趙國(guó)華,李 巖,石 菊
(北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司,102206,北京)
本文闡述了BIM建模技術(shù)在工程中的使用,從現(xiàn)在計(jì)算機(jī)BIM建筑模型的主要特點(diǎn)出發(fā),就BIM建筑模型應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn),BIM今后的騰飛進(jìn)行描述探索,故而產(chǎn)生對(duì)BIM建筑模型的認(rèn)知。并通過BIM建筑模型的使用,合理控制施工中每項(xiàng)環(huán)節(jié)都科學(xué)、合理、有效地完成,提升水利工程施工質(zhì)量整體水平。以下以山西中部引黃工程橋頭渡槽薄壁空心墩BIM建筑模型為例,介紹BIM建模技術(shù)在水利建設(shè)工程施工中的應(yīng)用。
BIM應(yīng)用流程見圖1。
圖1 BIM應(yīng)用流程
運(yùn)用BIM技術(shù)創(chuàng)建的虛擬建筑模型包含了建筑的所有信息,將這個(gè)虛擬建筑模型導(dǎo)入建筑能耗分析軟件中,可以自動(dòng)識(shí)別、轉(zhuǎn)換并分析模型中包含的大量建筑數(shù)據(jù)信息,從而方便快捷地得到建筑能耗分析結(jié)果。
BIM建筑模型是應(yīng)用電腦以數(shù)學(xué)方式說明物體和它們之間的空間關(guān)系,在工程中表現(xiàn)為可視化、模擬性、優(yōu)化性、參數(shù)化性4個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
可視化,通俗一點(diǎn)就是“看得見”的意思,是使用電腦圖形學(xué)和圖像應(yīng)用技術(shù),將所得的數(shù)值分別轉(zhuǎn)成圖形的形式,并可以顯示出來(lái)??梢暬谒こ讨邪l(fā)揮的作用很大,例如:水利工程中鋼筋、管線交叉,一般的設(shè)計(jì)圖在描繪主體和線位的關(guān)系時(shí),需要使用多張圖紙,有的圖紙可能并沒能和其他圖紙聯(lián)系在一起,所有的施工圖紙前后的關(guān)系施工人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)想象。結(jié)構(gòu)單一的工程,這種想象未嘗不可以使用,但由于近些年水利工程益趨復(fù)雜,憑借想象容易導(dǎo)致發(fā)生錯(cuò)誤現(xiàn)象和產(chǎn)生遺漏。使用BIM視圖可以將復(fù)雜的視圖進(jìn)行統(tǒng)一整理,梳理各專業(yè)的關(guān)系,在三維立體的空間內(nèi)形成實(shí)物的模型,用三維立體的形狀將結(jié)構(gòu)工程呈現(xiàn)出來(lái)。不再用想象施工這種識(shí)圖方式,極大地降低了人為因素所造成的施工錯(cuò)誤。
山西中部引黃工程橋頭渡槽位于山西省保德縣橋頭鎮(zhèn)石堎灣村,橫跨朱家川河及既有線公路神保線,上游方向與#2暗涵相接,下游方向通過#3暗涵與#2隧洞相連。朱家川河溝底地面高程957.0 m左右,底寬約80 m,河谷呈U形,岸坡陡立,底部近乎直立,上部較緩。渡槽在樁號(hào)總15 km+657 m(改)~總 15 km+667 m(改)段下部有神保線公路穿過,該公路是晉煤外運(yùn)的重要通道,車流量非常大。橋頭渡槽起點(diǎn)里程為總15 km+525 m,終點(diǎn)里程為總15 km+720 m,全長(zhǎng)195 m。渡槽寬度為7.2 m,過水?dāng)嗝鏋?.2 m×4.2 m,設(shè)計(jì)水深3260 mm。槽墩采用7.2 m×3.5 m的C35鋼筋混凝土矩形墩,#1槽墩 10.8 m,#2槽墩 55.9 m,#3槽墩43.6 m,#4槽墩14.35 m,矩形墩的4個(gè)外角均為圓倒角,內(nèi)角均為直倒角。矩形墩下接3.5m厚C30混凝土承臺(tái),承臺(tái)下面為6根直徑1.8 m的C30混凝土樁基礎(chǔ)。使用BIM建筑模型的碰撞檢查功能,在繁瑣的設(shè)計(jì)圖中,實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的閱讀,降低了返工率。該工程BIM實(shí)體建模圖形見圖2。
