智能建筑BIM技術(shù)在高層住宅施工中的應(yīng)用

趙海英，薛 儉，王海鵬

(1.陜西科技大學(xué) 基建處，陜西 西安 710021；2.陜西科技大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院 ，陜西 西安710021；3.陜西省第十一建筑工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

近年來，我國建筑工程項目體量日益增大，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，智能化建筑日益增加，專業(yè)劃分越來越精細(xì)，系統(tǒng)繁多。水、電、暖、消防、空調(diào)、通風(fēng)等專業(yè)的管道及設(shè)備安裝日趨復(fù)雜。雖然圖紙數(shù)量也隨之增加，但二維圖紙的表現(xiàn)力越來越差[1]，尤其是進入施工階段后，各專業(yè)設(shè)備管線布置相互交叉，設(shè)備與管線之間、管線與構(gòu)件之間容易發(fā)生碰撞，給施工造成困難，施工過程中很難完成緊密配合與協(xié)調(diào)，施工指導(dǎo)作用嚴(yán)重不足，以致于常發(fā)生大量返工、拖延工期、造價增加等現(xiàn)象，甚至引起質(zhì)量問題和安全隱患。因此，傳統(tǒng)項目管理技術(shù)手段無法應(yīng)對項目海量數(shù)據(jù)的即時處理(創(chuàng)建、計算、管理和應(yīng)用共享)，無法解決協(xié)同效率低、錯誤多的問題，即使施工6層樓高的保障房也面臨同樣的難題[2]。中國建筑學(xué)會副秘書長顧勇新曾在2017年管理論壇上指出“BIM技術(shù)作為建筑業(yè)智能化的重要組成部分，具有三維可視化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、工作協(xié)同化等優(yōu)勢，給建筑行業(yè)發(fā)展帶來了強大的推動力，BIM技術(shù)可優(yōu)化項目管理，提高工程質(zhì)量，降低成本和安全風(fēng)險，提升工程項目的管理效益”[3]。

在 BIM 技術(shù)的研究和應(yīng)用方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了很多研究,如MOHAMMAD等[4]引入一種可視化編程的多目標(biāo)優(yōu)化工具OPTIMO，結(jié)合Autodesk Revit B軟件進行優(yōu)化，并對結(jié)果進行初步驗證，引起了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。張春輝等[5]論述了BIM技術(shù)在基坑設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)基坑設(shè)計方法存在的缺陷和基于BIM技術(shù)的智能設(shè)計實現(xiàn)方法，充分說明了BIM技術(shù)所帶來的附加價值。劉暢[6]通過對BIM技術(shù)和相關(guān)軟件進行深入分析，討論了BIM技術(shù)在施工項目建模階段的具體應(yīng)用，具有一定的理論價值和現(xiàn)實意義，能夠為具體應(yīng)用實踐和后續(xù)研究提供參考。齊華偉等[7-10]也探討了BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用，但缺乏具體實踐案例檢驗。綜上所述，國內(nèi)外的研究雖然已經(jīng)涉及項目實施階段，但多數(shù)研究仍然偏重于設(shè)計和模型構(gòu)建，對施工企業(yè)在項目實施階段應(yīng)用BIM技術(shù)的指導(dǎo)作用和示范作用不強。國內(nèi)BIM 真正的作用和價值并沒有完全開發(fā)出來[11]，多數(shù)施工企業(yè)在施工管理中應(yīng)用 BIM 技術(shù)的積極性并不高，應(yīng)用還不夠廣泛，不能真正發(fā)揮 BIM 技術(shù)的優(yōu)越性，使BIM技術(shù)在項目實施管理階段產(chǎn)生巨大的效益。筆者結(jié)合一個工程實例，開創(chuàng)性地展示BIM技術(shù)的應(yīng)用過程、相關(guān)方法及所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益，探討智能建筑BIM技術(shù)在高層建筑施工中的作用與意義，用以推動BIM技術(shù)在工程施工階段的大量應(yīng)用和推廣。

1 工程概況

西安市長安區(qū)杜陵鎮(zhèn)英郡年華小區(qū)，坐落于長安航天大道與神舟六路交匯處向南500 m，總建筑面積約22萬m2，其中地下面積為3.3萬m2，地上面積為19萬m2。建筑高度為98.6 m，工期為1 300天，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為70年，建筑物抗震設(shè)防烈度為8度，抗震等級為一級，耐火等級為一級，該建筑為民用住宅建筑。

2 BIM技術(shù)在實例項目中的應(yīng)用

考慮到綜合管線布置的復(fù)雜性，施工單位在工程中標(biāo)后，通過BIM模型對施工階段的構(gòu)件和管線、建筑與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與管線等進行碰撞檢查、施工模擬、優(yōu)化設(shè)計，對施工中機械位置、物料擺放進行合理規(guī)劃，在施工前盡早地發(fā)現(xiàn)將會面對的問題，找到施工中不合理的地方并及時進行調(diào)整，商討出最佳施工方案與解決辦法，避免傳統(tǒng)2D模式的錯、漏、碰、缺等現(xiàn)象出現(xiàn)，從而提高施工效率和工程質(zhì)量。管線布置綜合示意圖如圖1所示。

