BIM技術(shù)在被動(dòng)式建筑施工過(guò)程中的應(yīng)用

(中建八局第二建設(shè)有限公司，濟(jì)南 250014)

引言

被動(dòng)式建筑是建筑利用自身的空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)形式、建筑材料與構(gòu)造的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到低能耗的環(huán)保型建筑。相比普通建筑，被動(dòng)式建筑不用依賴太多外部能源就可以達(dá)到良好運(yùn)轉(zhuǎn)的效果。

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)是2002年以來(lái)全球范圍內(nèi)在建筑行業(yè)、信息行業(yè)及軟件研發(fā)等領(lǐng)域迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。

近年來(lái)，隨著BIM技術(shù)的快速發(fā)展，在工期優(yōu)化、成本優(yōu)化、管理提升、質(zhì)量管控等方面已成熟運(yùn)用于工程建設(shè)全過(guò)程，并總結(jié)出了BIM技術(shù)在項(xiàng)目施工中的工作模式及流程。但BIM技術(shù)在特殊要求繁多的被動(dòng)式建筑中，針對(duì)性應(yīng)用較少，缺少系統(tǒng)性的成果總結(jié)。

本文以山東省委黨校新校區(qū)建設(shè)項(xiàng)目二期工程為載體，對(duì)比被動(dòng)式建筑與常規(guī)建筑施工區(qū)別，分析被動(dòng)式建筑施工技術(shù)重難點(diǎn)，探索BIM技術(shù)在被動(dòng)式建筑工程施工過(guò)程中的應(yīng)用方向。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于山東省濟(jì)南市，建筑面積5.47萬(wàn)m2，主要包括綜合培訓(xùn)樓、車庫(kù)、餐廳等。其中綜合培訓(xùn)樓地下1層，地上12層，被列入國(guó)家和山東省被動(dòng)式超低能耗綠色建筑示范工程。建成后，將成為我國(guó)目前面積最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、功能最全的被動(dòng)式超低能耗綠色節(jié)能公共建筑。

較傳統(tǒng)施工相比，被動(dòng)式建筑外窗外掛施工、屋面干法施工、增加透氣膜和防水膜以提高建筑整體氣密性等新技術(shù)的應(yīng)用，使外墻保溫、屋面等節(jié)點(diǎn)施工復(fù)雜。

2 項(xiàng)目策劃階段BIM技術(shù)應(yīng)用

2.1 實(shí)景建模

利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量可獲取選址區(qū)域多角度的高分辨率影像，生成實(shí)景三維模型。實(shí)施過(guò)程中，便于我們從宏觀和微觀兩個(gè)方面對(duì)選址地點(diǎn)進(jìn)行視察，可以通過(guò)影像數(shù)據(jù)視察選址地周邊的每一個(gè)細(xì)節(jié)，使建設(shè)項(xiàng)目與周邊環(huán)境的關(guān)系更加清晰，對(duì)項(xiàng)目的選址提供了有效輔助。

與傳統(tǒng)攝影測(cè)量相比，節(jié)省80%的時(shí)間，測(cè)繪精度達(dá)到厘米級(jí)；通過(guò)與實(shí)際測(cè)量相比，準(zhǔn)確度達(dá)到97%。

2.2 場(chǎng)地布置優(yōu)化

利用BIM技術(shù)建立三維場(chǎng)地模型，進(jìn)行有效的模擬驗(yàn)證，預(yù)先發(fā)現(xiàn)方案中的問(wèn)題，并協(xié)調(diào)相關(guān)單位進(jìn)行調(diào)整，確保施工的順利進(jìn)行。

本工程位于山坡之上，場(chǎng)地狹窄，在進(jìn)場(chǎng)之前，充分利用BIM技術(shù)對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行布置策劃，合理規(guī)劃臨建、塔吊、材料堆場(chǎng)、加工廠等位置。

通過(guò)與相關(guān)單位的溝通協(xié)調(diào)，先后對(duì)施工場(chǎng)地經(jīng)過(guò)三次優(yōu)化，減少了土方開挖平整量，充分利用有效空間。

