基于BIM技術對建筑設計施工過程的優(yōu)化拓展研究

高雅杰　倪娜　劉婉晴　冷俊杰　劉苗苗

【摘 要】近年來，隨著建筑行業(yè)的信息化水平迅速攀升，BIM技術也在日益完善。施工過程是建設項目的關鍵階段之一，是 BIM 技術應用最直觀、最全面的階段。通過對施工過程建立BIM參數化模型，使用碰撞檢查檢驗設計方案可行性，針對模型優(yōu)化施工方案和場地布置，并對模型進行施工可視化模擬。引用BIM技術能有效地輔助解決建筑施工過程中的施工難題，保證現場施工高效有序地進行。

【關鍵詞】BIM; 設計施工; 優(yōu)化; 場地布置

【中圖分類號】TP391.99【文獻標志碼】A

BIM（建筑信息模型）技術是將建筑工程項目的基本信息，如空間位置、構建尺寸和配筋信息等作為基礎數據，通過三維虛擬仿真軟件用一個三維模型集中體現。由于 BIM 模型真實的三維特性，其可視化可以直觀糾錯，有助于設計師預先發(fā)現施工過程中可能出現的問題，進行提前的修改，減少施工階段的反復，不僅節(jié)約了成本，更加快了建設工期。對于施工過程有著指導及輔助作用，合理運用BIM技術將大大提高施工效率。

1 國內外研究現狀

美國BIM研究處于國際領先水平，2012年BIM技術在工程建設行業(yè)的應用比率超過70 %。北歐是一些主要的建筑信息技術的軟件廠商所在地，北歐建筑企業(yè)都會自覺采用BIM技術。因為很多全球領先設計公司的總部都在倫敦，英國BIM技術的使用也相當普遍。由此可見，BIM技術在國外發(fā)達國家已得到了廣泛應用。

當前BIM技術在國內已經有了一定的發(fā)展，越來越多的國內外業(yè)主提出明確的BIM要求。BIM將成為國內下一代主流技術，但其技術的發(fā)展應用與推廣仍不夠。對于設計階段、場地布置、施工階段以及建成后的維護和管理階段，BIM技術的應用并未形成完善的體系。

2 研究原因

研究BIM技術在優(yōu)化施工過程中的應用，彌補了當前BIM研究集中在設計階段的不足，進一步擴大BIM理念的價值，實現BIM技術在建筑全壽命期的管理。從實踐上，考慮到未來建筑增多，建筑運營階段的設施管理將是投入資本最多，建筑成本質量控制最困難的階段，設施管理信息化勢在必行。而研究以BIM技術為主的房屋建筑施工，有利于從信息化的角度，指導未來施工階段的設施管理及場地優(yōu)化，實現高效施工。隨著應用BIM技術建造的建筑增多，提前研究基于BIM技術進行施工過程優(yōu)化，為未來的建筑施工提供有效的施工過程優(yōu)化依據，進一步為建筑設計以及決策，提供以完善和考慮房屋建筑設施管理目的為依據的建筑規(guī)劃和設計。

3 研究內容

3.1 設計優(yōu)化

設計優(yōu)化主要指碰撞檢查。碰撞檢查指通過BIM模型檢測工具發(fā)現項目中圖元之間的沖突。這些圖元可能是模型中的一組選定圖元，也可能是所有圖元。通過BIM模型對施工階段的構件和管線、建筑與結構、結構與管線等等進行碰撞檢查，在施工前盡早地發(fā)現未來將會面對的問題及矛盾，尋找出施工中不合理的地方及時進行調整，降低傳統2D模式的錯、漏、碰、缺等現象的出現，提高施工效率和質量，縮短工期。傳統的CAD二維表達方式不完整，特別是一些工程構件的表達，經常用一些簡單的線來表示一些主要的部位比如一種直徑的部件在CAD中表達方式為一個線段，然而實際中還要考慮傾斜角度和體積以及很多時候在對節(jié)點的設計中都采用引出標注的方式來表達設計意圖，且一些構件的尺寸是有標明但實際安裝放置時又會有其他碰撞問題。種種原因導致圖紙錯誤或者施工錯誤。