圖1 管線布置綜合示意圖

2.1 創(chuàng)建模型

施工單位的BIM工程師依據(jù)設(shè)計圖紙中具體尺寸與數(shù)據(jù)，對前期技術(shù)文件進行分類，確定統(tǒng)一的項目樣板、建模標(biāo)準(zhǔn)、命名規(guī)則等，各參與專業(yè)采用同一模板，在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下采用Revit軟件搭建該工程三維立體模型，分別對各專業(yè)建立三維模型，在模型搭建過程中，突破傳統(tǒng)二維平面的限制，形象直觀地全視角顯示三維立體工程，然后進行碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)碰撞點。

2.2 多方會審

模型創(chuàng)建完成后，監(jiān)理單位組織建設(shè)單位、設(shè)計單位及施工單位召開協(xié)調(diào)會議，對模型中發(fā)現(xiàn)的問題進行討論，并提出切實可行的解決方案。

2.3 優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)多方協(xié)調(diào)提出的問題及解決方案，設(shè)計單位在滿足設(shè)計規(guī)范與施工規(guī)范的前提下，綜合考慮空間大小、平面位置、造價控制等因素，優(yōu)化管線走向、調(diào)整梁柱尺寸、合理布局、優(yōu)化設(shè)計。

2.4 建立模擬施工模型

經(jīng)過3次調(diào)整后，最終構(gòu)建出了模擬施工模型，用于模擬施工、工程量統(tǒng)計、進度控制，詳細(xì)應(yīng)用流程圖如圖2所示。

圖2 BIM技術(shù)應(yīng)用流程圖

3 碰撞檢查及圖紙優(yōu)化

3.1 碰撞檢查的意義

碰撞檢查，是以BIM模型為基礎(chǔ)，通過直觀可視化的方式，發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計、施工建設(shè)等過程中可能出現(xiàn)的各類“差、錯、漏、碰”問題。通常表現(xiàn)為工程實體之間可能出現(xiàn)的構(gòu)件和管線、建筑與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與管線之間的碰撞或施工工序沖突等現(xiàn)象(硬碰撞)；或者實體間實際并沒有碰撞，但間距和空間無法滿足相關(guān)規(guī)范、施工安裝、維修等要求(軟碰撞)。

高層建筑工程、大型大體量工程、異形工程中碰撞問題尤其明顯，在復(fù)雜的空間環(huán)境中各個專業(yè)的管道與設(shè)備既有自己特定的位置空間、技術(shù)規(guī)范要求，同時又必須考慮其他專業(yè)的空間位置和時間順序的合理要求，這時很難通過常規(guī)的“三視圖”方式來表達(dá)和發(fā)現(xiàn)可能存在的問題,因此需要在技術(shù)、時間和空間上統(tǒng)籌考慮與仔細(xì)規(guī)劃。尤其是一些交叉部位，如果考慮不周全、統(tǒng)籌安排不合理、各個專業(yè)協(xié)調(diào)配合不仔細(xì)，極易出現(xiàn)專業(yè)內(nèi)部或?qū)I(yè)間位置沖突、空間沖突、多部位碰撞、工序顛倒、互相破壞、顧此失彼等問題。而這些問題不僅會導(dǎo)致二次施工、拖延工期，還會增加造價，甚至引起質(zhì)量問題和安全隱患。如主體已完工卻發(fā)現(xiàn)有些部位未預(yù)埋干線和套管、孔洞預(yù)留位置錯誤，只得在已建成的墻、柱、梁、樓板上開鑿溝槽或孔洞，破壞已完成的防水墻、地面，引起后期滲漏水，更嚴(yán)重的是破壞結(jié)構(gòu)，為將來埋下質(zhì)量和安全隱患。

碰撞檢查是BIM技術(shù)在施工管理應(yīng)用中最重要的環(huán)節(jié)。對于大型復(fù)雜的工程項目，采用BIM技術(shù)進行碰撞檢查可發(fā)現(xiàn)大量隱藏在設(shè)計中的問題，這些問題在傳統(tǒng)的單專業(yè)校審過程中很難被發(fā)現(xiàn)。美國斯坦福大學(xué)在總結(jié)BIM技術(shù)價值時發(fā)現(xiàn)，使用BIM技術(shù)可以消除40%的預(yù)算外變更，通過及早發(fā)現(xiàn)和解決沖突可降低10%的合同價格[12]，消除變更與返工的主要工具是BIM的碰撞檢查。

3.2 碰撞檢查典型問題及優(yōu)化實例

BIM工程師在完成第一輪建模后進行碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)大量碰撞，不僅有管道間相互交叉碰撞，還有管線與梁柱間的碰撞，甚至不同專業(yè)的管道系統(tǒng)布置在一起，且以地下人防車庫中發(fā)現(xiàn)的不同類型碰撞點最多。