項(xiàng)目策劃完成后，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行綠化及渲染，為項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)“花園式”建筑工地提供有力支撐。通過(guò)BIM全面地場(chǎng)地策劃，確保了土地利用最大化，最大程度避免了二次搬運(yùn)的發(fā)生； 可直接出具計(jì)劃投入量，讓投入更合理，實(shí)現(xiàn)了最小的投入、最大的產(chǎn)出。

通過(guò)BIM軟件對(duì)場(chǎng)布模型進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，對(duì)生活區(qū)所有設(shè)施及宣傳欄進(jìn)行美化，導(dǎo)出美化效果，交付廣告公司直接生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)工人參照效果直接安裝施工。

2.3 圖紙會(huì)審

通過(guò)BIM模型，對(duì)圖紙進(jìn)行直觀反饋，提前發(fā)現(xiàn)圖紙問(wèn)題并提出圖紙疑問(wèn)，邀請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)院等相關(guān)單位召開圖紙會(huì)審會(huì)議、及時(shí)解決問(wèn)題。

被動(dòng)式建筑復(fù)雜節(jié)點(diǎn)多、涉及專業(yè)廣，各專業(yè)易發(fā)生沖突，造成返工和工期延誤， 提前創(chuàng)建BIM模型，在每個(gè)專業(yè)的建模過(guò)程中，共發(fā)現(xiàn)157條錯(cuò)、漏、碰、缺等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)工程圖紙的輔助會(huì)審，與傳統(tǒng)的工程圖紙會(huì)審相比，工程圖紙所存在的問(wèn)題清晰可見，節(jié)省了35%的時(shí)間。

2.4 分析模擬

(1)道路車輛行駛模擬

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小，通過(guò)Vehicle Tracking軟件設(shè)定車輛的幾何尺寸及最小轉(zhuǎn)彎半徑，模擬車輛行駛路徑，合理安排道路兩側(cè)構(gòu)筑物，在保證車輛正常通行的前提下規(guī)劃出最優(yōu)路線。

(2)臨建光照分析

BIM前期策劃做出臨建方案以后，進(jìn)行自然和人工光照分析，通過(guò)調(diào)整模型做出方案比選，最終選擇最優(yōu)方案。通過(guò)光照分析，為辦公和住宿提供最舒適環(huán)境，以提高工人的工作效率及幸福指數(shù)。

(3)安全疏散模擬

基于BIM模型運(yùn)用Pathfinder軟件，以餐廳為例，對(duì)人員安全疏散全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬， 當(dāng)人數(shù)達(dá)到200人時(shí)，餐廳右側(cè)出口門寬度不能滿足要求，通過(guò)優(yōu)化建議后，設(shè)計(jì)單位對(duì)該位置進(jìn)行了加寬變更。

圖4 餐廳整體疏散模擬

3 深化設(shè)計(jì)BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 土建深化設(shè)計(jì)

(1)模板腳手架深化設(shè)計(jì)

利用BIM軟件對(duì)模架進(jìn)行參數(shù)化精細(xì)建模，輔助確定模架施工方案，從而對(duì)模架施工進(jìn)行精細(xì)化管理，解決模架在設(shè)計(jì)施工中存在的前期設(shè)計(jì)不深入、算量難度大、外架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)難等問(wèn)題。

本工程高支模區(qū)域較多，通過(guò)品茗模架設(shè)計(jì)軟件對(duì)優(yōu)化后的模架生成工字鋼平面布置圖、立桿平面布置圖、剖面圖、節(jié)點(diǎn)大樣圖等，可快速對(duì)于不同搭設(shè)方案進(jìn)行最優(yōu)化的選擇，并有效輔助高支模方案編制； 通過(guò)三維模型生成“高支模匯總表”和“材料統(tǒng)計(jì)表”輔助計(jì)算模架用量； 采用三維模型，實(shí)現(xiàn)施工方案可視化，使專家評(píng)審更直觀、快捷。

(2)疊合板深化設(shè)計(jì)

