某建筑結(jié)構(gòu)施工BIM 應(yīng)用研究與現(xiàn)狀探討

劉 暢 白玉星 張宏濤

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100044)

1 引言

BIM 是應(yīng)用于建筑行業(yè)的重要的數(shù)據(jù)化工具。自上世紀(jì)70 年代被喬治亞理工大學(xué)的Chuck Eastman 教授提出以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外一直飽受關(guān)注。我國(guó)BIM 技術(shù)的起步較晚，但發(fā)展較為迅速。設(shè)計(jì)院、建設(shè)單位、施工單位等各方都在關(guān)注并嘗試在工程項(xiàng)目中應(yīng)用和探索BIM 技術(shù)的價(jià)值所在。其中，何清華探討了BIM 技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外BIM 軟件之間的信息交互性進(jìn)行分析，并對(duì)BIM 在建筑業(yè)的應(yīng)用障礙進(jìn)行分析。張建平從BIM 的特征，工程施工中的應(yīng)用現(xiàn)狀，推出了一套施工BIM 應(yīng)用的整體方案。隋振國(guó)總結(jié)了BIM 技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外施工領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，總結(jié)了BIM 技術(shù)多方面的應(yīng)用并提出了今后可能的研究方向。張錦元從施工企業(yè)的角度分析如何理解BIM價(jià)值，并結(jié)合體會(huì)總結(jié)了企業(yè)在BIM 技術(shù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題和初步階段的應(yīng)用流程。

對(duì)于一些在BIM 技術(shù)的研究和實(shí)施應(yīng)用上處于起步階段，BIM 工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)施能力相對(duì)欠缺的設(shè)計(jì)施工單位，BIM 技術(shù)的實(shí)施往往需要BIM 咨詢商或服務(wù)商的幫助。本文將結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，從BIM 服務(wù)商的角度出發(fā)，探討B(tài)IM 技術(shù)運(yùn)用于大型建設(shè)項(xiàng)目施工中的具體應(yīng)用點(diǎn)及目前BIM 技術(shù)運(yùn)用于項(xiàng)目施工的困難。

2 項(xiàng)目概況

某大樓項(xiàng)目，占地面積為約8 萬(wàn)m2，總建筑面積超30 萬(wàn)m2。總體結(jié)構(gòu)形式為框架-剪力墻形式。地下部分有大量的勁性構(gòu)件，地上部分為鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)部分結(jié)合。整個(gè)項(xiàng)目具有占地面積大、工程難點(diǎn)多、相關(guān)專業(yè)交叉復(fù)雜和結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜等特點(diǎn)。

3 BIM 技術(shù)在施工階段的應(yīng)用

3.1 BIM 基礎(chǔ)培訓(xùn)

對(duì)施工單位相關(guān)人員進(jìn)行BIM 基礎(chǔ)培訓(xùn)，通過(guò)對(duì)BIM 基本知識(shí)、建模、漫游等基礎(chǔ)知識(shí)的培訓(xùn)建立施工人員對(duì)BIM 技術(shù)及BIM 相關(guān)軟件的基本了解和基本使用能力，為項(xiàng)目中推行BIM 技術(shù)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

項(xiàng)目施工之前，公司對(duì)施工企業(yè)進(jìn)行了為期五天的BIM 技術(shù)和BIM 相關(guān)軟件培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容包括BIM總體概念與Revit 和Navisworks 等BIM 相關(guān)軟件的操作和基本建模技巧，通過(guò)課堂的講授與課后的練習(xí)，在場(chǎng)的施工人員掌握了相關(guān)軟件的建模機(jī)制和建模方法。這是BIM 服務(wù)商在項(xiàng)目中實(shí)施工作的前提。

3.2 工程整體建模

根據(jù)施工單位提供的項(xiàng)目相關(guān)二維圖紙，按照施工的實(shí)際情況建立BIM 模型。模型建立過(guò)程發(fā)現(xiàn)圖紙存在的問(wèn)題，及時(shí)以問(wèn)題單的方式反饋給施工單位。施工單位如不能解決，問(wèn)題將被反饋至設(shè)計(jì)單位。保證建模過(guò)程中圖紙和模型的準(zhǔn)確性(圖1)。

圖1 BIM 服務(wù)商建模流程

建模過(guò)程中，首先建立項(xiàng)目統(tǒng)一的標(biāo)高和軸網(wǎng)，同時(shí)確定相關(guān)建模標(biāo)準(zhǔn)。然后各建模人員分層分別建模。最后把所建立的模型整合為最終模型。

