BIM技術(shù)在建筑施工中的智能應(yīng)用

張藝齡，陳惠嫻，馬星宇，徐兆赫，邵 麗

(北京科技大學(xué)天津?qū)W院，天津 301830)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，運(yùn)用傳統(tǒng)CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，Computer Aided Design)技術(shù)指導(dǎo)施工方法的模式暴露出許多問(wèn)題。如傳統(tǒng)的二維模式無(wú)法直觀展示建筑的外觀，不能在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)各工程之間的沖突，導(dǎo)致后續(xù)施工需要返工，增加施工成本。為了改變這一狀況，人們應(yīng)用BIM(建筑信息模型，Building Information Model)技術(shù)代替CAD技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)的施工方式并進(jìn)行創(chuàng)新。在優(yōu)化創(chuàng)新過(guò)程中，首先需要項(xiàng)目管理人員充分考慮施工成本和資源等因素，制定出科學(xué)合理的進(jìn)度計(jì)劃，提高BIM技術(shù)與施工過(guò)程的結(jié)合度。施工單位可以利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)施工全過(guò)程的模擬。BIM技術(shù)與施工過(guò)程的結(jié)合極大程度地解決了施工過(guò)程中的很多質(zhì)量、安全、進(jìn)度難題，并逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)施工模式。

1 BIM技術(shù)推廣應(yīng)用的必要性

BIM技術(shù)作為指導(dǎo)施工建設(shè)的新方法，利用其特點(diǎn)能完成項(xiàng)目的三維信息模型并建立起資源共享平臺(tái)。這一技術(shù)改善了利用傳統(tǒng)二維資料指導(dǎo)施工建設(shè)過(guò)程的局限性，提高了施工過(guò)程中對(duì)信息的使用效率。利用BIM技術(shù)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)，在某種層面上真正實(shí)現(xiàn)了可視化施工?，F(xiàn)階段的部分BIM軟件中甚至增加了材料是否可回收利用的屬性，做到了對(duì)施工材料的高效管控，比較完美地體現(xiàn)了BIM技術(shù)在建筑施工過(guò)程中的重要意義。

1.1 現(xiàn)階段建筑全生命周期中的主要問(wèn)題

建筑全生命周期施工管理是一個(gè)綜合管理模式，為避免相關(guān)信息混雜或丟失，提高工程的建設(shè)效率，這種模式選擇將數(shù)據(jù)進(jìn)行互通。在這種模式下，建筑施工的管理方式還存在一些不可避免的問(wèn)題。

建筑施工管理體制對(duì)工程建設(shè)的影響不可忽視，很多企業(yè)在管理體制上都存在較大問(wèn)題，隨著承包方式的改變，有些企業(yè)并沒(méi)有做出相應(yīng)的決策調(diào)整，仍然沿用過(guò)去的管理體制，甚至部分企業(yè)出現(xiàn)減少管理環(huán)節(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致無(wú)效管理的出現(xiàn)。由于目前的建筑施工管理制度并不完善，在施工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)容易出現(xiàn)各個(gè)部門相互推諉塞責(zé)，影響工程的正常進(jìn)度。

建筑工程施工在技術(shù)與安全方面具有極強(qiáng)的特殊性，需要不同的從業(yè)人員，并對(duì)其有極高的專業(yè)要求。在施工過(guò)程中，每一個(gè)步驟都需要有較強(qiáng)專業(yè)素養(yǎng)的從業(yè)人員參與，缺少專業(yè)的技術(shù)人員也會(huì)導(dǎo)致施工過(guò)程進(jìn)度緩慢。同時(shí)，個(gè)別企業(yè)對(duì)于建筑安全生產(chǎn)投入力度不足，沒(méi)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)督機(jī)制，無(wú)法對(duì)從業(yè)人員的人身安全負(fù)責(zé)，施工的安全性也難以保證，導(dǎo)致建筑項(xiàng)目無(wú)法順利進(jìn)行。