BIM可以通過一系列虛擬手段用數(shù)字仿真技術(shù)對(duì)將要進(jìn)行的項(xiàng)目及過程進(jìn)行模擬,從而實(shí)現(xiàn)事前控制。模擬性并排就是簡(jiǎn)單的模擬建筑模型,還包括對(duì)工程實(shí)體材料、質(zhì)量、體積尺寸、工程數(shù)量的模擬。
圖紙只能描繪出實(shí)體工程的尺寸、外觀,對(duì)于工程的數(shù)量需要另行計(jì)算。為了確保計(jì)算的正確性,需多人進(jìn)行計(jì)算復(fù)核工作,如計(jì)算錯(cuò)誤,還需再進(jìn)行計(jì)算,浪費(fèi)大量的工程技術(shù)人員并且耽誤時(shí)間,還大大降低了工作效率。采用BIM建筑模型,完全可以模擬工程實(shí)體的物理材質(zhì)、建筑材料的質(zhì)量、體積及材料的數(shù)量,根據(jù)BIM建筑模型更加快捷地進(jìn)行工程量清單、材料清單數(shù)據(jù)的分類匯總,節(jié)約了時(shí)間,提高了工作效率,降低了計(jì)算的錯(cuò)誤率。
優(yōu)化性受3個(gè)條件制約:信息、復(fù)雜的程度、時(shí)間。
①信息不準(zhǔn)確就不能做出合理的優(yōu)化結(jié)果。BIM建筑模型可以直接快速優(yōu)化的信息,使信息數(shù)字化。經(jīng)微調(diào)使優(yōu)化方案更實(shí)際。
②復(fù)雜程度決定實(shí)際操作的難度。在復(fù)雜建筑的施工中,施工人員的能力信息無(wú)法統(tǒng)計(jì),只有借助科學(xué)技術(shù)與設(shè)備。BIM建筑模型使用在計(jì)算機(jī)中,將整個(gè)模型分解成小單元,也可以將模型刨開,形成需要的截面,可以解析掌握建筑物的細(xì)部尺寸,采用模型進(jìn)行完全解析。
③時(shí)間是優(yōu)化成功與否的關(guān)鍵。在BIM建筑模型中,可模擬實(shí)物的施工進(jìn)度,及各部位連接的前后次序。通過BIM進(jìn)度模擬,可將施工進(jìn)程模擬出來(lái),減少了優(yōu)化、研發(fā)的時(shí)間。
參數(shù)化建模是指通過簡(jiǎn)單改變模型中的參數(shù)值就可建立和分析新的模型。參數(shù)化體現(xiàn)在兩部分:參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎。
①參數(shù)化圖元:在圖紙中,一種類型部件的尺寸經(jīng)常會(huì)采用代數(shù)和參數(shù)表的形式,之后需要查找在某種條件下需要代入的數(shù)值,是由部位→條件→尺寸→再反過來(lái)將尺寸代入部位的過程,整體步驟繁瑣,沒有直觀的概念容易帶入錯(cuò)誤的數(shù)值。例如:在圖紙中,墩柱的尺寸都是通過X來(lái)表示(部位),要想知道墩柱的尺寸就要先知道建造墩柱多高(條件),再到墩柱的參數(shù)表中查找該高度下墩柱的細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸,再將查到的細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸代入對(duì)應(yīng)的墩柱尺寸中(反代入部位)。BIM建筑模型中的同一種類型部件采用的是同一個(gè)圖元,根據(jù)尺寸的不同在同一圖元下分解成各種型號(hào)的子圖元,形成一個(gè)由同一模型構(gòu)造出的尺寸不同的模型組。只需要知道什么條件下的部件就可以直接得到該部件的細(xì)部尺寸,不需要再去查找、代入的過程。例如:同樣的墩柱只需要知道墩柱高度,就可以通過BIM建筑模型參數(shù)化圖元得到墩柱在該高度下的尺寸。
