車吊位置模擬

圖4 鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝模擬

圖5 鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)安裝工序

在機(jī)電安裝工程中，1#展館地下一層管線排布密集，經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化后對管線安裝順序進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整?；诂F(xiàn)場施工模型、施工計(jì)劃、機(jī)電安裝相關(guān)規(guī)范和安裝工藝資料制作安裝工序模擬，實(shí)現(xiàn)可視化交底(圖6)。

圖6 機(jī)電安裝工藝模擬

(3)利用施工管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多部門協(xié)同工作

作為總包，項(xiàng)目部負(fù)責(zé)從基礎(chǔ)到裝飾裝修、園林景觀施工的項(xiàng)目管理工作，并涉及鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)電、消防、幕墻、裝飾裝修、園林等多家分包單位，因此導(dǎo)致信息交換延遲、遺漏和多專業(yè)施工交叉協(xié)調(diào)組織難等問題。選擇適用的BIM管理平臺(tái)軟件為依托實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目協(xié)同管理，提升協(xié)同管理工作的效率[14]。

根據(jù)項(xiàng)目對信息交換、整合、施工組織協(xié)調(diào)和竣工交付的需求，本工程選用廣聯(lián)達(dá)BIM5D平臺(tái)，利用模型整合、質(zhì)量管理、安全管理、生產(chǎn)進(jìn)度、構(gòu)建跟蹤、資料云等功能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)度管理、質(zhì)量安全管理和項(xiàng)目資料與信息管理(表3)[15]。

表3 BIM5D協(xié)同管理平臺(tái)工作

(4)基于BIM的資料管理

項(xiàng)目信息與資料的管理是項(xiàng)目文件管理的核心，也是項(xiàng)目BIM管理能否實(shí)現(xiàn)的最重要的步驟?；贐IM將《建筑工程資料管理規(guī)程》DB11/T695-2017中規(guī)定的資料內(nèi)容多維化，以模型為主體載入項(xiàng)目信息，通過分享、應(yīng)用，使項(xiàng)目施工過程、技術(shù)、問題以直觀、完整和便利的方式儲(chǔ)存和共享。使用BIM5D平臺(tái)進(jìn)行資料管理時(shí)，將業(yè)主方、設(shè)計(jì)方、施工方等參建方所產(chǎn)生或提供的資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，按照資料出處、資料類型和應(yīng)用部門來編制資料存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，通過云端管理，實(shí)現(xiàn)各部門資料有效共享、精準(zhǔn)查看。同時(shí)，設(shè)置資料權(quán)限，保證程項(xiàng)目資料的安全性以及工程項(xiàng)目交付資料的完整性[16]。

4.2 BIM輔助雙曲面弧形屋面系統(tǒng)施工方案選擇與管控

生活體驗(yàn)館建筑屋面為雙曲面弧形屋面造型。屋面原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式為基于木模板盤扣架體系的現(xiàn)澆混凝土屋面。由于施工計(jì)劃在冬季且2017年底結(jié)構(gòu)必須封頂，冬季施工的混凝土質(zhì)量很難控制，并且冬施投入較大。為保證施工質(zhì)量、安全和工期，通過與設(shè)計(jì)溝通，將原結(jié)構(gòu)方案改為基于鋼筋桁架樓承板體系的現(xiàn)澆混凝土屋面，并利用BIM對兩方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比，輔助確定屋面結(jié)構(gòu)方案(表4)。

首先利用BIM輔助完成木模板盤構(gòu)架體系的經(jīng)營測算。使用Revit建立木模板體系方案模型后，通過品茗軟件驗(yàn)證其可行性，方案調(diào)整完成后提取工程量，計(jì)算出木模板盤扣架體系需投入527.06萬元。之后，以同樣的方式對鋼筋桁架樓承板體系進(jìn)行經(jīng)營測算。使用Revit建立樓承板模型，模型方案確定并調(diào)整后統(tǒng)計(jì)用量，計(jì)算出鋼筋桁架樓承板體系需投入319.93萬元，較原方案節(jié)省207.13萬元，因此選定鋼筋桁架樓承板屋面作為最終的屋面結(jié)構(gòu)方案。

表4 基于BIM的屋面結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)性對比

(續(xù)表)

為有效控制雙曲面弧形屋面的弧度和屋面瓦鋪設(shè)美觀性，團(tuán)隊(duì)將屋面分為鋼筋桁架樓承板、混凝土板、屋面瓦三部分進(jìn)行控制。

(1)鋼筋桁架樓承板深化

由于雙曲面弧形屋面局部弧度較大，而桁架板自身又具有一定剛度，無法大幅度彎折，因此，利用BIM建模的方式，分析鋼筋桁架樓承板鋪設(shè)的關(guān)鍵控制點(diǎn)，并在桁架板排版時(shí)優(yōu)化單板的規(guī)格(圖7)。

(2)混凝土板質(zhì)量控制

建筑由14個(gè)弧度不同的屋面組成，在設(shè)計(jì)施工圖中，雙曲面弧形屋面控制點(diǎn)較少，并且控制點(diǎn)未考慮屋面弧度條件，不利于雙曲面弧形屋面進(jìn)行混凝土澆筑的質(zhì)量控制。因此，利用BIM建模的方式，重新確定屋面施工的控制點(diǎn)。通過Revit建立屋面模型后，精確排出間隔為1m的標(biāo)高控制點(diǎn)，再根據(jù)不同弧度，選擇最優(yōu)控制點(diǎn)，生成屋頂施工定位圖(圖8)。并在現(xiàn)場施工時(shí)，根據(jù)定位圖預(yù)留定位插筋對標(biāo)高進(jìn)行控制，保證曲面效果。