按照統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn)建立的模型，通過(guò)明細(xì)表的導(dǎo)出可以快速統(tǒng)計(jì)構(gòu)件數(shù)量與材料用量，完成成本統(tǒng)計(jì)。

3.3 節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

“深化設(shè)計(jì)”是指在業(yè)主或設(shè)計(jì)顧問(wèn)提供的條件圖或原理圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)圖紙進(jìn)行細(xì)化、補(bǔ)充和完善。深化設(shè)計(jì)后的圖紙滿足業(yè)主或設(shè)計(jì)顧問(wèn)的技術(shù)要求，符合相關(guān)地域的設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范，并通過(guò)審查，圖形合一，能直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

對(duì)于工程中一些較為復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)深化。通過(guò)對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的精確建模發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題并及時(shí)反饋給施工方討論解決，避免問(wèn)題直到施工時(shí)候才暴露而造成材料和工期的損失。此外復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的模型可用作施工交底。

某些勁性構(gòu)件是由型鋼和鋼筋混凝土組合而成，這樣的構(gòu)件涉及到鋼結(jié)構(gòu)和土建兩個(gè)專業(yè)的穿插，型鋼與鋼筋的排布復(fù)雜，僅通過(guò)二維圖紙很難理解鋼筋和型鋼的具體位置和穿插關(guān)系，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)附近的詳細(xì)建模，可發(fā)現(xiàn)鋼筋和型鋼的位置碰撞，相關(guān)人員可及時(shí)制定施工方案，避免后知后覺(jué)造成的損失。

如某型鋼混凝土柱節(jié)點(diǎn)，由于該節(jié)點(diǎn)鋼筋位置和施工工序相對(duì)復(fù)雜，施工方將詳細(xì)圖紙交于BIM服務(wù)商建模。建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)的梁鋼筋與勁性柱的型鋼邊緣碰撞，無(wú)法滿足施工大樣圖(圖3-4)。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，BIM 服務(wù)商提出設(shè)計(jì)問(wèn)題并交由施工方進(jìn)行討論。由于型鋼構(gòu)件已經(jīng)出廠，不具備修改的條件，經(jīng)施工方討論后決定對(duì)伸入勁性柱的鋼筋進(jìn)行彎折以避開(kāi)型鋼構(gòu)件(圖5)。

圖2 節(jié)點(diǎn)大樣圖

圖3 節(jié)點(diǎn)深化初步模型(鋼筋與型鋼碰撞)

圖4 經(jīng)討論修改后的節(jié)點(diǎn)模型

3.4 施工指導(dǎo)

對(duì)于某些重點(diǎn)區(qū)域，和復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)區(qū)域，通過(guò)二維平面圖紙很難想象施工完成后的情況，并且這些節(jié)點(diǎn)大都有著嚴(yán)格的施工工藝要求。因此可利用節(jié)點(diǎn)的相關(guān)BIM 模型以及投影設(shè)備，組織施工班組進(jìn)行施工交底。以便施工人員對(duì)重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)建立直觀的認(rèn)識(shí)，并能對(duì)施工中的疑問(wèn)直接解答。用相關(guān)軟件對(duì)模型進(jìn)行渲染，并制作成工藝展示動(dòng)畫(huà)。類似項(xiàng)目也可重復(fù)使用，對(duì)新班組進(jìn)行培訓(xùn)。

在地下部分施工時(shí)，存在大量的混凝土圓柱構(gòu)件，混凝土圓柱的澆筑需要工作量很大。BIM 服務(wù)商通過(guò)施工方提出的施工工序和方法，并通過(guò)實(shí)地觀察。建立了包括模板、鋼筋、木枋、鋼帶、斜撐、腳手架等構(gòu)件的模型。并按照施工方法做成動(dòng)畫(huà)展示給相關(guān)施工班組，使施工班組在開(kāi)始施工之前就對(duì)工作有充分的了解，在提高效率的同時(shí)減少了不必要錯(cuò)誤的發(fā)生，取得了良好的效果。

3.5 4D 施工模擬

BIM 技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工程的施工模擬，而且能夠具體到某個(gè)分部分項(xiàng)工程的施工階段或某個(gè)施工節(jié)點(diǎn)來(lái)精確模擬現(xiàn)場(chǎng)施工情況，來(lái)實(shí)現(xiàn)施工模擬。