3.2.1 硬碰撞

硬碰撞主要包括：①給水、排水系統(tǒng)內(nèi)部支管與干管碰撞；②自動噴淋支管與給水干管碰撞；③采暖、消防管道穿梁；④自動噴淋干管與橋架碰撞；⑤消防干管與出風(fēng)管道重疊；⑥弱電橋架與出風(fēng)管道碰撞；⑦強電橋架穿梁；⑧多管道交叉碰撞。

其中最復(fù)雜的是多管道交叉碰撞，表現(xiàn)在給水管道與消防管道穿采暖管道、采暖管道和自動噴淋管道與強電橋架交叉、自動噴淋管道與采暖管道重疊、采暖管道和自動噴淋管道與弱電橋架交叉、個別給水管道穿梁等多管道交叉碰撞。

工程技術(shù)人員針對以上問題與建設(shè)單位和設(shè)計人員溝通，在滿足設(shè)計和施工規(guī)范等要求的前提下進行調(diào)整。依據(jù)有壓管讓無壓管、小管線讓大管線、施工容易的避讓施工難度大的，再考慮管材厚度、管道坡度、最小間距及安裝操作與檢修空間，然后結(jié)合實際，通過平移、翻彎、調(diào)整標(biāo)高等手段進行優(yōu)化，將所有重疊、交叉、穿透等所有碰撞問題徹底解決。

在屏幕上直接顯示出整個工程的三維模型，包括建筑物內(nèi)部的各種管道、內(nèi)部構(gòu)件、設(shè)備等，設(shè)計中存在的錯、碰、缺、漏及不合理的部署等問題一目了然。通過優(yōu)化前后模型部位的對比，直觀而清晰地證明BIM技術(shù)在施工管理中應(yīng)用的效果與作用。

3.2.2 軟碰撞

經(jīng)過第一輪碰撞調(diào)整后，重新建模再次進行碰撞檢查，排查第一次調(diào)整中人工很難發(fā)現(xiàn)的軟碰撞。軟碰撞示例如圖3所示，可知人防地下車庫梁底凈高2.70 m，梁下局部出風(fēng)管道1 600 mm×500 mm，底凈高2.25 m，雖然滿足規(guī)范要求的凈高2.20 m(依據(jù)汽車庫建筑設(shè)計規(guī)范對小型汽車的凈空要求)，但根據(jù)自動水噴淋規(guī)范要求大于1 200 mm的風(fēng)管需增加噴頭，因此在車道位置的風(fēng)管底部需要增設(shè)一排自動噴淋噴頭,自噴噴頭濺水盤的標(biāo)高為2.10 m，這樣就不能滿足人防地下車庫最低凈高2.20 m的要求，所以其設(shè)計是不合理的。工程技術(shù)人員通過與設(shè)計人員溝通，經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員計算,最后對該位置梁的尺寸進行調(diào)整，梁底上提，梁底凈高調(diào)整為2.80 m，所有標(biāo)高均增加0.10 m，滿足了規(guī)范要求。

圖3 軟碰撞

4 經(jīng)濟效益分析

經(jīng)過3次調(diào)整，BIM工程師在三維模型的輔助下與繪制施工圖的設(shè)計師討論，將模型不斷修改完善，最終有效解決了施工圖中的設(shè)計缺陷，模型基本達(dá)到滿足各專業(yè)與施工要求的“零碰撞”，降低了施工難度和風(fēng)險，提升了施工質(zhì)量。同時,在工程施工前發(fā)現(xiàn)并解決問題，避免了因失誤和變更而造成大量二次施工，保證了施工的順利進行。

通過對梁、柱、墻體及綜合管線等各專業(yè)間的碰撞檢查，生成碰撞檢查報告。發(fā)現(xiàn)碰撞點共256處，預(yù)留孔洞183個。工程技術(shù)人員會同設(shè)計人員和建設(shè)單位管理人員，對所有問題在符合設(shè)計規(guī)范和施工規(guī)范要求的前提下進行了調(diào)整及優(yōu)化，提前發(fā)現(xiàn)并解決了施工難點、預(yù)留孔洞和預(yù)埋套管等問題，對圖紙模型進行優(yōu)化，將優(yōu)化后的模型應(yīng)用于施工之中，提高了工程質(zhì)量，降低了安全風(fēng)險，最大限度地縮短了工期，減少了大量的人力物力浪費，達(dá)到降本增效的效果。經(jīng)綜合估算，僅碰撞檢查環(huán)節(jié)縮短工期50多天，節(jié)省人工費、材料費、機械設(shè)備費等直接成本100多萬元，實現(xiàn)施工階段效益的最大化。

5 結(jié)論

筆者運用實例詳細(xì)分析了應(yīng)用BIM技術(shù)進行碰撞檢查及圖紙優(yōu)化過程，并進行了經(jīng)濟效益分析，討論了BIM技術(shù)在施工過程管理中的應(yīng)用價值。實踐結(jié)果表明：智能建筑BIM技術(shù)在高層建筑施工管理中的應(yīng)用，不僅能實現(xiàn)智能化管理，還能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益和社會效益，實現(xiàn)施工階段效益最大化，值得廣大建筑企業(yè)借鑒和應(yīng)用。