綜合培訓(xùn)樓標(biāo)準(zhǔn)層以上為裝配式樓層，在裝配式樓層施工前，利用BIM軟件進(jìn)行構(gòu)件拆分，再對(duì)拆分后的構(gòu)件進(jìn)行鋼筋排布。疊合板深化設(shè)計(jì)增加管道預(yù)留孔及預(yù)埋線盒，避免預(yù)制板安裝后二次拆改。深化過(guò)程中在軟件中設(shè)置構(gòu)件編號(hào)，直接輸出施工圖紙與構(gòu)件明細(xì)表。同時(shí)生成構(gòu)件信息二維碼，工人現(xiàn)場(chǎng)掃描二維碼即可獲得構(gòu)件信息以及安裝施工要求。

圖5 疊合板深化設(shè)計(jì)

(3)二次結(jié)構(gòu)深化

針對(duì)二次結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)施工中圖紙描述不清晰以及前期設(shè)計(jì)不深入等問(wèn)題，利用BIM模型完成二次結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合方案、進(jìn)行施工交底、計(jì)算砌體實(shí)際用量。

通過(guò)Revit軟件建立二次結(jié)構(gòu)模型，更直觀地了解設(shè)計(jì)意圖，解決圖紙描述不清晰的問(wèn)題。并利用族構(gòu)件進(jìn)行墻體排磚以及構(gòu)造柱的排布，生成CAD二維圖紙、砌體用量明細(xì)表、三維模型，選擇最優(yōu)方案，做到精細(xì)化管理，控制成本。通過(guò)砌體排布，樓層砌體材料用量準(zhǔn)確率達(dá)到95%，減少了材料用量及清理轉(zhuǎn)移用工量。

與傳統(tǒng)的CAD二次結(jié)構(gòu)深化相比，采用BIM技術(shù)工作效率高、準(zhǔn)確率高、施工交底更直觀。

圖6 砌體排布

3.2 鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋深化

(1)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

利用Tekla軟件建模提前發(fā)現(xiàn)鋼桁架轉(zhuǎn)換層，斜鋼梁與水平鋼梁鋼筋過(guò)大、過(guò)密，導(dǎo)致鋼筋沖突、鋼筋密度大、綁扎與混凝土澆筑困難，利用模型與甲方、設(shè)計(jì)院及時(shí)溝通，提前制定解決方案，通過(guò)交界處做加腋處理，避免了工期延誤。

在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)過(guò)程中，導(dǎo)出的施工圖及構(gòu)件加工圖，有效減小了現(xiàn)場(chǎng)拼裝的誤差，準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖7 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)深化模型

圖8 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)實(shí)施效果

(2)鋼筋深化

利用廣聯(lián)達(dá)BIM算量軟件對(duì)鋼筋進(jìn)行優(yōu)化，控制接頭數(shù)量，短料再次利用，逐層建立鋼筋模型，并生成下料清單，與廠家定制相應(yīng)尺寸直條鋼筋，最大限度地減少鋼筋原材的浪費(fèi)，通過(guò)運(yùn)用BIM指導(dǎo)項(xiàng)目節(jié)約鋼筋約90 t。

圖9 廣聯(lián)達(dá)BIM算量平臺(tái)

3.3 被動(dòng)式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

(1)被動(dòng)式屋面節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

被動(dòng)式屋面工序繁瑣，利用BIM對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行1： 1繪制、指導(dǎo)，并對(duì)雙層保溫、防火隔離帶進(jìn)行排版，確定分水線、排水溝、落水口精準(zhǔn)標(biāo)高，以精細(xì)化深化設(shè)計(jì)保證被動(dòng)式屋面成品效果。

圖10 屋面深化模型與樣板

(2)屋面變形縫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

被動(dòng)式建筑屋面對(duì)變形縫要求較為嚴(yán)格，傳統(tǒng)變形縫做法無(wú)法滿足被動(dòng)式能耗要求，利用BIM技術(shù)深化變形縫做法，滿足能耗要求的前提下，便于技術(shù)質(zhì)量交底，確保成品質(zhì)量。

