BIM技術(shù)在房屋建筑工程中的實踐應(yīng)用

李鋒，張希龍

（中交三公局第六工程有限公司 工程管理部，北京 101100）

0 引言

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，通俗講，可將其理解為可視化、數(shù)字化的建筑三維幾何模型，建筑物在設(shè)計和建造過程中，創(chuàng)建和使用“可計算數(shù)字化信息”，而這些信息能夠被程式系統(tǒng)自動管理，使得經(jīng)過這些信息計算出來的各種文件自動地具有彼此吻合、一致的特性［1］。此外，模型中具有建筑或工程的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠為程式系統(tǒng)計算提供充分依據(jù)，使其根據(jù)各構(gòu)件的數(shù)據(jù)自動計算出使用者所需要的準(zhǔn)確信息，而這些信息具有多元化的表達(dá)形式，諸如建筑立面圖、平面圖、透視圖、剖面圖、明細(xì)表或房間自然采光照明效果的計算等。

1 概述

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM技術(shù)于20世紀(jì)70年代由美國喬治亞理工大學(xué)的查克·伊士曼博士提出，后逐步完善并明確了BIM的命名［2］。目前，美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)（NBIMS）對BIM技術(shù)的有關(guān)描述相對較為全面，表述為：BIM是建筑數(shù)字化表達(dá)，是一個可共享的信息庫，為建筑全生命周期各階段提供技術(shù)支撐和管理依據(jù)；信息庫在不同階段可提取、修改、更新，實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)。

英國政府明確要求在2016年前建筑企業(yè)實現(xiàn)3D-BIM的全面協(xié)同［2］。

美國自2003年起，實行國家級3D-4D-BIM計劃，規(guī)定所有重點項目自2007年起通過BIM進(jìn)行空間規(guī)劃［2］。

韓國政府計劃2016年前實現(xiàn)公共工程的BIM應(yīng)用［2］。

挪威、丹麥、瑞典和芬蘭等北歐國家，已孕育了Tekla、Solibri等主要的建筑業(yè)信息技術(shù)軟件廠商［2］。

由此看來，國外在BIM技術(shù)應(yīng)用方面注重長期發(fā)展，行業(yè)市場化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化程度高，項目規(guī)劃有成熟環(huán)境和機(jī)制，一旦啟動，很少變動，本身體現(xiàn)出一以貫之的BIM作風(fēng)。此外，國外業(yè)主會成立專業(yè)的BIM咨詢團(tuán)隊，一對一對接設(shè)計團(tuán)隊，且對項目啟動全過程的軟件類型、數(shù)據(jù)接口、信息規(guī)范等細(xì)節(jié)嚴(yán)格規(guī)定。

1.1.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

2016年8月23日，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《關(guān)于印發(fā)2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要的通知》，其中明確指出：建筑業(yè)信息化是建筑業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，也是建筑業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、提質(zhì)增效、節(jié)能減排的必然要求，對建筑業(yè)綠色發(fā)展、提高人民生活品質(zhì)具有重要意義；施工類企業(yè)普及項目管理信息系統(tǒng)，開展施工階段的BIM基礎(chǔ)應(yīng)用，有條件的企業(yè)應(yīng)研究BIM應(yīng)用條件下的施工管理模式和協(xié)同工作機(jī)制，建立基于BIM的項目管理信息系統(tǒng)。

BIM技術(shù)在我國起步較晚，發(fā)展速度并非超前，很多企業(yè)在BIM技術(shù)推廣應(yīng)用階段會遇到諸多問題，發(fā)展過程坎坷多變，BIM技術(shù)的創(chuàng)新還有待提高。發(fā)展伊始，主要以設(shè)計單位為主導(dǎo)，隨著BIM技術(shù)日益成熟，許多施工、勘察類企業(yè)才紛紛重視起來［3］，同政府聯(lián)合各建筑協(xié)會同高校舉辦了很多比賽，開辦了國有知識產(chǎn)權(quán)的BIM技術(shù)培訓(xùn)交流，為BIM市場培養(yǎng)更多技術(shù)人才，促進(jìn)社會的科技進(jìn)步。