利用信息化進(jìn)行建筑施工管理是建筑行業(yè)目前最熱門的管理方式，企業(yè)在建筑前期規(guī)劃設(shè)計(jì)階段以及后來(lái)的施工運(yùn)營(yíng)階段，合理利用信息化技術(shù)搭建數(shù)據(jù)互通平臺(tái)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。但目前的實(shí)際應(yīng)用中仍在技術(shù)層面有所欠缺，前期設(shè)計(jì)和中期施工融合不完善、數(shù)據(jù)不互通、資源不共享、無(wú)法及時(shí)察覺(jué)漏洞等問(wèn)題都會(huì)影響工程質(zhì)量。

1.2 現(xiàn)階段傳統(tǒng)施工管理中存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的施工管理模式，是將數(shù)據(jù)從底層收集，最終整合，逐層上報(bào)給領(lǐng)導(dǎo)層，領(lǐng)導(dǎo)層討論解決方案再進(jìn)行反饋。這種模式程序繁瑣，浪費(fèi)了大量時(shí)間，不能及時(shí)解決問(wèn)題。傳統(tǒng)的施工管理模式隨時(shí)間發(fā)展暴露出來(lái)一些問(wèn)題。

1.2.1 施工人員的管理系統(tǒng)不完整。部分施工人員由于學(xué)歷等限制，大多不了解現(xiàn)場(chǎng)管理體系，往往容易忽視施工工序，無(wú)法滿足施工需求。

1.2.2 施工人員對(duì)材料設(shè)備管理不當(dāng)。材料設(shè)備隨用隨放，占據(jù)大量施工空間，對(duì)施工過(guò)程造成影響。材料的隨意堆積浪費(fèi)了部分材料，增加了后續(xù)成本。對(duì)施工設(shè)備也未進(jìn)行保養(yǎng)，導(dǎo)致設(shè)備的損壞和老化，增加了施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3 管理力量分散。部分施工人員不按規(guī)范要求施工，管理人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)與制止，工程施工質(zhì)量無(wú)法保證，導(dǎo)致延誤工期，影響進(jìn)度。

1.2.4 安全管理問(wèn)題。在建設(shè)施工過(guò)程中，部分施工人員安全意識(shí)不高，不了解安全技術(shù)規(guī)范，常常為追求速度進(jìn)行一些違規(guī)操作，從而埋下了安全隱患。

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了人員定位系統(tǒng)與人臉識(shí)別技術(shù)的發(fā)展。借助信息化手段，上層項(xiàng)目管理人員可對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化實(shí)時(shí)管控，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)疏漏并同步給出完善方案，通過(guò)BIM平臺(tái)直接傳遞給施工人員，對(duì)施工方法進(jìn)行調(diào)整，節(jié)省了大量時(shí)間。目前，在深圳地鐵16號(hào)線龍坪站項(xiàng)目中，已經(jīng)采用了這種施工管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，同步生成安全隱患排查結(jié)果報(bào)告，提高了項(xiàng)目管理安全性。

圖1 傳統(tǒng)管理模式與信息化管理模式對(duì)比

2 BIM技術(shù)智能交互的信息優(yōu)勢(shì)

在建筑領(lǐng)域信息化發(fā)展的過(guò)程中，智能建筑的理念逐漸進(jìn)入人們的視野并被廣泛關(guān)注，智能施工更是成為眾多建筑工程企業(yè)的首選方向。智能施工能夠?qū)⒏黜?xiàng)資源科學(xué)化運(yùn)用，保證在實(shí)際工程管理過(guò)程中獲取最大價(jià)值。BIM技術(shù)作為智能施工在技術(shù)層面的支撐點(diǎn)，與其他新技術(shù)的融合以及產(chǎn)生的新項(xiàng)目交付模式，也正是建筑領(lǐng)域現(xiàn)階段所需要的一次革新，在這種大環(huán)境下延伸出了許多新的模式，不斷推動(dòng)著該領(lǐng)域的發(fā)展。

