BIM技術(shù)在張江大型綜合體施工中的研究與應(yīng)用

楊永寧，李偉，徐紅海

（上海建工五建集團(tuán)有限公司，上海 200062）

1 研究背景

BIM技術(shù)目前在建筑施工行業(yè)普及率達(dá)到60%多，但是多數(shù)施工企業(yè)只停留在某個(gè)應(yīng)用點(diǎn)或者多個(gè)應(yīng)用點(diǎn)，沒(méi)有發(fā)揮BIM技術(shù)的真正價(jià)值，也沒(méi)有真正上升到平臺(tái)化管理階段[1]?？v觀整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展歷程都是從傳統(tǒng)粗放型向節(jié)約型、集成化、信息化、智能化的方向發(fā)展。建筑施工行業(yè)也亟待借助BIM技術(shù)，向更高質(zhì)量和高效率的方向發(fā)展[2]。

2 項(xiàng)目背景

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

張江中區(qū)單元73-02、74-01項(xiàng)目位于上海浦東新區(qū)中科路上13號(hào)線學(xué)林路站南側(cè)，項(xiàng)目效果圖見(jiàn)圖1，具體為：東至學(xué)林路、南至環(huán)科路、西至學(xué)賢路、北至中科路，北側(cè)緊鄰上海地鐵13號(hào)線。本工程總建筑面積約18.6萬(wàn)m2，73-02地塊地下3層框架結(jié)構(gòu)，地上6層鋼框架結(jié)構(gòu)裙房，建筑高度40 m；74-01地塊地下3層框架結(jié)構(gòu)，地上18層內(nèi)混凝土外鋼框塔樓、6層鋼框架裙房組成，裙房建筑高度40 m，塔樓建筑高度100 m。本項(xiàng)目施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用以業(yè)主為主導(dǎo)，BIM技術(shù)顧問(wèn)進(jìn)行過(guò)程管控，施工總承包全面負(fù)責(zé)實(shí)施。

圖1 張江中區(qū)73-02、74-01地塊項(xiàng)目效果圖

2.2 施工工況

如圖2所示，1區(qū)首先出正負(fù)零，然后再開(kāi)挖2區(qū)，待2區(qū)完成地下2層頂板時(shí)，利用2區(qū)頂板作為支撐附加12根H400 mm×400 mm型鋼斜撐（見(jiàn)圖3），支撐北側(cè)臨近地鐵區(qū)域4區(qū)，換撐后再開(kāi)挖北側(cè)緊鄰上海地鐵13號(hào)線區(qū)域，即4-3區(qū)、4-2區(qū)、4-1區(qū)，同時(shí)拆除2區(qū)第一道支撐及棧橋板進(jìn)行2區(qū)上部結(jié)構(gòu)施工。與地鐵通道連接部位東、西兩側(cè)擋土采用鉆孔灌注樁，坑外側(cè)止水帷幕采用MJS工法，通道南側(cè)圍護(hù)借用原73-02地塊的地下連續(xù)墻，通道北側(cè)采用MJS止水帷幕并借用原地鐵灌注樁擋土，坑內(nèi)加固采用MJS工法，圍護(hù)墻與坑內(nèi)加固之間采用高壓旋噴樁填充。支撐采用：鋼筋混凝土梁，并采用部分鋼支撐軸力補(bǔ)償系統(tǒng)。本基坑主要為與地鐵聯(lián)系通道，約地下2層，開(kāi)挖深度普遍9.8 m，安全等級(jí)為二級(jí)；地環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)。

圖2 施工區(qū)域劃分及工況

圖3 換撐工況圖

3 BIM技術(shù)在施工過(guò)程中的研究應(yīng)用

BIM軟件選用Revit(參數(shù)化建模)、Fuzor（施工模擬）、Enscape（可視化應(yīng)用VR或AR及虛擬漫游）、Navisworks（碰撞檢測(cè)）、Context Capture Center Master（傾斜攝影+場(chǎng)地重建），協(xié)同平臺(tái)選用廣聯(lián)達(dá)協(xié)筑。