目前我國應(yīng)用比較成功的工程項目有：中國第一高樓——上海中心、北京第一高樓——中國尊、華中第一高樓——武漢中心等。其中，中國博覽會會展綜合體工程證明，通過BIM技術(shù)的應(yīng)用可以排除90%的圖紙錯誤，減少60%返工，縮短10%工期，提高項目管理及成本效益。

1.2 應(yīng)用方法

1.2.1 施工進(jìn)度管理

通過Project軟件進(jìn)行施工進(jìn)度計劃編制，通過品茗智繪進(jìn)度計劃軟件進(jìn)行雙代號時標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖繪制，以橫道圖和網(wǎng)絡(luò)圖表示施工現(xiàn)場的施工進(jìn)度計劃以及和實際進(jìn)度相比較，再通過Navisworks軟件進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，制作施工進(jìn)度模擬視頻，可以很直觀實現(xiàn)工程施工進(jìn)度的4D動態(tài)管理。

1.2.2 技術(shù)質(zhì)量管理

（1）前期策劃時，用Revit軟件進(jìn)行場區(qū)臨建三維，并輸出為二維圖紙，指導(dǎo)臨建標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化施工；

（2）施工圖未全部下發(fā)階段，以既有部分圖紙為基礎(chǔ)，進(jìn)行主樓結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建，提取混凝土工程量，為項目材料預(yù)算提供數(shù)據(jù)支持；

（3）創(chuàng)建地下車庫結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行梁底凈高分析，有助于圖紙會審工作順利進(jìn)行；

（4）創(chuàng)建質(zhì)量樣板，并指導(dǎo)樣板制作，保證施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化；

（5）以漫游及動畫的方式，進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點可視化安全技術(shù)交底，譬如：塔式起重機(jī)安拆、全鋼式提升腳手架安拆、砌體工程、大體積混凝土施工、井道曳引式施工升降機(jī)安拆等。

1.3 應(yīng)用意義

傳統(tǒng)的房屋建筑工程施工圖紙為二維圖紙，可視化程度低，且需要技術(shù)人員有極強(qiáng)的三維構(gòu)圖能力，對人員要求較高，嚴(yán)重阻礙工程建設(shè)各方有效溝通［4］。且建設(shè)工程施工是一項綜合性工程，有效且迅速的處理和利用其中的信息顯得尤為重要。

通過結(jié)合BIM技術(shù)在實際房屋建筑工程施工過程中的應(yīng)用，致力于解決一些房建工程施工中存在的問題，闡述BIM技術(shù)應(yīng)用的意義及前景，對房建工程施工管理具有較為重要的意義。其主要表現(xiàn)為：

（1）可視化。BIM技術(shù)憑借其數(shù)字化、可視化的特點，將傳統(tǒng)的二維施工圖紙轉(zhuǎn)換為三維的視覺對象，對房建工程施工管理有很大指導(dǎo)意義；

（2）模擬性。將模型文件導(dǎo)入Lumion、Navisworks等模擬軟件，制作模擬動畫及漫游，對房建工程施工進(jìn)度管理具有重要意義；

（3）創(chuàng)新性。BIM技術(shù)在房屋建筑工程施工中的應(yīng)用，反映出建筑工程施工技術(shù)的創(chuàng)新和與時俱進(jìn)，更反映出生產(chǎn)方式的科學(xué)化發(fā)展，有利于建筑行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展［5］。

2 臨建階段的應(yīng)用

臨建是房建工程施工前提的一部分，合理有序的進(jìn)行臨建布置、施工，可有效地從源頭減少質(zhì)量安全隱患，一定程度地降低成本、提高項目效益。

2.1 工程概況

案例工程規(guī)劃總用地面積約77 083.46 m2，總建筑面積229 062.00 m2，共包含12棟主樓（3棟29層、6棟7層、2棟26層、1棟22層）、1棟3層幼兒園及1棟3層綜合服務(wù)用房。