2.1 IPD集成交付

20世紀(jì)90年代末，英國(guó)石油公司提出一種新思想——通過(guò)組建項(xiàng)目聯(lián)盟達(dá)到集成管理的效果。鑒于這種思想運(yùn)用在澳大利亞博物館項(xiàng)目和美國(guó)加州薩特郡項(xiàng)目的施工建設(shè)中取得成功的先例，建筑行業(yè)逐漸開(kāi)始接受這種新思想。

直到2007年，美國(guó)建筑師協(xié)會(huì)給予了這種思想具體定義，即IPD(集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，Integrated Product Development)是一種將人、系統(tǒng)、商業(yè)架構(gòu)和實(shí)踐活動(dòng)集合為一體的項(xiàng)目交付模式。這種全新的管理方法，目的在于解決各參與方多年來(lái)處于對(duì)立地位的缺陷，帶動(dòng)項(xiàng)目各參與方在項(xiàng)目全生命周期中相互協(xié)作與配合，充分利用自身知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化項(xiàng)目過(guò)程，減少浪費(fèi)行為，提高完成效率。

隨著科技多元化的發(fā)展，建筑領(lǐng)域誕生了能與IPD相結(jié)合的BIM技術(shù)。兩者相輔相成對(duì)建筑工程領(lǐng)域產(chǎn)生了新的影響，IPD肯定了BIM的價(jià)值，BIM提高了IPD的實(shí)施效率。BIM技術(shù)是IPD模式的實(shí)體工具，代表了各參與方的共同期待。據(jù)美國(guó)研究人員最新一次的調(diào)查，IPD模式與BIM技術(shù)相結(jié)合，在工程施工的成本、工期以及信息資源等方面取得了巨大進(jìn)步。

2.2 智能虛擬施工

為了使各參與方的協(xié)同作業(yè)契合度更高，在BIM技術(shù)貫穿建筑全生命周期的同時(shí)延伸出了新的智能技術(shù)BIM 4D與BIM 5D，在原有的三維思想之上融入了時(shí)間維度、成本維度，將三維轉(zhuǎn)變成了四維、五維，使其可視化程度更高，通過(guò)多形態(tài)、多維度的表現(xiàn)方式，在展現(xiàn)建筑模型各個(gè)組件的相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步地生成了一個(gè)虛擬空間，在該空間里不同階段的建筑施工面貌更加智能地展現(xiàn)，并不斷進(jìn)行施工模擬，進(jìn)而優(yōu)化整體施工過(guò)程。

為了使BIM 4D與BIM 5D模型的構(gòu)建更加智能合理化，充分地將空間地理數(shù)據(jù)和工程相關(guān)數(shù)據(jù)相結(jié)合，更進(jìn)一步地分析建筑模型，對(duì)建筑施工的全過(guò)程進(jìn)行更真實(shí)智能的模擬，我們選擇一款4D/5D協(xié)助設(shè)計(jì)檢視軟件，可以通過(guò)導(dǎo)入時(shí)間軸及成本信息與相關(guān)過(guò)程一一對(duì)應(yīng)，使建筑模型的相關(guān)圖形單元與信息可以在軟件平臺(tái)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，從而使?jié)摬氐膯?wèn)題更加清晰明了。另外，BIM技術(shù)與VR(虛擬現(xiàn)實(shí)，Virtual Reality)技術(shù)結(jié)合也已成為一種成熟的智能技術(shù)。

3 BIM技術(shù)在施工模擬中的實(shí)際應(yīng)用

深圳地鐵16號(hào)線全長(zhǎng)38.7 km，是深圳市城市軌道交通中正在建設(shè)的一條分支線路，共計(jì)32站，計(jì)劃于2022年投入使用。龍坪站位于坪山新區(qū)東縱路和中興路交叉路口，整體為地下地鐵站，主體結(jié)構(gòu)為地下兩層雙跨到三跨的島式站臺(tái)。

