基于BIM5D的建筑施工技術(shù)優(yōu)化及工程管控

張丁丁 李 向

（中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

在全球經(jīng)濟(jì)水平不斷提高的勢(shì)態(tài)下，我國(guó)現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)步伐逐漸加快，建筑行業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位變得越來(lái)越重要，迎來(lái)了許多新的發(fā)展機(jī)遇。進(jìn)入2010 年以來(lái)我國(guó)建筑行業(yè)一直保持著穩(wěn)健的發(fā)展趨勢(shì)，生產(chǎn)總值占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的10%以上，并且每年的創(chuàng)造均值都在逐年上升，在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)中充當(dāng)著必不可少的重要角色[1]。但近些年來(lái)我國(guó)建筑工程項(xiàng)目出現(xiàn)的事故越來(lái)越多，生產(chǎn)方式仍以傳統(tǒng)作業(yè)為主，高成本、低效率和落后的管理模式都間接地影響著整個(gè)建筑工程的施工效果，說(shuō)明傳統(tǒng)建筑業(yè)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)下的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，必須改變傳統(tǒng)的建造方式，優(yōu)化施工技術(shù)，對(duì)整個(gè)建筑工程進(jìn)行合理管控，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低污染的目標(biāo)。目前不少學(xué)者對(duì)工程管控方法進(jìn)行了研究，例如，馬聰聰建立了一個(gè)T-C-Q 綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并利用改進(jìn)遺傳算法對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行多目標(biāo)綜合優(yōu)化[2]；鄧子龍等人分析了多目標(biāo)粒子群算法在工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管控中的應(yīng)用，以風(fēng)險(xiǎn)控制成本最小和風(fēng)險(xiǎn)損失最小為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化模型，從而完成工程風(fēng)險(xiǎn)管控[3]。但以上方法在進(jìn)行建筑工程管控過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)建筑施工資源價(jià)格分析不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

BIM 技術(shù)可以貫通建筑施工的整體，實(shí)現(xiàn)信息共享，為整個(gè)建筑施工行業(yè)帶來(lái)了巨大的轉(zhuǎn)變。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有無(wú)數(shù)的成功案例，認(rèn)可了其技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，能夠有效解決施工難度大的問(wèn)題，減小建筑成本，創(chuàng)造可觀的效益。在這一技術(shù)中最重要的就是3D 模型的建立，由于BIM 是一個(gè)多維度模型，BIM3D 和BIM4D 技術(shù)側(cè)重于對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)及其施工的可行性進(jìn)行研究，忽略了建筑施工的最終成本，根據(jù)調(diào)查顯示，工業(yè)化建筑施工的平均成本比現(xiàn)場(chǎng)澆筑每平方米要高出200～500 元。因此為了更好地在建筑施工中更好地利用BIM 技術(shù)，在閱讀大量文獻(xiàn)和論文的基礎(chǔ)上，了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)BIM 技術(shù)在建筑工業(yè)施工應(yīng)用的現(xiàn)狀，分析其技術(shù)特點(diǎn)和原理，在BIM 技術(shù)下構(gòu)建5D 模型，優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，多層次法確定工程評(píng)價(jià)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)施工跟蹤施工質(zhì)量安全，完成建筑施工的技術(shù)優(yōu)化和工程管控，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該文所述方法的效果，以期控制工業(yè)化建筑成本，減少建筑工程成本預(yù)算。

