冬奧會雪上場館全壽命期BIM需求分析

張知田，司佳麗，郭紅領，劉嘉豐

（清華大學 建設管理系，北京 100084，E-mail：hlguo@tsinghua.edu.cn）

北京2022冬奧會共規(guī)劃了25個場館，分布在北京城區(qū)、延慶和張家口崇禮3個賽區(qū)。其中，延慶賽區(qū)幾乎均為高難度新建雪上場館，張家口崇禮賽區(qū)則在現(xiàn)有滑雪場的基礎上進行改建。由于延慶和張家口賽區(qū)均位于地形復雜的山區(qū)，且建設規(guī)模龐大，難度系數(shù)較高，在場館選址、建筑能耗、賽后運營等方面將面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。同時，《奧林匹克2020議程》中體現(xiàn)的高度集中、節(jié)儉、科學、可持續(xù)辦奧運的思想[2]，對北京2022冬奧會場館建設的設計、施工與運營全壽命期各個階段均提出了更高的要求。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）作為對工程建設項目實體與功能特性的數(shù)字化表達[3]，能夠有效輔助建設工程領域的信息集成、交互及協(xié)同作用[4]。隨著相關技術的逐漸發(fā)展成熟，BIM 為建設項目全壽命期管理提供了全面有力的支持[5~7]。研究表明，BIM 技術對構建協(xié)同設計平臺[8]，保證深化設計質量[9]，提高施工綜合信息化管理程度[10]以及運維管理水平和效率[11]等方面發(fā)揮著越來越關鍵的作用。基于此，面對冬奧會場館建設的挑戰(zhàn)，運用BIM技術既可以為場館的高質量建設提供技術保障，也可為BIM在大型賽事場館建設的應用積累寶貴經(jīng)驗。然而，由于冬奧會建設項目參與主體眾多、場館結構復雜、驗收標準嚴格等特征，以及大型賽事場館建設尚缺乏明確的BIM指導標準和規(guī)范，故BIM技術在冬奧會場館全壽命期內的應用實施過程仍面臨較多瓶頸。其中，較為關鍵的是如何處理由于信息需求多樣性帶來的數(shù)據(jù)共享受阻[12]，以及如何滿足冬奧會場館特殊性要求的問題。因此，有必要掌握各參與方對BIM相關信息的具體需求內容和程度。

為解決上述問題，本文選取張家口和延慶兩個涉及雪上場館建設的賽區(qū)為研究對象，分析在冬奧會建設項目全壽命期內對BIM的實際需求。通過前期的實地考察和專家訪談，全面了解兩個賽區(qū)的主要在建場館情況、參與方情況以及BIM應用現(xiàn)狀；根據(jù)前期調研結果設計針對不同參與方的調查問卷，進行格式化專家調查；結合調查數(shù)據(jù)分析，明確不同階段各參與方對 BIM 信息的具體需求，為BIM在大型賽事場館建設中的應用推廣提供借鑒。

1 專家訪談與問卷設計

通過對張家口和延慶賽區(qū)的實地考察和項目初步調研，了解到雪上場館的建設往往是以設計方為主導。為了有針對性地了解項目整體情況，本文圍繞 BIM 應用的基本情況對設計方進行了專家訪談，進而設計了面向不同參與方的調查問卷。

專家訪談共涉及6人，其中2位分別為張家口和延慶賽區(qū)雪上場館總設計師，其余4人均為承擔核心任務的設計師。根據(jù)訪談結果得知，張家口賽區(qū) BIM 的應用主要集中在設計方內部進行頂峰俱樂部結構、管線等的碰撞檢測，對于其他結構較簡單的部位則是簡單建模；各個專業(yè)的深化設計廠家會根據(jù)需求深化所負責的模型，使用的軟件有Revit、Rhino等；施工方主要是按圖施工，目前基本沒有使用BIM模型。延慶賽區(qū)設計方對高山滑雪中心和雪車雪橇中心兩個場館，均聘請專業(yè)的團隊負責BIM建模工作。同時，施工方也建立了自己的BIM模型，但是施工模型雖具備了精細的要求，卻難以滿足與其它參與方整體協(xié)調的需求。在這個過程中，各參與方用到的 BIM 軟件也各不相同，有Rhino、Revit、Civil 3D等，因此在模型集成上也存在一定的困難。

