基于BIM 5D 技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的有效性分析

王嵐

WANG Lan

（西咸新區(qū)涇河新城管委會）

1 引言

BIM(Building Information Modeling)軟件技術(shù)進入中國是Autodesk 公司在2002 年率先提出的，目前已得到建筑業(yè)的廣泛認可，建筑工程項目是一個細化合作的過程，責(zé)任單位眾多且各單位之間的工作搭接既頻繁又密切，如果不能使項目信息實現(xiàn)有效性傳導(dǎo)，將極易造成真實性數(shù)據(jù)信息缺失、工程延誤乃至安全事故的發(fā)生。利用BIM 技術(shù)手段將建筑業(yè)信息化整合是解決這一問題核心，以建筑行業(yè)近年來廣泛應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)與裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)施工方法為例：如果有效利用BIM 模型，即可將實質(zhì)性的工程結(jié)構(gòu)方案在設(shè)計階段就提前介入，綜合構(gòu)建以結(jié)構(gòu)分析為導(dǎo)向的設(shè)計流程，并且可將施工圖及其計算階段的大量工作同步前置于設(shè)計階段。利用BIM 軟件的協(xié)同信息輔助整個工程全壽命周期管理，可將結(jié)構(gòu)調(diào)整、設(shè)計變更、控制造價、進度管理等形成完整的BIM 模型施工設(shè)計圖，這樣，生成的BIM 圖紙的完全取代了傳統(tǒng)的施工圖+網(wǎng)絡(luò)計劃圖+設(shè)計變更圖+進度控制變更等反復(fù)性較強的傳統(tǒng)審簽資料，工程管理人員僅需專注的重點則側(cè)重于對BIM 技術(shù)的全過程監(jiān)管與協(xié)同。

2 理論分析

以往研究中大多僅僅對于BIM 發(fā)展模式進行了探討，但在具體的高性能預(yù)制構(gòu)件裝配式施工同新興BIM 5D 技術(shù)相結(jié)合領(lǐng)域的研究相對較少。BIM 5D 技術(shù)即在原有的BIM 三維模型基礎(chǔ)上加入進度維度控制和造價維度控制兩個維度，從而形成一個基于BIM 技術(shù)的建筑信息五維控制管理體系模型，在原有軟件模型的功能范圍內(nèi)融入了時間進度信息控制管理與成本造價信息控制管理功能區(qū)，形成更具有跨組織性管理特點的工程管理技術(shù)模型，在原有的3D 模型已足夠完成大量的數(shù)量信息集合，在此基礎(chǔ)上再加入時程鏈接，對于工程預(yù)算成本形成前置性管理具有顯著的效益?；谑┕るA段現(xiàn)場實際操作具有多變性與不確定性，BIM 5D 技術(shù)相較于原有管理流程能夠更為快速的反映時程與成本，協(xié)助施工現(xiàn)場應(yīng)對突發(fā)情況作出迅速反應(yīng)，生成精準(zhǔn)的數(shù)量與工序各單位分析抉擇，協(xié)同設(shè)計、勘查、監(jiān)理等各單位提供解決方案并精準(zhǔn)計算成本，預(yù)估現(xiàn)金流量及財務(wù)狀況，有效降低營運的風(fēng)險成本。結(jié)合預(yù)制構(gòu)件安裝更有效的優(yōu)化了傳統(tǒng)施工工藝精度控制，有效提升生產(chǎn)效率、節(jié)約工期、降低成本，完全符合當(dāng)下推行的綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)化工程建設(shè)要求。