3.2 設計優(yōu)化的研究方法——基于Revit的模型建立

針對一個項目，使用Revit 2016軟件建立一個虛擬的建筑工程三維模型，利用其數字化技術，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。對建筑中的復雜構件通過Revit軟件異型結構繪制功能對其進行更詳細清晰的展示，利用Revit軟件自帶的碰撞檢測功能進行檢測，減少設計失誤及建設投資進而縮短工期。在模型建立的過程中，設計人員可以查看各施工進程的構件位置，根據不同構件的施工要點，進行合理的工序安排。Revit軟件建立的模型中可以設置不同構件的材料類型，通過此設置可以看到一個工程應用不同材料所帶來的效果，對于外觀效果體現最為明顯，一些對外觀有特殊要求的工程此方式將極大提高選材的合理性，對于門窗等構件的選擇也可以提供指導。Revit的雙向關聯可以確保建筑構件彼此之間的關系能夠隨時隨刻保持一致。在建立模型過程中，可以隨時更改項目構件中的任意參數、屬性、位置等，Revit可以通過其關聯性讓設計人員不需重新繪制或是重復大量的檢查，直接自動變化，保持BIM模型的一致。由此Revit設計可以節(jié)省設計變更，加快工程周期（圖1、圖2）。

3.3 場地布置

傳統施工場地布置往往都是現場技術負責人根據現場 CAD 平面圖并結合施工經驗，進行大致布置。因為 CAD 圖紙是平面二維圖，沒有具體的模型信息，項目技術負責人往往是憑經驗和感覺進行的場地布置，因此很難及時發(fā)現場地布置中存在的問題，更沒有能對場地布置方案進行合理優(yōu)化的可靠依據。借助 BIM 技術對施工場地布置進行預演，通過三維可視化模型，可以規(guī)避施工過程中可能出現的設備工作范圍碰撞、臨時設施布置缺漏、材料二次搬運距離過長等問題，促進安全文明施工，保障施工計劃實施，控制現場成本支出。

通過初步的場地布置方案，建立施工設施構件庫，對現場施工設施進行一比一的建模，并錄入相應的材料、型號等相關信息，為場地模型的建立提供精確的族文件，在進行施工現場三維模型建模時，可以將相關族文件成批導入到三維模型中，有效提高了三維場地模型搭建速度和精度。根據三維模型來設置施工機械的進場和施工過程的行走路徑，找出并優(yōu)化其行進過程中的碰撞點。同時對辦公室、生活宿舍、材料堆放、材料加工、塔吊、電梯等施工設施進行合理的布置。

3.3.1 場地布置的研究方法——VR對BIM的拓展應用

現在我國建筑行業(yè)最大的困難點在于規(guī)劃資源的整理、具體化的聯系和平臺的創(chuàng)建。BIM和VR技術的結合有極大的希望解決行業(yè)的困難點。

如今BIM技術也受到國家政府的大力支持，再加上互聯網5 G技術的推動，進一步促進了我國建筑行業(yè)的發(fā)展。VR在BIM的模型建筑中，將模型進一步具體化，并更加具有可視性。通過構建虛擬展示，為使用者提供交互性設計和可視化印象。我國的VR技術設備在房屋建筑行業(yè)上已經形成某些重要結構集中在清水房中的展示，圖3為虛擬模擬現實VR樣板房。

BIM系統比起CAD系統在主觀視覺上雖然有很大的進步，但是具體的施工效果還處于最開始的階段，將事物具體化的能力有限。在實際施工中，可能施工部門仍然還對某些部分的部件不清楚。如果插入VR技術，BIM技術就可以提供最真實的視覺感受，從而有效提高整體的資源利用，提高建筑施工的施工能力。VR+BIM技術將有效推動未來建筑行業(yè)的發(fā)展。VR可以將BIM技術的真實度提高，也可以提升捕捉精度和顯示分辨率，真實的表現整個模型。圖4、圖5是VR在工程中的有效應用，為了更好地展示建筑項目，將前期創(chuàng)建好的各個模型導入VDP虛擬設計平臺，設計生成BIMVR二維碼，使用移動設備即可掃碼觀看。

3.3.2 場地布置的研究方法——Revit軟件場地布置模擬

針對一個項目，使用Revit 2016軟件建立一個虛擬的建筑工程三維模型，對于建筑模型再加以補充，建立不同工序所需設備以及場地的模型，通過模型的建立，可以清晰的觀察到不同施工時期所需設備的布置情況，提前對場地布置人員布置方式的合理性進行檢查，在實際施工前有效降低成本投入。圖6為建立的場地布置模型，針對施工場地中的大型器械例如吊車、混凝土攪拌車、塔吊、泵車等設備可以在施工前進行模擬，通過更加合理經濟的布置減少造價。圖7為Revit軟件定向到具體樓層的操作界面，通過此操作可以將建筑分層，再針對不同施工時期調整場地布置方式尤其是其中的消防器械位置以及材料的堆放位置的調整，使場地得到最為合理的布置。