結合上述訪談，本文設計了專家調研問卷，分為兩部分：第一部分為被調研人基本情況，第二部分為 BIM 功能需求以及反映冬奧會項目特點的BIM特殊需求。被調研人基本情況，除了工作單位、職務、年齡等基本信息外，還設置了4個問題：您在建筑行業(yè)的從業(yè)年限；您深度參與的建設項目有幾個；您是否了解 BIM；您在工作中是否使用過BIM，BIM相關工作年限有多長。根據(jù)這4個問題可以評判出每個被調研人在 BIM 與建設工程方面的經(jīng)驗，從而確定其所答問卷的參考價值。同時，為簡化整體問卷，將各賽區(qū)參與方劃分為四類：業(yè)主方、設計方、施工方、專項設計與構件生產方，其中設計方包含了建筑設計、結構設計、設備設計以及大市政設計等聯(lián)合體。

在問卷第二部分，通過資料收集、文獻查閱以及前期調研掌握的項目實際信息，列舉出了在項目建設的設計、施工、運營各個階段BIM可能發(fā)揮作用的各項功能、使用這些功能的參與方等，以期能夠覆蓋全壽命期內冬奧場館的BIM功能需求。表1以設計階段為例列舉出了部分BIM功能。另外，針對冬奧會項目的特殊需求，圍繞場館和山體等設置了多選題目，分別為“冬奧會雪上場館主要關注的場館性能有哪些？”“運營階段需要基礎結構/管道線路/設備設施的哪些信息？”和“設計/施工/運營階段需要山體的哪些信息？”。

表1 設計階段BIM功能清單（舉例）

由于各參與方工作內容存在明顯差異，問卷設計應充分考慮不同參與方在各階段的工作特點。其中，部分 BIM 功能在所有參與方中具有普遍適用性，如利用BIM功能實現(xiàn)設計方案可視化。針對參與方的差異性，調研問卷設計應結合前期調查訪談結果。業(yè)主方全過程參與項目建設，因此從設計階段的成本估算到運營階段的輔助管理均需要在調研內容中有所體現(xiàn)；設計方在整個過程中起主導作用，調研內容應反映設計方與其他參與方的協(xié)同工作特點，如同專業(yè)與跨專業(yè)的協(xié)同設計、設計方案進行施工可行性評估；專項設計與構件生產方的調研內容，一方面要反應出與設計方的信息傳遞需求，另一方面還應考慮施工安裝過程的操作配合需求，如進行構件的模擬安裝；施工階段作為BIM在項目建設過程中發(fā)揮價值的關鍵環(huán)節(jié)，施工方的調研內容應重點體現(xiàn) BIM 對實際施工作業(yè)的指導作用，如關注“人、材、機的需求與安排”等。

為調研各參與方對所列舉功能的需求程度，問卷設計采用李克特5級量表的形式，將需求程度設定5個選項“不需要、不太需要、一般需要、有時需要、非常需要”，分值分別為1~5。表2以業(yè)主方為例列出了設計階段的調研問卷。

表2 業(yè)主方設計階段BIM需求調研問卷（舉例）

2 問卷收集與分析

2.1 問卷收集

在張家口賽區(qū)設計方、延慶賽區(qū)設計方和業(yè)主方的協(xié)調下，本文依托上述格式化調查問卷先后在兩個賽區(qū)進行了專家調查。共收集有效問卷55份，其中張家口賽區(qū)39份，占比70.9%，具體情況如表3所示。

表3 專家問卷收集情況 （單位：份數(shù)）

通過對有效問卷的專家信息進行統(tǒng)計（見圖1），發(fā)現(xiàn)60%以上的專家在建設行業(yè)的從業(yè)年限大于4年，一半以上專家深度參與4個以上建設項目，全部被調研專家均了解或聽說過BIM，其中近一半專家使用過BIM技術。