2.2 BIM技術(shù)應(yīng)用

該工程建筑面積較大、工期緊、施工場地狹窄、各工序交叉作業(yè)多，項目考慮在場區(qū)東北側(cè)建筑紅線外征地作為項目駐地，施工區(qū)不考慮占用紅線外土地。為節(jié)約土地及資金成本，前期施工準(zhǔn)備階段采用Revit進(jìn)行項目駐地臨建三維布置模擬［6］，將模型導(dǎo)出至720云平臺全景模擬（見圖1），保證在既有土地的前提下合理布置臨建建筑物（見圖2），保證施工正常進(jìn)行，提高管理水平。

圖1 項目駐地模型

圖2 實際建筑

3 質(zhì)量管理中的應(yīng)用

建筑工程的質(zhì)量問題關(guān)乎所有人的生命安全，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，建筑材料和機(jī)具設(shè)備也在不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，但新產(chǎn)生的問題傳統(tǒng)管理方法難以有效解決［7］，借助信息化管理的BIM技術(shù)可以實現(xiàn)對某些問題的高效解決。

3.1 工程量提取

借助Revit軟件進(jìn)行項目樓結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建，將基礎(chǔ)、柱、墻、梁、板混凝土按不同等級和不同部位生成明細(xì)表［8］，然后將明細(xì)表導(dǎo)入Excel進(jìn)行整理，統(tǒng)計出各等級混凝土數(shù)量，也可按照不同部位進(jìn)行混凝土數(shù)量統(tǒng)計，如標(biāo)準(zhǔn)層混凝土數(shù)量統(tǒng)計（見圖3），對后期現(xiàn)場商用混凝土數(shù)量管控具有指導(dǎo)意義。

圖3 墻明細(xì)表界面

3.2 梁底凈高分析

一般凈高分析多指設(shè)計階段，通過BIM模擬建造，對空間狹小、凈高要求高或管線密集的區(qū)域進(jìn)行分析，事先發(fā)現(xiàn)不滿足凈高要求和美觀需求的部位，避免后期施工更改，從而達(dá)到縮短工期、節(jié)約成本的效果。鑒于項目車庫負(fù)一層北側(cè)區(qū)域為人防區(qū)，施工要求及建筑內(nèi)部空間要求高，故采用BIM技術(shù)進(jìn)行人防區(qū)車庫結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建，在圖紙會審階段進(jìn)行凈高分析，盡早發(fā)現(xiàn)問題，最大限度地優(yōu)化凈高，幫助圖紙會審工作順利進(jìn)行。具體應(yīng)用如下：

（1）利用Revit軟件進(jìn)行梁全部標(biāo)記，對照CAD圖紙進(jìn)行梁對照檢查（見圖4）；

圖4 Revit與CAD梁圖紙對照

（2）生成梁明細(xì)表（見圖5），包含參數(shù)有類型、長度、體積、底部高程及頂部高程；

圖5 結(jié)構(gòu)梁明細(xì)表界面

（3）添加梁底凈高參數(shù)，并篩選出梁底凈高≤3 000 mm的梁，高亮顯示（見圖6—圖9）；

圖6 按梁底凈高篩選

圖7 篩選出梁高亮顯示

圖8 梁在模型中高亮顯示

圖9 梁底凈高模擬檢查

（4）將模型文件導(dǎo)入Fuzor軟件，以人物控制模式，模擬真實場景［9］進(jìn)行梁底凈高不滿足要求的梁檢查。

3.3 質(zhì)量樣板建立

利用Revit（HiBIM）軟件進(jìn)行質(zhì)量樣板模型創(chuàng)建，模型中不同部位、不同材質(zhì)采用不同的顏色進(jìn)行展示，避免后期渲染時出現(xiàn)相互干擾的問題。將創(chuàng)建好的模型文件導(dǎo)入Lumion軟件進(jìn)行渲染，并導(dǎo)出為適用于720云平臺的全景圖片（或采用PTGui軟件制作圖片）。將全景照片導(dǎo)入720云平臺進(jìn)行全景模擬，其中也可增加相應(yīng)的解說、細(xì)部構(gòu)造和施工工藝等，部分樣板模型見圖10。