(3)屋面瓦深化設(shè)計(jì)

屋頂裝飾面選用灰色陶土瓦鋪設(shè)，由于雙曲面弧形屋面造型使屋面瓦的鋪設(shè)方式需要反復(fù)的研究和嘗試。為便于操作，將Revit模型導(dǎo)入Sketch up進(jìn)行排布實(shí)驗(yàn)。根據(jù)不同的屋面弧度，確定角起排布和邊起排布兩種方案(圖9、圖10)，并進(jìn)行跳色鋪設(shè)排版(圖11)。

圖7 鋼筋桁架樓承板深化

圖8 利用BIM建模選定混凝土板弧形控制點(diǎn)

圖9 屋面瓦角起鋪設(shè)方案 圖10 屋面瓦邊起鋪設(shè)方案

圖11 屋面瓦邊起鋪設(shè)方案

利用模型導(dǎo)出排布圖紙和屋面瓦規(guī)格、顏色及用量統(tǒng)計(jì)表(表5)。

表5 屋面瓦材料用量統(tǒng)計(jì)

5 BIM應(yīng)用成果總結(jié)與分析

BIM是一個(gè)系統(tǒng)，它將建筑數(shù)字化，以模型的形式表現(xiàn)出來，經(jīng)過提取有效數(shù)據(jù)，輔助建筑各個(gè)階段的工作應(yīng)用，提升管理效率，形成可儲(chǔ)存交付的項(xiàng)目成果。

5.1 從BIM模型到信息數(shù)據(jù)

本工程就實(shí)現(xiàn)建筑工程上下游對接和項(xiàng)目施工全過程精益化管理的BIM應(yīng)用目標(biāo)，確定在施工中主要應(yīng)用的BIM模型細(xì)度需達(dá)到LOD350的標(biāo)準(zhǔn)，隨著施工進(jìn)度推進(jìn)，逐漸形成分部工程質(zhì)量驗(yàn)收模型，使竣工驗(yàn)收的必要模型細(xì)度達(dá)到LOD500的標(biāo)準(zhǔn)。

模型從設(shè)計(jì)階段進(jìn)入施工階段并不是所有模型數(shù)據(jù)都有價(jià)值。根據(jù)項(xiàng)目施工應(yīng)用目標(biāo)——進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全統(tǒng)籌管理，提取適用的模型數(shù)據(jù)(表6)，來完成施工模擬、可視化交底、生產(chǎn)過程管理等工作。

5.2 信息數(shù)據(jù)下的BIM應(yīng)用效益分析

每個(gè)建筑工程施工的目標(biāo)都是在保證工程質(zhì)量安全的前提下追求效益最大化。生活體驗(yàn)館項(xiàng)目以提高人員工作效率、節(jié)省時(shí)間、減少窩工返工為主要思路，利用BIM施工信息化管理，通過優(yōu)化深化設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化施工技術(shù)方案、可視化交底、協(xié)同工作等方式提高溝通效率和時(shí)間利用率、避免返工造成人員物資的浪費(fèi)，進(jìn)而減少資金的投入(表7)。

表6 生活體驗(yàn)館項(xiàng)目施工階段BIM模型有效數(shù)據(jù)

表7 生活體驗(yàn)館項(xiàng)目BIM應(yīng)用效益

6 總結(jié)

BIM常作為技術(shù)被提及應(yīng)用，但BIM更貼切的定位應(yīng)該是系統(tǒng)。BIM系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，在儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)的BIM主干上,施工應(yīng)用作為其中一束旁支，通過分析施工需求提取有效數(shù)據(jù)，而應(yīng)用于具體項(xiàng)目施工過程的具體工作內(nèi)容又構(gòu)成了下一級(jí)分支，形成施工過程信息，將信息再以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)、共享和交付。

世園會(huì)生活體驗(yàn)館項(xiàng)目通過深挖BIM本質(zhì)，將BIM應(yīng)用系統(tǒng)化，施工內(nèi)容數(shù)據(jù)化，施工成果信息化。在項(xiàng)目的技術(shù)應(yīng)用、經(jīng)營把控和管理工作之中融入系統(tǒng)化思維，從系統(tǒng)的角度，分析施工問題，拆分任務(wù)，并將BIM應(yīng)用轉(zhuǎn)為一種工作模式，通過數(shù)據(jù)提煉和信息整合，將施工技術(shù)可視化、工作流轉(zhuǎn)協(xié)同化、管理工作精益化，進(jìn)而提升施工管理效率，降低上下游之間的溝通成本。然而項(xiàng)目實(shí)際的BIM落地仍存在一些難以解決的問題，而造成這些問題的原因主要是缺少BIM施工應(yīng)用人才、BIM模式對接與傳輸方式研究、BIM數(shù)據(jù)庫不完善和軟件適用性差等方面。該如何解決？這是各領(lǐng)域BIMer的共同議題，也是科研單位、建筑企業(yè)、軟件廠商以及其他BIM從業(yè)者未來深入探索的方向。