圖1 專家基本信息統(tǒng)計結果

同時，這些專家在本屆冬奧項目各個階段承擔著較為重要的職務，如項目負責人、工程技術部長等，保證了問卷的代表性、全面性和權威性，可以滿足調研需求。

2.2 數(shù)據(jù)分析

針對冬奧建設項目BIM功能需求調研，本文選擇各專家打分平均值作為該功能的需求程度。通過對分數(shù)均值進行排序，更好地比較各參與方的需求情況。由于各被調研專家對每個功能評分的最高分為5，因此本文將需求程度3分以上的功能視為“需要”，3分及以下的功能視為“不需要”。

此外，根據(jù)前期專家訪談，BIM特殊需求包括場館性能需求、運營階段場館構件需求以及山體信息需求。本文主要統(tǒng)計各特殊需求的被選擇頻率，以60%作為判斷該信息是否需要的依據(jù)，60%及以上視為該信息為“關注”或“需要”。

3 結果與討論

3.1 BIM功能一般需求

各參與方在設計、施工和運營階段所需BIM功能評分取平均值后，得到如下結果：

（1）業(yè)主方。如表4所示，業(yè)主方BIM功能需求在 3個階段都有涉及，且所有針對業(yè)主方的BIM功能需求得分均在3分以上，體現(xiàn)了業(yè)主方對項目全壽命期的持續(xù)關注。其中，設計階段有關三維可視化和賽區(qū)運行流線的需求程度較高，而進行成本估算和場館性能分析程度相對較低，反映出業(yè)主方對設計階段的 BIM 應用需求側重于功能的直觀性；在施工階段，業(yè)主方主要關注BIM輔助進度和成本管控；針對運營階段的三類建筑構件信息，管線和設備比基礎結構的需求程度更高，可以看出建筑內部的細節(jié)構造是 BIM 模型在運營階段的重點內容。

表4 業(yè)主方BIM功能需求

（2）設計方。如表 5所示，設計方排名第一位的功能需求為“利用BIM進行沖突檢測等”，通過前期專家訪談得知這也是目前設計方在工作過程中使用程度最高的功能之一。另外，也有專家補充，施工過程中同樣需要利用BIM進行有關變更內容的碰撞檢查，這體現(xiàn)了設計與施工存在著協(xié)同作業(yè)需求。同時，專業(yè)間協(xié)同設計和設計方案施工可行性評估也是需求度較高的BIM功能。對于“進行賽區(qū)規(guī)劃、建筑整體布局”“決定場館在山中的選址”等設計初期所體現(xiàn)的BIM功能，設計方并沒有需求，主要是因為傳統(tǒng)的設計手段和分析方法足以滿足實際需求。

表5 設計方BIM功能需求

（3）施工方。如表6所示，施工方對BIM功能需求聚焦于設計階段和施工階段，且總體需求程度得分較高。其中，在設計階段提出了很多用于指導后續(xù)施工的BIM功能，如“設計方案施工可行性評估”等，體現(xiàn)了施工方希望通過BIM增進與設計方的協(xié)同配合，一定程度上減少施工階段變更。同時，在施工階段“對賽道混凝土底板的曲線進行控制”和“施工方案模擬分析”需求程度排名前兩位，但該兩類功能在實際應用中還不足夠。因此，BIM技術在施工階段中的應用潛力巨大且亟需提高。

表6 施工方BIM功能需求

（4）專項設計與構件生產方。如表 7所示，專項設計與構件生產方的工作內容在項目中位于設計方與施工方之間，一是承接設計方的設計繼續(xù)進行專項深化；二是生產出可以用于施工的構配件，因此其對BIM功能的需求主要集中在設計和施工兩個階段。與設計方不同的是，其在設計階段對于“自動檢查設計是否滿足設計規(guī)范”等功能并不需要，主要是因為專項設計與構件生產方所負責的項目范圍相對較小，而這幾類功能更適用于全局性的設計工作。而在施工階段，“提取構件參數(shù)信息指揮生產”和“模擬安裝”等功能體現(xiàn)了其工作特點，前者實現(xiàn)了特殊構配件的預制生產，后者能夠為施工方提供完善的前期準備。