圖10 部分樣板模型展示圖

以完成的樣板模型為指導(dǎo)，現(xiàn)場制作相應(yīng)的實體質(zhì)量樣板，作為實物進(jìn)行質(zhì)量技術(shù)交底，有利于提高項目參與人員的質(zhì)量意識。

3.4 可視化技術(shù)交底

應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行可視化施工安全技術(shù)交底，主要步驟為：根據(jù)設(shè)計圖紙進(jìn)行BIM三維模型創(chuàng)建—動畫或視頻制作—通過LED屏幕進(jìn)行三維交底。

具體為，先對交底內(nèi)容總體策劃，編寫交底文案，收集資料，模型創(chuàng)建及動畫制作（采用Navisworks等軟件），然后將動畫與文案錄音初步合成，進(jìn)行項目復(fù)檢，最后保存輸出為交底文件。

通過三維可視化技術(shù)交底，將施工技術(shù)中涉及到的施工方案、施工工藝、質(zhì)量要求、工程進(jìn)度及安全目標(biāo)等對施工人員及相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行更為直觀的交底，通過三維軟件建模有針對性地還原作業(yè)面仿真現(xiàn)場，加大被交底人對現(xiàn)場環(huán)境的感知，進(jìn)一步加深其感官印象。案例工程采用的可視化技術(shù)交底的部分內(nèi)容展示見圖11。

圖11 可視化技術(shù)交底的部分內(nèi)容展示圖

4 施工進(jìn)度控制方面的應(yīng)用

利用BIM技術(shù)模擬出的施工過程，加入技術(shù)人員的科學(xué)計算，進(jìn)一步提高模擬結(jié)果的精確性和科學(xué)性，確保每個施工細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確性。以此為基礎(chǔ)，工程施工人員按照這個模擬進(jìn)度施工，保證其實際進(jìn)度和模擬結(jié)果一致，盡量減少不必要的誤差，并及時對施工進(jìn)度糾偏處理以避免損失。

4.1 施工進(jìn)度管理問題及主要原因

（1）設(shè)計圖紙缺陷——CAD圖紙形象化較差。傳統(tǒng)的二維CAD圖紙要求技術(shù)人員具有較高的三維構(gòu)圖能力，但這種能力需經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)或長期鍛煉。建筑施工圖涉及的領(lǐng)域和專業(yè)較多，由不同的專家參與設(shè)計，因時間有限且知識面不同，可能會造成圖紙設(shè)計及審查過程中存在矛盾及錯誤，這對技術(shù)人員是另外一個挑戰(zhàn)，若不能在早期發(fā)現(xiàn)，將有可能嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

（2）施工進(jìn)度與計劃編制不匹配——計劃圖難以理解且執(zhí)行性不強(qiáng)。施工進(jìn)度計劃編制過程難免存在誤差，且網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度計劃圖本身具有一定的局限性：包含復(fù)雜的計算、內(nèi)容概括性強(qiáng)、邏輯關(guān)系強(qiáng)等，所有的計劃制定都需要依靠決策者的主觀經(jīng)驗，因此在實際執(zhí)行過程中難免出現(xiàn)問題，造成進(jìn)度與計劃不匹配，進(jìn)而延誤工期。

（3）各方溝通及銜接不良——專業(yè)之間溝通協(xié)調(diào)受限。各專業(yè)在施工過程中需要充分溝通和銜接，但施工人員因為專業(yè)背景和素質(zhì)高低不一，如不能有效溝通和協(xié)調(diào)，很可能導(dǎo)致工序混亂最終導(dǎo)致工程進(jìn)度緩慢。