3 實例分析

以北京建筑大學(xué)體育館工程建設(shè)項目為例，該項目是極具典型的大跨度鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工的建筑工程，項目主體總高度27.5m，占地面積約4458 m2，總建筑面積19152 m2，建筑結(jié)構(gòu)分為地下兩層水上項目功能區(qū)，主體地上一層、局部三層分隔的室內(nèi)比賽功能區(qū)設(shè)計。地上主體結(jié)構(gòu)體系為裝配式鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)加大跨度單層鋼網(wǎng)殼屋頂（見圖1）。南側(cè)廣場設(shè)計為下沉式結(jié)構(gòu)并設(shè)置10.7m 高裝配式混凝土擋土墻，可直通地下二層。北側(cè)設(shè)置有弧形室外踏步，可通至二層屋面平臺。該項目涉及建設(shè)業(yè)態(tài)豐富，并要求其設(shè)計品質(zhì)需符合綠色建筑三星建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用BIM 技術(shù)手段進行全過程項目管理：土建模型、設(shè)備模型、整體模型、碰撞檢測管線綜合、施工工藝方案模擬、5D 進度模型、質(zhì)量資料管理、精裝修模擬、移動端運用等。其中以建筑主體施工為主線，利用BIM 5D建模所需提取的核心數(shù)據(jù)信息為節(jié)點，分析設(shè)定施工階段現(xiàn)場水文地質(zhì)及氣候等數(shù)據(jù)信息，對應(yīng)分析建筑自遮擋時間信息及陰影面積分布概況，獲取大跨境單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采光設(shè)置最佳角度，指導(dǎo)設(shè)備定位等綜合方案研判；然后將確定的建筑形體方案數(shù)據(jù)傳遞給結(jié)構(gòu)分析部門，對工程結(jié)構(gòu)分解定位線等導(dǎo)入有限元分析，獲得真實的構(gòu)件信息和截面屬性，設(shè)定準(zhǔn)確的荷載組合分析得到結(jié)構(gòu)受力布置方案。對于裝配式鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合有限元軟件分析計算，優(yōu)化施工工藝及施工進度布置方案決策。

3.1 BIM 5D 應(yīng)用在實例中的有效性分析

圖1 主體結(jié)構(gòu)BIM 模型

由圖1 可見體育館結(jié)構(gòu)成橢圓形，最大直徑為80m，屋頂部分采用大跨度單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)與裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具有大跨度、高精度、施工工藝復(fù)雜等特點，其中的機電安裝工程尤其復(fù)雜。機電安裝工程涵蓋電氣工程、通風(fēng)與空調(diào)工程、給水排水與消防工程、消防弱電工程等，由于項目綜合管線的排布難度大，工程機電設(shè)備數(shù)量多，室內(nèi)凈空高度要求高。針對上述特點在機電設(shè)計方面，以結(jié)構(gòu)設(shè)計的空間信息、外形數(shù)據(jù)、水文氣候分析等作為參考依據(jù)，在建模過程中使用真實尺寸的設(shè)備構(gòu)建庫，由Revit 模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出STL 格式，導(dǎo)入CFD 軟件分析，優(yōu)化機電設(shè)計方案決策解決相應(yīng)的技術(shù)問題。機電機房內(nèi)采用空間綜合布設(shè)方式，以空調(diào)水管道防漏利排優(yōu)先排布，配合調(diào)整通風(fēng)管道、電氣橋架及噴淋管道的空間布設(shè)。在5D 建模中，將空調(diào)水系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)中不同種類的管道使用真實尺寸的設(shè)備構(gòu)件建族，添加至各視圖的過濾器中控制其可視性，模擬排布施工可提高繪圖效率及其實際可利用率。在繪制和調(diào)整布管設(shè)置圖時可完成在所有管道的模擬碰撞檢查，及時發(fā)現(xiàn)隱患并調(diào)整完畢后再進行全部設(shè)備進出口處的接管連接，再完成一遍通路模擬檢驗。這樣，一方面在利用真實設(shè)備尺寸構(gòu)建模型的過程中可為項目實際施工提供精準(zhǔn)的預(yù)留預(yù)埋數(shù)據(jù)，為后期期系統(tǒng)調(diào)試中選型提供依據(jù)完成校核計算。另一方面，可縮短碰撞檢查時間，避免重復(fù)調(diào)整設(shè)備或管道數(shù)據(jù)造成二次數(shù)據(jù)損失，有效地提高了繪圖效率和精度，避免施工過程的交叉反工及材料 浪費。