表7 專項設計與構件生產方BIM功能需求

3.2 BIM功能特殊需求

通過分析，體現(xiàn) BIM 特殊需求的場館性能需求、運營階段場館構件需求以及山體信息需求的分析結果如表8至表10所示。

（1）冬奧場館性能需求。如表 8所示，燈光照明、賽道風速和能耗 3個性能的選擇頻率均在60%以上。燈光照明是各比賽場館尤其是夜間比賽場館的重要因素，需同時滿足運動員的比賽要求與觀眾的觀賽要求。另外，與普通建筑重點關注通風情況不同，冬奧場館在風環(huán)境上更關注賽道風速，這對于高速競賽項目至關重要，部分場館會安裝專門的擋風網(wǎng)來控制賽道周圍的風速。此外，鑒于冬奧項目人流量與人容量都很巨大的特點，關注能耗符合綠色辦奧的理念。這些性能可結合BIM模型進行相關分析。有業(yè)主方表示，雖然分析結果表明用水量相關的BIM需求程度較低，但該性能仍然值得關注。一方面由于冬奧會場館多位于山上，高山運水環(huán)境復雜；另一方面是因為雪上運動必需的雪環(huán)境不可能只依靠自然天氣，而水作為關鍵的造雪原料，為人工造雪工作提供基礎支持。

表8 冬奧場館性能需求情況 （%）

（2）運營階段場館構件需求。除了場館性能外，運營過程中對場館構件的需求也值得關注。如表9所示，對于維修周期較長的基礎結構，只需要結合 BIM 對其尺寸、材料組成等基本信息進行記錄，而維修更換記錄并不需要；對于場館中復雜的管道線路，在場館中相對隱蔽，因此格外需要利用BIM記錄其內部構造與檢查維修情況；對于場館中最易觀察到的設備類構件，其更換與檢查只需日常觀察就足夠滿足需求，不需額外進行提醒。

表9 運營階段場館構件需求情況 （%）

（3）山體信息需求。如表10所示，各階段對于等高線、地質勘探信息、維度坐標以及山體表面情況的需求程度還存在較大的差異性。其中，設計階段對等高線、地質勘探信息的需求較高；施工階段對等高線、地質勘探信息、山體表面情況的需求較高，特別是山體表面情況直接影響著施工作業(yè)的順利開展；而運營階段僅對地質勘探信息的需求程度較高。此外，有專家補充氣象資料、數(shù)字高程模型、建成后的場外山體情況以及方格網(wǎng)坐標，其同樣發(fā)揮著較為重要的作用。這些信息可以結合BIM技術集成起來，為各階段相關參與方提供支持。

表10 山體信息需求情況 （%）

4 結語

本文結合 2022年冬奧會中張家口和延慶兩個賽區(qū)雪上場館建設項目，系統(tǒng)調研了冬奧會項目的BIM需求情況。通過對調研數(shù)據(jù)的分析，明確了冬奧雪上場館建設項目各階段各參與方對 BIM 的需求情況。業(yè)主方對BIM的功能需求均衡分布于項目各階段。冬奧項目的意義和影響深遠，業(yè)主方對全過程的重視有利于把握項目整體情況，同時業(yè)主方對技術性需求相對較低，對直觀可視化的需求程度較高。BIM功能需滿足設計方與施工方的深入?yún)f(xié)調配合。對于難度高、挑戰(zhàn)大的冬奧會建設項目而言，設計方和施工方的合作質量對保障項目順利進行十分關鍵。BIM技術一方面有助于設計方及時掌握施工變更情況；另一方面有助于更加形象精準的設計交付，能夠輔助施工方對施工過程的科學把控。專項設計與構件生產方借助BIM功能，更好地發(fā)揮其專業(yè)特點。由于專項設計與構件生產方聚焦于某一結構或構件的深化設計或生產，與設計方或施工方存在合作關系，因此BIM功能應滿足相關信息的對接需求，嚴格保證設計和生產細節(jié)。冬奧會場館特殊需求，因項目階段和信息類型的不同，而存在較為明顯的差異。為了滿足信息使用需求，場館信息應重點關注燈光照明、賽道風速和能耗。同時，為了提高信息利用效率，場館構件和山體的信息存儲應更有針對性。