4.2 BIM技術(shù)應(yīng)用

4.2.1 施工進(jìn)度計劃編制

首先應(yīng)用Project和品茗智繪進(jìn)度計劃軟件進(jìn)行施工進(jìn)度計劃安排，部分計劃安排見圖12、圖13。

圖12 施工進(jìn)度橫道圖

圖13 雙代號網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)圖

Autodesk Navisworks manage作為BIM平臺里面一個強(qiáng)大的4D模擬集成平臺，不僅可實現(xiàn)碰撞檢測、分析，還支持將Sketchup等建模軟件以及Microsoft Project等進(jìn)度計劃編制軟件的成果進(jìn)行格式交換與集成，實現(xiàn)構(gòu)件與進(jìn)度計劃的一一對應(yīng)與鏈接。工程應(yīng)用具體做法為：將Revit模型導(dǎo)出為.nwc格式文件，將3D模型文件載入到Navisworks平臺，在Navisworks平臺中，各個構(gòu)件按樓層進(jìn)行劃分，然后根據(jù)族、類型的層次關(guān)系依次細(xì)分，總體呈樹狀結(jié)構(gòu)。其中Timeliner工具可以將.mmp格式的進(jìn)度計劃文件和.nwc格式的模型文件一并導(dǎo)入，然后采用附著方式將各構(gòu)件與進(jìn)度計劃關(guān)聯(lián)，最終通過進(jìn)度計劃的時間軸為主線，依次生成模型構(gòu)件，實現(xiàn)施工模擬，生成.nwf格式的4D模型文件（見圖14）［10］。

圖14 施工進(jìn)度模擬

4.2.2 過程控制及調(diào)整

在Project進(jìn)度編制軟件中完成初步計劃編制，在BIM軟件Navisworks中鏈接好構(gòu)建組和進(jìn)度項之后，通過在時間維度中檢查模型，能夠更直觀地發(fā)現(xiàn)進(jìn)度計劃中的問題。根據(jù)初步進(jìn)度計劃安排，施工順序為先車庫后主樓，通過進(jìn)度模擬發(fā)現(xiàn)，以后澆帶為界，將主樓相鄰車庫部分與主樓同時施工，與其他部分車庫分屬于獨立的施工區(qū)段，互不干擾，可同時進(jìn)行施工，故以此對關(guān)鍵線路進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到節(jié)省工期、節(jié)約成本之效。

4.3 技術(shù)優(yōu)越性及對比分析

相對于傳統(tǒng)的技術(shù)，現(xiàn)在的BIM技術(shù)已經(jīng)發(fā)展很快，可通過多次模擬，高效地發(fā)現(xiàn)施工中的問題，從而實現(xiàn)施工過程管理的標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)化。BIM技術(shù)與傳統(tǒng)方法應(yīng)用對比見表1。

表1 BIM技術(shù)與傳統(tǒng)方法應(yīng)用對比

5 結(jié)論與建議

結(jié)合BIM技術(shù)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及BIM技術(shù)在本工程中的實際應(yīng)用，研究得出如下結(jié)論：

（1）通過對BIM技術(shù)在房屋建筑工程施工過程中的應(yīng)用及研究，有效的采用了BIM技術(shù)進(jìn)行項目駐地臨建布置、工程量提取、梁底凈高分析、質(zhì)量樣板創(chuàng)建、可視化技術(shù)交底及施工進(jìn)度管理，直觀形象，實現(xiàn)了資源配置優(yōu)化、實現(xiàn)了質(zhì)量和進(jìn)度精細(xì)及標(biāo)準(zhǔn)化管理，節(jié)約了施工成本。

（2）通過實際工程案例分析，列舉了BIM技術(shù)在房屋建筑工程施工過程中的部分應(yīng)用及產(chǎn)生的效益，對同類工程的BIM技術(shù)應(yīng)用具有參考和借鑒意義。

由于BIM技術(shù)相關(guān)理論及應(yīng)用尚未成熟，列舉的應(yīng)用只是其中一部分，在應(yīng)用深度和經(jīng)驗上仍有欠缺，故對以后的應(yīng)用提出如下建議：增加BIM技術(shù)應(yīng)用在成本控制方面帶來的效益；增加BIM技術(shù)在機(jī)電碰撞檢測方面的應(yīng)用研究。