BIM技術(shù)在深圳地鐵16號(hào)線龍坪站項(xiàng)目中的應(yīng)用重點(diǎn)：①應(yīng)用BIM技術(shù)做好各項(xiàng)施工準(zhǔn)備；②依托BIM技術(shù)實(shí)施構(gòu)件跟蹤管控；③利用BIM技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)地優(yōu)化。通過(guò)構(gòu)建BIM初始模型、動(dòng)態(tài)BIM 5D模型以及開(kāi)展施工階段全流程模擬，使深圳地鐵16號(hào)線龍坪站建筑工程最終以智能虛擬實(shí)景化工作場(chǎng)景展現(xiàn)。

圖2 深圳地鐵16號(hào)線龍坪站BIM模型

3.1 規(guī)避平面圖紙缺陷

BIM技術(shù)能將項(xiàng)目模型可視化，施工人員可以利用BIM技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理來(lái)規(guī)避圖紙缺陷。①利用漫游功能，查明模型中的疏漏以便后期修改模型；②利用碰撞檢查功能，找出設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤點(diǎn)；③利用BIM技術(shù)深化設(shè)計(jì)，對(duì)各部分內(nèi)部管線和設(shè)備進(jìn)行復(fù)核，并為后續(xù)施工中的交叉配合建立良好技術(shù)基礎(chǔ)，避免各工程管道線路的沖突；④利用BIM技術(shù)完成施工過(guò)程的模擬與優(yōu)化，通過(guò)改變模型的周邊環(huán)境，預(yù)測(cè)出環(huán)境對(duì)施工過(guò)程的影響，提前制定防范措施。

BIM技術(shù)通過(guò)規(guī)避圖紙缺陷，進(jìn)行隱患排查，優(yōu)化了施工方案。使用BIM技術(shù)建立的信息模型平臺(tái)，通過(guò)簡(jiǎn)化各方的溝通流程，提高了整體工作效率。利用BIM技術(shù)還能輔助進(jìn)行工程造價(jià)的預(yù)測(cè)，為項(xiàng)目全生命周期的合理運(yùn)行提供保障。經(jīng)多次研究表明，利用BIM技術(shù)模擬的工程造價(jià)項(xiàng)目，在相同質(zhì)量條件下，能達(dá)到造價(jià)最省的效果。近些年來(lái)，運(yùn)用BIM技術(shù)減少工程圖紙的設(shè)計(jì)問(wèn)題、模擬優(yōu)化施工進(jìn)度的方法逐漸被施工方廣泛應(yīng)用。

3.2 便于各方協(xié)調(diào)溝通

建筑工程施工全過(guò)程極具動(dòng)態(tài)性，并包含了不同的階段，為了更好地展現(xiàn)不同施工階段所需要的施工方法，利用BIM技術(shù)搭建信息模型并進(jìn)一步分析相關(guān)數(shù)據(jù)，針對(duì)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整施工方案，并通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行全方位測(cè)控，如氣象數(shù)據(jù)、材料質(zhì)量、成本問(wèn)題，給出相關(guān)的預(yù)防方案，增加施工的安全性。

BIM技術(shù)可以有效地為管理人員在施工過(guò)程中提供科學(xué)的管理依據(jù)，并在設(shè)計(jì)階段搭建數(shù)據(jù)互通平臺(tái)，實(shí)時(shí)上傳相關(guān)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)全方位數(shù)據(jù)互通。同時(shí)，管理人員可以通過(guò)平臺(tái)充分了解相關(guān)的工程檔案及施工信息，明確監(jiān)管目標(biāo)及內(nèi)容，并結(jié)合數(shù)據(jù)平臺(tái)庫(kù)中的信息，在不同的階段分別對(duì)不同的施工內(nèi)容及施工人員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并分析原因，利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，控制工期，提高效率。