圖11 屋面變形縫深化模型

(3)防冷橋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

用防腐木將墻體與安裝件進(jìn)行隔斷，有效地阻斷墻體與安裝件之間的熱量傳導(dǎo)，極大限度地減少了戶內(nèi)熱量的損失。

圖12 防冷橋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

(4)被動(dòng)窗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

被動(dòng)窗的安裝節(jié)點(diǎn)比較復(fù)雜，安裝難度較大，在現(xiàn)場(chǎng)施工開始前，創(chuàng)建精細(xì)化節(jié)點(diǎn)模型，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖13 被動(dòng)窗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.4 機(jī)電安裝深化設(shè)計(jì)

(1)管綜優(yōu)化

機(jī)電模型與結(jié)構(gòu)、建筑模型整合，碰撞檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)碰撞點(diǎn)786處，針對(duì)碰撞報(bào)告進(jìn)行管線優(yōu)化，經(jīng)過(guò)粗略調(diào)整進(jìn)而縮減到355處，再進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，消除碰撞。

圖14 整合模型

利用Revit對(duì)管道布置方案進(jìn)行了三維演示，并進(jìn)行了碰撞檢測(cè)。根據(jù)業(yè)主要求篩選出最優(yōu)方案，在滿足業(yè)主需求的前提下，消除管道碰撞，降低施工難度，保證工程按時(shí)竣工。

圖15 管道優(yōu)化排布

(2)凈高優(yōu)化

通過(guò)對(duì)管線布局的優(yōu)化，最大化提升凈空高度，以一層為例，將風(fēng)機(jī)盤管移動(dòng)至梁窩內(nèi)，管線可以整體上移360 mm，使凈高由原設(shè)計(jì)4.20 m達(dá)到4.56 m。

圖16 凈高優(yōu)化

(3)支吊架設(shè)計(jì)

利用BIM技術(shù)建立構(gòu)件模型，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，形成構(gòu)件信息表，指導(dǎo)生產(chǎn)廠家進(jìn)行加工和生產(chǎn)。

圖17 支吊架設(shè)計(jì)

(4)裝配式機(jī)房

施工技術(shù)員及BIM深化設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，借助模型可視化展示技術(shù)，與現(xiàn)場(chǎng)安裝負(fù)責(zé)人、施工員一起討論裝配式機(jī)房實(shí)施方案，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)修改方案； 通過(guò)設(shè)計(jì)與施工深度相結(jié)合，對(duì)各機(jī)房、泵房的設(shè)備及管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化排布。

圖18 機(jī)房模型

(5)標(biāo)注出圖

管線二次綜合布置采用BIM技術(shù)，并提前優(yōu)化碰撞沖突，避免不必要的返工。根據(jù)公司出圖標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目實(shí)際需求，完成機(jī)電各專業(yè)出圖，利用深化圖紙指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖19 標(biāo)注出圖

4 智慧工地建設(shè)

4.1 BIM+VR/AR

利用VR技術(shù)進(jìn)行模型展示、可視化交底、安全教育等。運(yùn)用AR技術(shù)顛覆傳統(tǒng)建筑圖紙的使用方式，通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備掃描圖紙即可得到三維建筑模型，使普通的建筑工人快速看懂圖紙，極大地提高了施工圖讀取效率和準(zhǔn)確率，有效推動(dòng)建筑圖紙走向智能時(shí)代。

4.2 項(xiàng)目管理BIM云平臺(tái)

公司以自主研發(fā)Dbword軟件為BIM數(shù)據(jù)管控平臺(tái)，建立跨地域、跨部門、跨團(tuán)隊(duì)、基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同工作空間，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的無(wú)紙化、移動(dòng)化辦公，以DBword為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模型的輕量化，以電腦端手機(jī)端為依托，實(shí)現(xiàn)模型的瀏覽查看。

圖20 BIM+AR

圖21 Dbword管理平臺(tái)

4.3 智能應(yīng)用

(1)雨水回收

根據(jù)BIM模型、三維場(chǎng)部模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，按照公司雨水、冷凝水循環(huán)利用標(biāo)準(zhǔn)，建立雨水冷凝水收集系統(tǒng)，用于洗車、綠化和降塵。