1 基于BIM5D 的建筑施工技術(shù)優(yōu)化和工程管控方法

1.1 BIM 技術(shù)構(gòu)建5D 模型

5D 建筑信息模型是在4D 的基礎(chǔ)上加入了成本維度，將原有的模型和成本要素相結(jié)合，能夠快速地了解整個(gè)建筑工程中每個(gè)構(gòu)建的成本價(jià)，甚至是某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的項(xiàng)目成本，最大限度地避免出現(xiàn)超出預(yù)算的情況。在構(gòu)建模型前需要選擇一個(gè)BIM 軟件，此次運(yùn)用多種軟件來(lái)構(gòu)建5D建筑信息模型，先對(duì)工程內(nèi)建筑構(gòu)件的幾何屬性長(zhǎng)寬高進(jìn)行選擇，其次選擇構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征以及建筑材料的物理屬性。以Revit 作為核心建模軟件， NaVisworks 作為進(jìn)度查詢軟件，魯班作為造價(jià)軟件，完成建模的準(zhǔn)備工作。選擇好BIM 軟件之后，構(gòu)建5D 建筑信息模型，分為模型初建、檢查和深化3 步完成建立。將CAD 圖紙導(dǎo)入進(jìn)BIM 軟件之后，根據(jù)建筑構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，此時(shí)可得到一個(gè)初步的BIM 模型。其次對(duì)構(gòu)建好的模型的做全方位的檢查，找到不合理之處：第一步，要求初步形成的模型在交付前建筑工期的各個(gè)參與方做協(xié)同檢查，針對(duì)原圖紙中和施工方向做優(yōu)化處理，將沒(méi)有出現(xiàn)或者出錯(cuò)的地方進(jìn)行標(biāo)記，進(jìn)行統(tǒng)一修改，保證圖紙?jiān)O(shè)計(jì)效果。第二步，在NaviSworks軟件等的幫助下對(duì)模型內(nèi)部構(gòu)件做碰撞檢查，檢查模型是否存在空間上的邏輯錯(cuò)誤，找到各線路之間是否存在結(jié)構(gòu)矛盾，線路和梁、梁和梁之間是否存在相碰現(xiàn)象[4]。第三步，對(duì)建筑構(gòu)件做高度排查，建筑內(nèi)部構(gòu)件的凈高度是否滿足模型運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。最后在所有項(xiàng)目檢查完畢后，對(duì)初步模型的性能進(jìn)行分析，將所有錯(cuò)誤進(jìn)行優(yōu)化，分析目前的采光、通風(fēng)和抗震與節(jié)能功效，如果能夠滿足合同要求，即可以將模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，使其能夠滿足后期施工的各種工作。

1.2 優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)

在模型建立好后，利用族構(gòu)件庫(kù)的族群建立和建筑施工相關(guān)的建筑族，包含樁和錨索等。根據(jù)建筑所在處的地質(zhì)，在建筑模型中將所有的預(yù)制構(gòu)件對(duì)應(yīng)的放置區(qū)域進(jìn)行重新定義，將所屬空間內(nèi)的構(gòu)件指定給某個(gè)分區(qū)，利用空間構(gòu)件來(lái)優(yōu)化建筑施工中所需的支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)圈定的建筑構(gòu)件所在的區(qū)域相關(guān)信息進(jìn)行維護(hù)，按照熱負(fù)荷和冷負(fù)荷設(shè)置不同的參數(shù)值，在空間的構(gòu)件按照指定順序排列后，根據(jù)負(fù)荷值大小的變化確定負(fù)荷類型[5]。在構(gòu)建的負(fù)荷類型確定完畢后對(duì)各層的三維模型進(jìn)行目測(cè)，檢查構(gòu)件管線和梁柱之間位置關(guān)系，對(duì)標(biāo)高不能達(dá)到吊頂要求的梁柱，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。在模型所處的空間內(nèi)完成冷熱負(fù)荷分析，確定建筑施工所需構(gòu)件的能量需求，在優(yōu)化過(guò)程中對(duì)所在區(qū)域留出固定空白位置，計(jì)算空洞和墻槽的體積，完善設(shè)計(jì)圖紙。

1.3 多層次法確定工程評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了在施工過(guò)程中更好地觀測(cè)施工進(jìn)度和效果，需要對(duì)建筑工程的各個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行指標(biāo)設(shè)定，正確的評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠更好地對(duì)施工工程進(jìn)行把控[6]。為了尋找到正確的評(píng)價(jià)指標(biāo)，該文在指標(biāo)設(shè)定前運(yùn)用層次分析法針對(duì)工程施工的要素進(jìn)行分類，分配好指標(biāo)體系的權(quán)重值，為了使評(píng)價(jià)的效率和結(jié)果更加準(zhǔn)確，在施工整體分工的4 個(gè)部分，完成初步一級(jí)指標(biāo)設(shè)定。根據(jù)選定好的一級(jí)指標(biāo)分化出相對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)，按照一配三的原則，初步形成12 個(gè)二級(jí)指標(biāo)。初步評(píng)價(jià)指標(biāo)涵蓋內(nèi)容如下表1 所示。

表1 初步評(píng)價(jià)指標(biāo)涵蓋內(nèi)容

按照表1 中所示的初步評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)表邀請(qǐng)建筑行業(yè)的6 位專家對(duì)指標(biāo)進(jìn)行打分，從而確定每個(gè)級(jí)別指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)層次分析法對(duì)每個(gè)專家的分值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析每個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要程度，按照最低分1 分，最高分10 分為標(biāo)準(zhǔn)，從一般重要到非常重要的程度，讓專家以匿名打分的方式對(duì)指標(biāo)進(jìn)行排序，根據(jù)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算公式，將指標(biāo)評(píng)分按照較差、中等、良好和優(yōu)秀分級(jí)，將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)，至此完成指標(biāo)設(shè)計(jì)。