施工管理中包含各方面，其中施工安全管理也是企業(yè)比較重視的一個(gè)方面。在施工安全管理與BIM技術(shù)的融合下，將帶有定位系統(tǒng)的芯片植入施工人員的安全帽內(nèi)，并要求施工人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)必須佩戴，管理人員可通過(guò)數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行定位，實(shí)時(shí)了解該人員的動(dòng)向，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，觀察施工人員在施工過(guò)程中是否有違規(guī)操作、是否遵循施工安全規(guī)范，如有違規(guī)行為監(jiān)督人員應(yīng)立即制止，避免發(fā)生意外。

BIM技術(shù)將施工過(guò)程中的各項(xiàng)信息、設(shè)備使用記錄及相關(guān)文件上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中，并實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享，使各部門可以更加順利快捷地展開(kāi)工作。傳統(tǒng)的施工模式無(wú)法在施工過(guò)程中將數(shù)據(jù)互通，導(dǎo)致問(wèn)題無(wú)法及時(shí)解決，整體施工進(jìn)度較慢且效率低，BIM技術(shù)的出現(xiàn)解決了部分問(wèn)題。建筑工程施工利用BIM技術(shù)所搭建的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)將各階段緊密地聯(lián)系在一起，加強(qiáng)了各方的協(xié)調(diào)溝通，提高了施工過(guò)程的效率。

3.3 碰撞檢查與后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)

BIM技術(shù)在深圳地鐵站16號(hào)線龍坪站項(xiàng)目中的應(yīng)用重點(diǎn)主要有兩個(gè)方面：①對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全面的碰撞檢查；②對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行仿真施工模擬。這兩個(gè)方面最終都實(shí)現(xiàn)了縮短工期的目的。利用BIM技術(shù)制作信息模型時(shí)，需要嚴(yán)格合理的理論與數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，對(duì)相關(guān)情況仔細(xì)觀察和判斷。信息模型制作完成后，在三維層面上進(jìn)行碰撞檢查，防止在項(xiàng)目施工過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)以及機(jī)電管線之間的碰撞沖突，影響項(xiàng)目建設(shè)的整體進(jìn)度。而傳統(tǒng)的碰撞檢查方式由于技術(shù)與方法的限制，只能結(jié)合二維圖紙展開(kāi)，效率比較低而且錯(cuò)漏比較多。以上措施有效降低了工程成本，避免工期延誤，提高了工作效率，保障了施工建設(shè)的安全性。

BIM技術(shù)在項(xiàng)目后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面同樣有重要影響。BIM技術(shù)在建造模型時(shí)可以同步錄入各機(jī)電設(shè)備的運(yùn)維信息，在建模完畢后，可以形成完備的機(jī)電信息管理平臺(tái)，直觀展示出項(xiàng)目中的基礎(chǔ)建筑信息、結(jié)構(gòu)信息、力學(xué)分析以及各設(shè)備的模擬運(yùn)行結(jié)果等信息，并能夠?qū)崿F(xiàn)碳排放跟蹤測(cè)算、模擬優(yōu)化以及節(jié)能管理等功能保障。

4 總結(jié)

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)都在不同程度地推動(dòng)著社會(huì)的發(fā)展，信息化、數(shù)據(jù)化也已逐漸成為建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，工程項(xiàng)目管理也勢(shì)必依托于現(xiàn)階段的先進(jìn)技術(shù)來(lái)進(jìn)一步完善提升。筆者結(jié)合BIM技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用的工程案例，論述了BIM技術(shù)在工程建設(shè)中的重要作用。從發(fā)展的角度來(lái)講，智能管理建筑施工還需要不斷更新發(fā)展，BIM技術(shù)將不斷深化融入并逐漸覆蓋現(xiàn)有的工程管理方式，并發(fā)揮出更為重要的實(shí)際作用。