3.2 運用BIM 計算工程量和技術(shù)施工質(zhì)量管理的優(yōu)勢

基于BIM 5D 技術(shù)自動化信息算量方法的完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性等特征，可以根據(jù)需要以不同的單位角色、不同精度細度計算工程量，在設(shè)計發(fā)生變更時統(tǒng)計工程量、成本同步變更并形成報告。核對工程量及其價格變動狀況極為方便，不僅可以在報表里查看匯總工程量，對單個的構(gòu)建、梁板柱同樣可以查看核對，將造價工作同設(shè)計工作同步更新，人工成本和時間成本都將大大降低。相比較傳統(tǒng)工程量計算方法而言極端精度更高、對于數(shù)據(jù)量大工藝復(fù)雜的工程來說時間更短，徹底改變設(shè)計與造價脫節(jié)為決策者方案的制定帶來的困擾，能夠?qū)崿F(xiàn)“所見即所得”的設(shè)計造價 方案。

BIM 信息同樣具有三維可視化、協(xié)調(diào)性及模擬性的優(yōu)勢特征。根據(jù)設(shè)計圖紙要求本項目塔吊基本覆蓋全部施工區(qū)域，主要供土建結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、金屬屋面等施工使用。為此，體育館混凝土結(jié)構(gòu)部分裝配施工完畢，且達到規(guī)定要求后，方可進行鋼結(jié)構(gòu)部分的施工。運用BIM 5D 建模的方法模擬整個施工階段，在REVIT 之中演算好施工土建、鋼結(jié)構(gòu)模型后，同時建立機械模型，用內(nèi)建體量模型模擬單位單位機械倒序施工，把模型全導(dǎo)入Navisworks 或者Lumion 中制作演示動畫模擬仿真施工現(xiàn)場，可直觀有效地開展技術(shù)質(zhì)量控制、分析與運算，對于出現(xiàn)的施工質(zhì)量問題可節(jié)約解決爭議的時間。BIM 模型提供了建設(shè)工程的實際數(shù)據(jù)信息，模擬過程與現(xiàn)實建設(shè)匹配度極高。運用Microsoftproject結(jié)合施工動畫制作初始施工進度，盡可能考慮到現(xiàn)場每一個場景可能發(fā)生的狀況，對現(xiàn)場路線、施工工序、等待時間、自由時長等需要預(yù)知的信息通過Navisworks 對演示獲得，在保證質(zhì)量的前提下不斷優(yōu)化的施工技術(shù)方案及組織方案。

4 結(jié)論與展望

通過資料收集和實例分析，論證如何利用BIM 5D 技術(shù)為手段，結(jié)合當(dāng)下要求的綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，對于工程項目從規(guī)劃、設(shè)計到施工、運營維保全過程落實綠色指標(biāo)建設(shè)。研究表明，BIM 5D 技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用是具有顯著成效及價值的，能夠有效解決當(dāng)下施工技術(shù)壁壘、節(jié)約成本、緩解環(huán)保壓力、減少耗材、改進進度管控、提升風(fēng)險管理能力、保障施工質(zhì)量、完善數(shù)據(jù)積累、培養(yǎng)高端技術(shù)人才等各方面問題。結(jié)合目前國內(nèi)外BIM 的發(fā)展，現(xiàn)階段我國的BIM 仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。如BIM 軟件目前仍存在多家供應(yīng)商且不同軟件供應(yīng)商之間數(shù)據(jù)交互技術(shù)難度大；已建成模型信息與計劃構(gòu)建模型關(guān)聯(lián)度不強，標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件真實數(shù)據(jù)模型共享度不高，在成初期建模的大量時間成本浪費；由于對于大體量建筑建模生成文件數(shù)據(jù)過大，尤其是將項目各專業(yè)模型集成在一起想要實現(xiàn)一體化管理，那么對于硬件的要求國內(nèi)很難以低成本滿足，對于高端硬件技術(shù)設(shè)備依賴度高，初期成本過大。未來BIM 5D 技術(shù)將聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)信息平臺技術(shù)、云計算技術(shù)、云空間技術(shù)等，盡可能的降低運營維護成本，提升軟件技術(shù)與工程管理結(jié)合的普遍應(yīng)用。