1.4 動(dòng)態(tài)施工跟蹤施工質(zhì)量安全

通過(guò)建立好的5D 模型將建筑施工階段，按照流水段進(jìn)行劃分，并和所建模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對(duì)流水段內(nèi)對(duì)應(yīng)的工程量進(jìn)行自動(dòng)化信息提取，布置好施工計(jì)劃[7]。根據(jù)技術(shù)部門(mén)制定的施工進(jìn)度計(jì)劃，然后再把總進(jìn)度的施工計(jì)劃進(jìn)行分解，結(jié)合所有施工部門(mén)規(guī)劃的分屬計(jì)劃，把總進(jìn)度的計(jì)劃進(jìn)行編制。為了確保各施工項(xiàng)目單位能夠?qū)⑹┕みM(jìn)度控制在一定范圍內(nèi)，在計(jì)劃實(shí)施前需要將構(gòu)建的模型同各施工單位進(jìn)行2～3 次的模擬運(yùn)行，從而讓不同施工單位的項(xiàng)目負(fù)責(zé)部門(mén)在施工中有清晰的施工邏輯，將部門(mén)按照施工的前后順序安排好，一旦某個(gè)部門(mén)的進(jìn)度計(jì)劃發(fā)生改變，需要讓不影響該部門(mén)工作的平行進(jìn)度小組代替，防止整體施工進(jìn)度發(fā)生變化。在BIM5D 模型中進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工的跟蹤管理模塊設(shè)定，綜合整理整體項(xiàng)目的信息，將施工過(guò)程以可視化形象全方位進(jìn)行展示，使建筑施工工程的負(fù)責(zé)人能夠每天實(shí)時(shí)查看當(dāng)日施工情況，在施工進(jìn)展中隨時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)，控制整體施工質(zhì)量，完成施工進(jìn)度跟蹤計(jì)劃[8]。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證在BIM5D 基礎(chǔ)上優(yōu)化的施工技術(shù)能夠較好地應(yīng)用在建筑施工工程中，選擇建筑工業(yè)化的下部結(jié)構(gòu)基坑作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。選擇某市基坑工程，其占地面積約為8600m2，周邊長(zhǎng)度約1400m，挖掘深度在7m～20m，地面標(biāo)高3.2m，承臺(tái)間距為10m。根據(jù)土壤特性和建筑結(jié)構(gòu)，將基坑劃分為3 個(gè)部分：第一部分有6 個(gè)區(qū)，分別是A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)、D區(qū)、E 區(qū)、F 區(qū)，采用樁直徑為1200mm 雙排柱支護(hù)；第二部分包括G 區(qū)和I 區(qū)，用樁直徑為1000mm 灌注樁，一排預(yù)應(yīng)力錨索；第三部分只包含P 區(qū)，采用樁直徑為800mm 灌注樁，兩排的預(yù)應(yīng)力錨索，支護(hù)樁外圍再設(shè)置一排樁直徑為800mm 的攪拌樁，基坑平面圖如圖1 所示。

如圖1 所示基坑中含有2 個(gè)坑中坑和3 個(gè)核心筒。第一個(gè)坑中坑是蓄水池，以周長(zhǎng)486m，深 7.4m，灌注樁加鋼筋混凝土支撐設(shè)計(jì)。第二個(gè)坑中坑是負(fù)二層通道，以深 5.6m，周長(zhǎng)245m，雙排 PHC 管樁支護(hù)設(shè)計(jì)。另外3 個(gè)核心筒采用新型鋼板樁為支護(hù)結(jié)構(gòu)，以60a槽鋼作為鋼圍檁焊接三腳架，加上壁厚為12mm 的301 鋼管作為內(nèi)支撐。以BIM5D 技術(shù)在該基坑項(xiàng)目中的應(yīng)用流程將整體施工劃分為3 個(gè)模塊，如圖2 所示。