3.4 施工過程

具體的施工過程這里不作贅述，主要闡述施工過程中BIM技術針對的一些主要步驟的研究。對于施工過程中的主體結構部分施工階段，傳統的主體結構施工包括模板支架搭設、墻柱鋼筋綁扎、梁板支模、梁板鋼筋綁扎、混凝土澆筑等，這些工序的施工是按照CAD圖紙設計經由專業(yè)人員指導下進行的，對于一些結構點通常是以圖紙加口頭表述為主。對于一些文化水平相對較低的施工人員在具體施工過程中還是會因為無法完全理解出現一些錯誤。如果在此過程中通過BIM技術建立模型，并制作相關動畫，再將模型給施工人員展示即可使施工人員在原有介紹施工方法下有更直觀的理解。對于施工過程所需要的設備比如吊裝車輛，運輸車輛，塔吊等，通過模擬設備的位置以及所需空間能夠更好的安排設備的數量以及施工順序，對于設備的型號選擇也會提供指導信息特別是一些大中型設備的安裝以及使用上。模型建立可以提前模擬其運行時可能遇到的問題，例如在有限場地空間內，設備能否正常狀態(tài)使用，設備之前互相的配合能否正常進行。通過BIM可以有效提高施工過程的智能化以及有序性。

3.4.1 施工過程的研究方法——制作動畫

首先是利用3dsMax軟件對所建立的建筑模型進行動畫制作并配以文字與聲音，演示施工全過程、施工的重難點和施工過程中所對應的場地布置詳情，使施工人員能夠清楚地了解施工的過程，同時彌補Revit碰撞檢測中未發(fā)現的問題。以一個人的視角去建筑模型的內部觀察建筑的重難點具體施工過程，如梁柱節(jié)點的鋼筋構造、梁板整澆等，還可以觀測到基礎部分、建筑內部的預留孔道等隱蔽工程。保證工人按正確的做法施工、減少施工中的錯誤。圖8為一個動畫的截取圖片，通過軟件建立的模型可以形象的展示施工全過程及施工后的理想狀況。

3.4.2 施工過程的研究方法——運用BIM5D軟件模擬

BIM 5D就是一款基于BIM的施工過程的管理工具，可以通過BIM模型集成進度、預算、資源、施工組織等關鍵信息，對施工過程進行模擬。其模擬動畫畫面雖不及3dsMax所制造的動畫畫面，但動畫過程與施工周期相關聯，可以十分方便的查看具體工期時間段內的工程建設進度以及具體工程項目所產生的費用。通過給技術人員觀看BIM 5D動畫演示的技術交底方式，可以有效提高施工效率。例如圖9所展示的是BIM 5D中工程管理中的時間視圖部分這種模擬方式將可視化和即時性充分結合，為工程管理者提供極大便利。圖10展示的是BIM 5D軟件針對模型進行的碰撞檢查，與Revit軟件的碰撞檢查相同，是檢查模型中可能出現的構件體積之間碰撞，這類碰撞在傳統CAD圖紙中很難發(fā)現。圖11展示的是流水視圖的工作面，通過此工作面進行工程流水的設置與查看可以有效跟進實際施工進度。

4 結束語

隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，在此背景下結合BIM技術的運用可以不斷提高我國的施工技術以及建筑水平。通過BIM可以實現施工過程中施工工序的優(yōu)化設計，具有縮短工期、節(jié)約成本、提高項目管理效率等優(yōu)點，場地布置時可以提供形象的指導作用，施工階段對模型進行可視化模擬，使設計方案簡單易懂，有效降低工人失誤概率。在BIM技術的運用中，可以結合各種其他技術不斷地優(yōu)化更新BIM技術，例如與VR技術結合可以提供交互性設計和可視化印象，完善建筑設計，提高工程效率，且此技術應用廣泛可貫穿整個施工過程，將模擬建筑與實際工程相結合，保證建筑設計的合理性。完善并推廣BIM技術應用于設計優(yōu)化、場地布置、施工過程方面，可以有效推動我國建筑行業(yè)的發(fā)展，與國際建筑發(fā)展趨勢接軌。

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[定稿日期]2021-01-26

[作者簡介]高雅杰（1999～），男，本科，研究方向為土木工程及工程造價。