3.1 碰撞檢查

本工程案例中由于參建單位較多，如基坑、土建、鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、機(jī)電、裝飾，各個(gè)專(zhuān)業(yè)間的協(xié)調(diào)是難點(diǎn)，尤其是各專(zhuān)業(yè)交叉部位，比如，圍護(hù)與地下結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)銜接部位的節(jié)點(diǎn)等，機(jī)電與建筑結(jié)構(gòu)碰撞、機(jī)電與裝飾之間的空間沖突問(wèn)題等。在本工程案例中，各參建單位負(fù)責(zé)各專(zhuān)業(yè)的模型搭建和維護(hù)，其中土建和機(jī)電BIM模型由總承包單位負(fù)責(zé)，最終由總承包單位負(fù)責(zé)各專(zhuān)業(yè)間的模型整合，由BIM技術(shù)顧問(wèn)指導(dǎo)實(shí)施。各專(zhuān)業(yè)間建立相應(yīng)的BIM模型整合能夠很好地解決相關(guān)問(wèn)題，避免問(wèn)題遺漏造成不可挽回的損失，這對(duì)建設(shè)單位和施工單位來(lái)說(shuō)都是不可接受的。在項(xiàng)目初期提前搭建各專(zhuān)業(yè)模型本身是對(duì)圖紙的一種深層次理解，很容易發(fā)現(xiàn)一些隱蔽性的問(wèn)題，如在74-01地塊地下室建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)諸多圖紙問(wèn)題，例如，通過(guò)建模發(fā)現(xiàn)人防門(mén)與建筑結(jié)構(gòu)圖紙位置不相符，人防門(mén)與大風(fēng)管沖突，與污水井位置沖突等，如圖4所示。圖紙會(huì)審中提出這些問(wèn)題，以三維的形式展示問(wèn)題所在更具有說(shuō)服力，讓設(shè)計(jì)方提前優(yōu)化。

圖4 人防門(mén)和污水井位置沖突

3.2 信息化及VR虛擬現(xiàn)實(shí)

相對(duì)于傳統(tǒng)二維圖紙，三維模型有著較好的表達(dá)優(yōu)勢(shì)，并且BIM模型的核心本質(zhì)是“信息模型”，不單單有模型，還有全面的信息和參數(shù)，如圖5所展示的構(gòu)件模型信息。在一些二維圖紙表達(dá)信息不全面或者難以表達(dá)的地方，BIM模型能夠讓項(xiàng)目管理者和技術(shù)人員更好地理解圖紙信息。一些復(fù)雜曲面節(jié)點(diǎn)中或者結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)比較復(fù)雜的部位，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中可能需要許多張圖紙分別表達(dá)才能展現(xiàn)其設(shè)計(jì)意圖，工人在施工時(shí)也存在理解深度不夠的問(wèn)題，通過(guò)BIM模型再配合Navisworks及Enscape等輕量化軟件，只需旋轉(zhuǎn)各個(gè)角度即可明確查看其構(gòu)造信息。

圖5 鋼梁信息模型

BIM模型經(jīng)過(guò)深化處理后配合Enscape（可視化應(yīng)用軟件）VR及AR等設(shè)備可以更好地體驗(yàn)建筑物內(nèi)部信息，每個(gè)階段的現(xiàn)場(chǎng)三維場(chǎng)布信息（見(jiàn)圖6）。利用Enscape軟件導(dǎo)出exe格式文件，其他人員不需要安裝軟件及電腦硬件不高的情況下可以流暢地可視化瀏覽，了解施工過(guò)程中的細(xì)節(jié)及完工后的狀態(tài)，甚至可以展示一些虛擬樣板工程及工法等，相比制作實(shí)際的樣板工程，具有成本更低的優(yōu)勢(shì)。