②參數(shù)修改引擎:參數(shù)化修改引擎提供參數(shù)更改技術(shù),是對(duì)建筑設(shè)計(jì)或文檔部分作任何的改動(dòng),這些改動(dòng)都可以自動(dòng)地在其他相關(guān)聯(lián)部分反映出來(lái)。每個(gè)建筑模型都是由單獨(dú)的構(gòu)件拼裝而成,每一個(gè)構(gòu)件都可以通過一個(gè)變更傳播引擎互相關(guān)聯(lián)。構(gòu)件移動(dòng)、刪除、尺寸變化所引起的參數(shù)變化會(huì)引起相關(guān)構(gòu)件的參數(shù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)變化,每一個(gè)視圖下發(fā)生的變化都使參數(shù)產(chǎn)生變化,并雙向傳導(dǎo)到所有視圖,確保圖紙的一致性,不用逐一修改,進(jìn)而提升了工作效率和質(zhì)量。
BIM的數(shù)據(jù)傳遞到施工階段,公司用來(lái)做工程量化、進(jìn)度編排、工程造價(jià)等動(dòng)工前的準(zhǔn)備,用以安排采購(gòu)、下包、后勤等工作任務(wù)。
設(shè)計(jì)和施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)可使各個(gè)環(huán)節(jié)配合得更好,可降低圖紙出錯(cuò)率、減少質(zhì)量事故、提高項(xiàng)目的透明度和可控性等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看該技術(shù)惠及建筑物的運(yùn)作、維護(hù)和設(shè)施管理等方面,其經(jīng)濟(jì)效益可持續(xù)顯現(xiàn)。北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司承建的山西中部引黃工程橋頭渡槽薄壁空心墩工程,采用BIM建筑模型技術(shù)進(jìn)行施工,并利用BIM建筑模型技術(shù),在施工中對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了改革。
采用BIM建筑模型研發(fā)的工具可隨時(shí)查詢實(shí)體工程任意位置的三維立體施工坐標(biāo),隨時(shí)對(duì)放樣點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程進(jìn)行復(fù)核。在施工圖紙中,工程實(shí)體的坐標(biāo)和高程都不在一起,每次進(jìn)行測(cè)量都必須計(jì)算坐標(biāo)高程并進(jìn)行復(fù)核才可以施工放樣。使用BIM建筑模型可隨時(shí)在建筑模型的任意位置查詢?cè)擖c(diǎn)的坐標(biāo)和高程。該項(xiàng)新技術(shù)極大地減少了測(cè)量人員的壓力,在墩身的施工中,測(cè)量人員可以隨時(shí)查看并放樣任意點(diǎn)的坐標(biāo),減少測(cè)量方面出現(xiàn)的施工錯(cuò)誤。BIM建模圖形見圖3。
圖3 BIM建模圖形
過去給作業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行交底,主要是文字和圖紙交底,交底內(nèi)容匱乏且不形象,許多作業(yè)人員反映交底內(nèi)容看起來(lái)像看天書一樣不明白。在山西中部引黃工程橋頭渡槽薄壁空心墩工程施工中,第一次采用了BIM建筑模型進(jìn)行了施工的技術(shù)交底,交底內(nèi)容更加方便、快捷、直觀、形象,提高了溝通和協(xié)調(diào)效率,節(jié)約了成本。
由于紙張的限制,大部分圖紙都是只有主要結(jié)構(gòu)的圖紙,當(dāng)想查看部分位置結(jié)構(gòu)時(shí),只能靠想象,對(duì)于溝通能力有著極大的限制。
使用BIM建筑模型后可以實(shí)時(shí)提供橋梁任意角度、任意剖面、不同構(gòu)件的二維圖紙,真正做到了有問題拿圖紙來(lái)說明,對(duì)于施工質(zhì)量有著極大的提升,減少了大量人力成本。