雨水回收及屋面降溫智能控制系統(tǒng)將收集的雨水經(jīng)過(guò)凈化處理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)板房屋頂進(jìn)行智能噴水降溫，既能有效地降低屋內(nèi)溫度又可以達(dá)到節(jié)約水資源的目的。

圖22 屋面降溫

(2)智能監(jiān)控

根據(jù)BIM現(xiàn)場(chǎng)平面規(guī)劃，合理布置太陽(yáng)能路燈、噴淋設(shè)備，使用綠色能源進(jìn)行照明，安裝智能化新型噴霧系統(tǒng)、智能物聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)。

圖23 智能物聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)

(3)智能監(jiān)測(cè)

1)通過(guò)BIM模型模擬安裝，輔助智慧工地新型卸料平臺(tái)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工；

2)載物重量自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，增加傳統(tǒng)卸料平臺(tái)的超載保護(hù)功能；

3)語(yǔ)音與燈光報(bào)警功能，給施工作業(yè)人員預(yù)警報(bào)警，避免因超載而引起的坍塌事故；

4)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)記錄、查詢、分析卸料平臺(tái)進(jìn)出料記錄，從而針對(duì)性地加強(qiáng)安全教育與培訓(xùn)。

圖24 BIM模型模擬安裝硬件

4.4 疫情防控策劃

在疫情期間迅速搭建防疫相關(guān)模型與相應(yīng)位置，并依據(jù)模型積極有序地開展疫情防控工作，通過(guò)人臉識(shí)別測(cè)溫設(shè)備以及積極地消毒、宣傳等措施，保證作業(yè)人員的安全。

圖25 防疫相關(guān)BIM模型

5 效益分析

(1)項(xiàng)目管理應(yīng)用BIM技術(shù)，提高了項(xiàng)目規(guī)劃的可行性，避免了不必要的返工和二次處理，通過(guò)施工模擬和方案交底對(duì)施工組織設(shè)計(jì)和專項(xiàng)施工方案提出了20條優(yōu)化建議，有效地減少了項(xiàng)目施工時(shí)間65天；

(2)利用BIM技術(shù)進(jìn)行預(yù)先建模設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制工程造價(jià)，通過(guò)管道綜合和碰撞檢測(cè)提供364條優(yōu)化建議，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題和繪圖錯(cuò)誤，避免施工返工，減少材料損失，節(jié)約工程成本約34萬(wàn)元；

(3)利用BIM技術(shù)針對(duì)各專業(yè)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)并進(jìn)行可視化溝通，縮短了溝通時(shí)間，減少了溝通成本，減少了因人員變更帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，減少專項(xiàng)交底會(huì)議39場(chǎng)，大幅提高溝通效率；

(4)基于BIM的信息云平臺(tái)，協(xié)調(diào)各參與方和信息共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的管理改進(jìn)和實(shí)時(shí)控制，從而協(xié)調(diào)和組織資源； 運(yùn)用BIM動(dòng)態(tài)管理技術(shù)，協(xié)調(diào)各專業(yè)分包工作面管理，提高總包單位的協(xié)調(diào)組織水平；

(5)利用BIM技術(shù)提前溝通解決圖紙問(wèn)題，通過(guò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化施工工藝，模擬施工工序，有效提升了工程整體品質(zhì)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)BIM指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)綠色、智慧科技化施工，確立了打造“花園式工地、智慧工地”的安全文明管理目標(biāo)，多次接受新華網(wǎng)、大眾網(wǎng)、濟(jì)南廣播電視臺(tái)等多家新聞媒體的采訪報(bào)道，并獲得了濟(jì)南市住建局領(lǐng)導(dǎo)的高度肯定，為全市“打造花園式工地、創(chuàng)造安全文明工地”營(yíng)造了良好氛圍。

通過(guò)BIM指導(dǎo)被動(dòng)式建筑高質(zhì)量建造效果顯著，目前項(xiàng)目已順利通過(guò)“山東省建筑工程優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)”，省市領(lǐng)導(dǎo)多次到現(xiàn)場(chǎng)觀摩調(diào)研，對(duì)項(xiàng)目的BIM應(yīng)用給予了充分的肯定與贊賞。