圖6 74-01地塊挖土階三維段場(chǎng)布狀況（南大門(mén)視角）

3.3 方案模擬，施工模擬

利用三維數(shù)字化的模型對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行可視化模擬，對(duì)深基坑挖土進(jìn)行模擬，支撐維護(hù)及拆除順序換撐方案進(jìn)行模擬，提前做好相應(yīng)的構(gòu)件及工序建模，導(dǎo)入Fuzor模擬軟件中賦予其施工流程及施工工序，在施工交底時(shí)能更好地說(shuō)明工況，相當(dāng)于在軟件系統(tǒng)中提前按1∶1的比例對(duì)場(chǎng)地附屬設(shè)施、擬建設(shè)施進(jìn)行建模，利用信息化技術(shù)對(duì)每個(gè)重建構(gòu)件賦予相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，如塔吊半徑、機(jī)械設(shè)備數(shù)量、挖土深度、構(gòu)件實(shí)際尺寸、施工計(jì)劃信息、位置信息等，再根據(jù)既定的施工方案和工序進(jìn)行模擬，模擬實(shí)際施工情況，以確保方案順利進(jìn)行。

前期根據(jù)場(chǎng)布策劃對(duì)每個(gè)階段的場(chǎng)布利用Revit進(jìn)行建模，反映每個(gè)階段場(chǎng)布的機(jī)械設(shè)備布置情況、時(shí)間周期、主體結(jié)構(gòu)狀態(tài)等；再利用Fuzor軟件進(jìn)行同步，以虛擬施工的方式達(dá)到有效協(xié)同的目的。三維可視化功能再加上時(shí)間維度可以進(jìn)行虛擬施工（見(jiàn)圖7），可隨時(shí)隨地直觀快速地將施工計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)展進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)進(jìn)行有效協(xié)同，施工方、監(jiān)理方甚至非工程行業(yè)出身的人員都可以據(jù)此掌握工程項(xiàng)目的各種問(wèn)題和情況。這樣通過(guò)BIM技術(shù)結(jié)合施工方案和施工模擬，方便項(xiàng)目管理者更好地決策，對(duì)減少建筑質(zhì)量問(wèn)題、安全問(wèn)題有重大意義[3]。

圖7 BIM虛擬施工

3.4 三維深化

基于BIM技術(shù)的木模板的三維深化及機(jī)電管線的三維管綜，其原理就是利用Revit族的參數(shù)化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行參數(shù)化建模，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)每個(gè)參數(shù)及其公式，這樣每個(gè)模塊具有參數(shù)可變的特性。建立標(biāo)準(zhǔn)木模板模型及設(shè)置其后臺(tái)控制參數(shù)，再依照主體結(jié)構(gòu)的尺寸位置進(jìn)行批量布置，并進(jìn)行批量編號(hào)；布置完畢后軟件即可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出所需要的實(shí)際用量（不計(jì)損耗），得出施工及加工數(shù)據(jù)等。

基于BIM技術(shù)的三維深化應(yīng)用，每個(gè)構(gòu)件模型都是基于特定參數(shù)信息，只要確保每個(gè)構(gòu)件的建模及其參數(shù)符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，那么其生成的工程量必定等于實(shí)際用量（不計(jì)損耗），因?yàn)榛贐IM技術(shù)的工程量與模型、模型的參數(shù)及其公式是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，利用標(biāo)準(zhǔn)模塊模型的參數(shù)及其公式，也就不存在基于BIM技術(shù)的預(yù)制時(shí)所生成的工程量準(zhǔn)不準(zhǔn)的問(wèn)題。

對(duì)機(jī)電管線進(jìn)行BIM技術(shù)優(yōu)化部署，本工程案例主要是利用Revit+Navisworks相互配合進(jìn)行智能化調(diào)整與檢查，運(yùn)行檢查碰撞程序，即可自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)將需要進(jìn)行調(diào)整部位的高亮顯示，并進(jìn)行第三人稱(chēng)漫游檢查批注等。提前對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)化管控深化，并依據(jù)三維深化得出更細(xì)致的專(zhuān)業(yè)施工順序，出具三維綜合圖，進(jìn)行三維交底。