通過實(shí)施4D施工模擬,根據(jù)項(xiàng)目施工計(jì)劃來(lái)模擬橋梁三維形象進(jìn)度,使橋梁施工更加直觀準(zhǔn)確,便于施工資源周轉(zhuǎn),為科學(xué)進(jìn)行場(chǎng)地布置提供了幫助。
現(xiàn)階段,BIM建筑模型施工技術(shù)屬于高新計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)應(yīng)的配套設(shè)施還不完善,存在對(duì)應(yīng)的人才少、計(jì)算機(jī)配置要求高、不便攜等局限性。
現(xiàn)在建筑工程施工中BIM技術(shù)尚未普及,BIM建筑模型技術(shù)不是一門容易掌握的技術(shù),需長(zhǎng)期、持續(xù)地學(xué)習(xí)和練習(xí)。
BIM建模技術(shù)屬于計(jì)算機(jī)的高新技術(shù),對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的要求也比較高,無(wú)形中增加了施工成本。
重要的是,BIM建?,F(xiàn)在只能在計(jì)算機(jī)屏幕中顯示,攜帶極不方便,雖然BIM建模也可以通過BIM打印技術(shù)形成BIM模型,也可以形成紙質(zhì)上的2D圖紙,但并不能解決BIM模型攜帶不便的事實(shí)。
BIM管理問題,BIM模型中包含著建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的所有信息,模型數(shù)據(jù)量龐大,系統(tǒng)處理負(fù)擔(dān)沉重,而BIM模型數(shù)據(jù)格式不同于傳統(tǒng)CAD及文本文件,跨平臺(tái)間資料交換標(biāo)準(zhǔn)尚未全統(tǒng)一,所以就存在著數(shù)據(jù)分類命名的問題及檔案管理的問題。
圖4 VR技術(shù)虛擬
現(xiàn)階段手機(jī)上對(duì)應(yīng)主流的BIM建模軟件APP相對(duì)匱乏,但是已經(jīng)有了很多APP可以在手機(jī)上查看BIM模型,只是受限于操作步驟復(fù)雜、繁復(fù),無(wú)法直觀體驗(yàn)BIM模型。與手機(jī)APP應(yīng)用結(jié)合后,相信不久的將來(lái)可以做到更加完美。
VR(虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù))是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng),它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境,是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真,使用戶沉浸到該環(huán)境中。
使用VR技術(shù)會(huì)更加直觀地體驗(yàn)BIM模型。在VR技術(shù)的虛擬空間里,可以按照真實(shí)1∶1的比例來(lái)觀察BIM模型。在電腦中,人們查看的是縮小了百倍的圖形,不管模型尺寸再精細(xì),都無(wú)法替代按1∶1建造出來(lái)的模型的直觀感。而且BIM模型是由一個(gè)個(gè)構(gòu)件組成的,利用VR空間可以隨意地替換、更改構(gòu)件,還可以直觀地觀看施工進(jìn)程模擬,更加完美地體驗(yàn)、優(yōu)化模型。
AR(現(xiàn)實(shí)虛擬技術(shù))現(xiàn)在說還太早,只是設(shè)想一下,將虛擬的BIM模型通過設(shè)備在現(xiàn)實(shí)中體現(xiàn)出來(lái)??梢栽趯?shí)際施工中通過實(shí)物與BIM模型對(duì)比、觀察,發(fā)現(xiàn)實(shí)物與BIM模型的細(xì)微差別。使施工人員直觀地觀看施工進(jìn)程,使施工更加簡(jiǎn)便。