圖1 基坑平面圖

圖2 BIM5D 實(shí)施流程

由圖1 可知，BIM5D 實(shí)施流程主要分為施工前準(zhǔn)備階段、建模階段以及施工階段。對(duì)于施工前準(zhǔn)備階段而言，在該階段需要進(jìn)行工程預(yù)算、計(jì)劃進(jìn)度以及成本計(jì)劃的安排分析，為接下來(lái)的工作奠定基礎(chǔ)。在完成以上步驟后，就進(jìn)入建模階段，在建模階段需要完成場(chǎng)地布置以及碰撞檢查2 個(gè)步驟；最后進(jìn)行施工階段的5D 模擬，主要包括施工模擬、質(zhì)量跟蹤、資源控制、工程計(jì)算以及成本統(tǒng)計(jì)。在設(shè)定好以上實(shí)施流程后，對(duì)該模型涉及的樁、立柱和錨索等多種特殊族完成自建設(shè)定。該工程的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為泥漿護(hù)壁成孔灌注樁，由于其鉆孔施工過(guò)程中受不同土質(zhì)層影響，會(huì)出現(xiàn)孔洞和塌孔現(xiàn)象，使得樁徑局部增大，導(dǎo)致混凝土實(shí)際用量高于計(jì)劃用量，增加預(yù)算成本，因此為了提高混凝土預(yù)算的精準(zhǔn)度，根據(jù)泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁的充盈系數(shù)，對(duì)常見(jiàn)建筑工程土質(zhì)進(jìn)行分類，由此增加樁的半徑長(zhǎng)度。在施工現(xiàn)場(chǎng)完成5D 模型的建立，將工程進(jìn)度計(jì)劃和項(xiàng)目清單加以整合。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將建立好的5D 模型通過(guò)NaVisworks 軟件進(jìn)行檢查，利用模型的可視化功能，將各部件及節(jié)點(diǎn)的連接情況進(jìn)行碰撞檢查，共發(fā)現(xiàn)45 處碰撞點(diǎn)，將檢測(cè)出的碰撞點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)，如圖3 所示。

如圖3 所示最終發(fā)現(xiàn)B 區(qū)的水平支撐梁與冠梁連接不充分，按照調(diào)整冠梁的標(biāo)高方法增加此處的整體性，避免返工 。在完成各基坑部件的碰撞檢查后，對(duì)比中標(biāo)清單和實(shí)際所用資源，分析建筑工程的材料預(yù)算，部分資源對(duì)比結(jié)果如下表2 所示。

圖3 模型碰撞檢查

表2 建筑施工資源價(jià)格對(duì)比

由表2 中數(shù)據(jù)可知，利用BIM5D 技術(shù)在建筑工程的整體施工中，能夠?qū)λ璨牧虾徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行多維度的檢查和優(yōu)化，及時(shí)對(duì)合同價(jià)格和預(yù)算價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)成本控制不合理的地方，及時(shí)作出調(diào)整，降低整體施工成本，完成整體建筑施工工程管控。

為了深入驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的效果，將設(shè)計(jì)方法與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]方法進(jìn)行對(duì)比，得出建筑施工資源價(jià)格效率對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]方法相比，該文方法可以在保證整體建筑施工工程管控效果的基礎(chǔ)上以較高的效率進(jìn)行資源價(jià)格分析，效率總體在95%以上，而文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]方法的最高效率分別為85%、79%，有效說(shuō)明了該文方法的效果。證明該文方法可以為工程進(jìn)行調(diào)整留出充足的準(zhǔn)備時(shí)間，從而保證整體建筑施工工程管控的效率。

圖4 建筑施工資源價(jià)格效率對(duì)比結(jié)果

綜上所述，采用該文方法不僅可以對(duì)資源價(jià)格進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)比，而且還可以保證對(duì)比效率，保證建筑工程的成本預(yù)算控制在合理范圍內(nèi)，充分驗(yàn)證了該文方法的有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

為有效進(jìn)行建筑工程的成本預(yù)算，減少成本消耗，從而完成整體建筑施工工程管控，該文通過(guò)對(duì)BIM 技術(shù)和建筑施工全過(guò)程的研究，結(jié)合5D 信息化手段，總結(jié)了一套新的建筑施工技術(shù)和工程管控方法，并在實(shí)際建筑工程施工案例中，將新模式運(yùn)用在其中進(jìn)行模擬，不難發(fā)現(xiàn)新模式的可行性，能夠有效控制整體建筑施工成本。但由于時(shí)間和精力的限制，建筑施工階段的技術(shù)和管控模式的多樣性，在該研究中不能全部涉及，只對(duì)施工方法做了總結(jié)，沒(méi)有對(duì)一些構(gòu)件的連接點(diǎn)進(jìn)行分析研究，完成的內(nèi)容仍有不足。在后續(xù)的研究中，要利用好BIM 技術(shù)全周期的特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)建筑生命周期展開(kāi)研究，實(shí)現(xiàn)真正的信息化管理。