通過(guò)74-01地下室的實(shí)施，對(duì)于機(jī)電專(zhuān)業(yè)有著很好的指導(dǎo)作用，對(duì)土建施工有一定的參考作用，但其深度應(yīng)用需要進(jìn)一步的探索，需要項(xiàng)目管理者更好地接受以及認(rèn)同。其次，集中預(yù)制加工需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)作為支撐，BIM技術(shù)在信息化路徑上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的反饋，利用BIM技術(shù)進(jìn)行三維深化，可以有效減少二次搬運(yùn)，縮短工期，提升精細(xì)化管理，減少材料浪費(fèi)，節(jié)約勞動(dòng)力，減少施工流程，確保工程質(zhì)量，也充分說(shuō)明了BIM技術(shù)在數(shù)字化及可預(yù)制加工方面還有很大的發(fā)掘價(jià)值與潛力[4]。同時(shí)，在施工現(xiàn)場(chǎng)的管理，施工現(xiàn)場(chǎng)的整潔，安全文明施工方面也具有重要意義。

3.5 在深基坑施工過(guò)程中的研究應(yīng)用

在挖土階段利用地里信息系統(tǒng)（GIS）確定本項(xiàng)目的精確位置，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影原理，并運(yùn)用大疆飛控軟件提前規(guī)劃好飛行線路，導(dǎo)入特定軟件進(jìn)行場(chǎng)地重建；并用Revit軟件建立與現(xiàn)場(chǎng)等比例的虛擬BIM模型，如圖8所示，可以完整展示挖土階段的工作內(nèi)容以及現(xiàn)場(chǎng)布置情況。利用無(wú)人機(jī)和飛控軟件，起初利用飛控軟件規(guī)劃好飛行路線并保存，后續(xù)每個(gè)階段都利用此路線，無(wú)人機(jī)可以自動(dòng)起飛并自動(dòng)采集所需要的數(shù)據(jù)（主要是圖片和定位信息），把這些信息導(dǎo)入Context Capture Center Master軟件自動(dòng)進(jìn)行場(chǎng)地實(shí)際建模，建模完成后就可以得到一個(gè)如圖9所示的完整的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際模型。并且利用特定功能圈定模型中已經(jīng)挖過(guò)的區(qū)域，就可以自動(dòng)得出已出土量。同時(shí)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際模型與BIM模型的對(duì)比，可以更好地把握現(xiàn)場(chǎng)情況，達(dá)到可視化、信息化管控的目的。

圖8 BIM維護(hù)基坑模型

圖9 場(chǎng)地重建實(shí)際模型

由于73-02地塊緊領(lǐng)地鐵13號(hào)線，換撐方案要確保萬(wàn)無(wú)一失。74-01地塊的地上部分提前施工，在73-02地塊南側(cè)地棧橋拆除時(shí)利用73-02地塊的地下室2層頂板設(shè)置工字鋼臨時(shí)支撐北側(cè)區(qū)域，方案如圖10所示。利用BIM技術(shù)的可視化的優(yōu)勢(shì)對(duì)方案的可行性進(jìn)行模擬分析，先利用Revit軟件建立標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)及工況模型，在模型中添加換撐方案的模型，最后運(yùn)行并同步Enscape進(jìn)行檢查分析，可以很真實(shí)地反映工況狀態(tài)。通過(guò)分析，確定有4條臨時(shí)換撐與格構(gòu)柱及第二道支撐碰撞，如圖11所示，屆時(shí)會(huì)影響換撐施工。最終在圖12所示的三維模型中調(diào)整了換撐位置，規(guī)避了再后期因格構(gòu)柱的干擾而嚴(yán)重影響換撐方案的實(shí)施。

圖10 緊鄰地鐵位置原換撐方案剖面示意

圖11 換撐未避開(kāi)前的情形

圖12 調(diào)整后已全部避開(kāi)第二道支撐及格構(gòu)柱

3.6 BIM平臺(tái)化協(xié)同管理

本項(xiàng)目采用廣聯(lián)達(dá)協(xié)筑BIM協(xié)同管理平臺(tái)，BIM技術(shù)顧問(wèn)為管理方，總承包負(fù)責(zé)施工階段模型的維護(hù)與現(xiàn)場(chǎng)的交底，總包方對(duì)各參建單位的專(zhuān)業(yè)模型審核上傳并整合，方便各專(zhuān)業(yè)單位的瀏覽并查看模型，發(fā)現(xiàn)模型中有相互沖突地方各單位根據(jù)自己的職責(zé)權(quán)限范圍進(jìn)行下載修改BIM模型，以達(dá)到閉合狀態(tài)。平臺(tái)化協(xié)作能夠有效解決同業(yè)主與總包及各分包單位的有效溝通與管控。對(duì)于在模型中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，在平臺(tái)上的三維模型中進(jìn)行批注并提交，由BIM技術(shù)顧問(wèn)審核，推送給業(yè)主，最后由業(yè)主推送給設(shè)計(jì)BIM方進(jìn)行確認(rèn)。但是在整個(gè)平臺(tái)化推進(jìn)過(guò)程中，部分推進(jìn)還是不理想，有些數(shù)據(jù)需要專(zhuān)人去上傳，自動(dòng)化程度不高等因素，使得整個(gè)實(shí)施過(guò)程中部分項(xiàng)目管理人員及其技術(shù)人員的接受度不高。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益匯總

張江中區(qū)73-02、74-01地塊項(xiàng)目充分利用BIM技術(shù)的可視化手段解決施工階段諸多問(wèn)題，在地下室挖土及施工階段，尤其是臨近地鐵施工中，綜合節(jié)約支撐及挖土工期約20 d，實(shí)現(xiàn)零事故率及重大方案零失誤率；利用數(shù)字化挖土管控可以得出很精確的挖土進(jìn)度，有利于提前做好后續(xù)挖土計(jì)劃，節(jié)約挖土工期節(jié)約10 d；利用三維深化，減少模板用量達(dá)15%，減少二次搬運(yùn)，綜合節(jié)約人工費(fèi)及材料費(fèi)15萬(wàn)元；有效解決土建碰撞問(wèn)題累計(jì)63項(xiàng)，主要是解決人防與非人防沖突問(wèn)題，建筑與結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，提前跟設(shè)計(jì)方溝通解決，節(jié)約工期約15 d，規(guī)避經(jīng)濟(jì)損失約60萬(wàn)元。BIM技術(shù)在地下室管綜與土建專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)調(diào)有效解決專(zhuān)業(yè)間重大碰撞問(wèn)題及凈高問(wèn)題120余項(xiàng)，此120余項(xiàng)問(wèn)題利用返工的方式進(jìn)行換算，可節(jié)省機(jī)電和土建人工費(fèi)及材料費(fèi)90萬(wàn)元。BIM技術(shù)在機(jī)電安裝過(guò)程中的管線綜合、三維深化、數(shù)字化預(yù)制加工、碰撞檢查過(guò)程中的應(yīng)用效益能夠間接衡量，屬于看得見(jiàn)的部分。在土建領(lǐng)域特別是施工模擬、虛擬漫游、三維場(chǎng)布VR技術(shù)的應(yīng)用，可以減少安全事故甚至出現(xiàn)零事故率，但是很難直接利用經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行衡量其準(zhǔn)確價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)的應(yīng)用不單單是BIM模型，更有價(jià)值的是其中的信息。BIM技術(shù)的數(shù)字化應(yīng)用有更大的發(fā)掘空間，需要注重?cái)?shù)字化在施工階段的應(yīng)用落地，利用Enscape+Revit的方式可以簡(jiǎn)化應(yīng)用與落地難度[5]。由于建筑施工行業(yè)本身不同于其他制造業(yè)的特殊性，施工位置不固定，建筑材料多樣化，現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變，突發(fā)狀況很難預(yù)料等，沒(méi)有突破性的技術(shù)及其粗放式的管理應(yīng)對(duì)機(jī)制，嚴(yán)重制約了建筑施工數(shù)字化的道路。新技術(shù)的發(fā)展必須改變傳統(tǒng)的管理應(yīng)對(duì)機(jī)制，才能更加貼合實(shí)際，實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的全面數(shù)字化應(yīng)用。