借助BIM 技術(shù)來(lái)進(jìn)行施工控制，需要模型的幾何參數(shù)與時(shí)間參數(shù)。通過(guò)關(guān)聯(lián)模型與相應(yīng)的project文件實(shí)現(xiàn)空間屬性和時(shí)間屬性的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的施工模擬(圖5)。

圖5 實(shí)現(xiàn)虛擬施工主要流程

基于BIM 的項(xiàng)目進(jìn)度控制要建立在工作分解結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將項(xiàng)目工作分解為WBS 工作包，而后通過(guò)進(jìn)度計(jì)劃軟件對(duì)工作任務(wù)進(jìn)行搭接。

施工模擬可以按不同的時(shí)間對(duì)施工計(jì)劃進(jìn)行正序或逆序模擬，形象反映施工計(jì)劃和施工進(jìn)度。同時(shí)，基于4D 的信息模型可以對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行管理，進(jìn)行施工場(chǎng)地布置，定義施工設(shè)施屬性。將場(chǎng)地布置與施工進(jìn)度相對(duì)應(yīng)，形成動(dòng)態(tài)場(chǎng)地管理。

此外，施工進(jìn)度計(jì)劃還可用于施工的精細(xì)化管理。通過(guò)相關(guān)系統(tǒng)錄入施工材料和施工機(jī)具，并統(tǒng)計(jì)施工人員。以各WBS 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電子派工，派工單包括材料、機(jī)具和施工班組。施工管理人員可即時(shí)查詢使用狀況，最大程度避免材料和時(shí)間的浪費(fèi)。

4 現(xiàn)階段BIM 技術(shù)運(yùn)用于項(xiàng)目施工的困難

從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，BIM 技術(shù)必將是建筑行業(yè)的發(fā)展方向。短短幾年內(nèi)，BIM 技術(shù)已經(jīng)成為建筑領(lǐng)域的熱點(diǎn)，不管是政策方面還是各個(gè)研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)層面對(duì)BIM 技術(shù)的研究和應(yīng)用都進(jìn)行的如火如荼。但是就現(xiàn)狀分析，BIM 技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展和推行，還有很長(zhǎng)一段路要走:

4.1 缺乏BIM 技術(shù)專業(yè)人才

由于BIM 技術(shù)的研究和實(shí)施目前在我國(guó)處于起步階段，雖然目前各大機(jī)構(gòu)都成立了相關(guān)的BIM 研究團(tuán)隊(duì)，但BIM 技術(shù)專業(yè)人才仍舊缺乏，擁有BIM 技術(shù)工程實(shí)施相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的人才更是寥寥無(wú)幾。BIM 技術(shù)應(yīng)用的核心與基礎(chǔ)是建模，沒(méi)有高質(zhì)量、高準(zhǔn)確度的模型，BIM 的實(shí)施無(wú)從談起。BIM 建模工作要求建模人員有準(zhǔn)確的識(shí)圖能力和一定的工程經(jīng)驗(yàn)，整體素質(zhì)要求較高。然而目前國(guó)內(nèi)的建模人員相對(duì)缺乏且實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)普遍較少，建模中時(shí)常出現(xiàn)建模人員無(wú)法領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)人員和施工人員的意圖，導(dǎo)致建模成果無(wú)法交付并返工，浪費(fèi)資源的同時(shí)影響工程進(jìn)度。此外，工程展示時(shí)常常需要制作模擬動(dòng)畫(huà)，動(dòng)畫(huà)制作和土木工程施工兩個(gè)專業(yè)差別很大，雙方所用專業(yè)術(shù)語(yǔ)不同，這對(duì)雙方的溝通和模擬動(dòng)畫(huà)成果的交付造成很大困難。因此目前國(guó)內(nèi)BIM 技術(shù)領(lǐng)域需要大量高素質(zhì)、專業(yè)知識(shí)面廣的人才。

4.2 缺乏國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系

不同于設(shè)計(jì)施工，目前國(guó)家尚未正式出臺(tái)任何BIM 相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)企業(yè)在實(shí)施和推行BIM技術(shù)時(shí)只能使用自己的標(biāo)準(zhǔn)或通過(guò)合同雙方商議制定標(biāo)準(zhǔn)。BIM 實(shí)行雙方的責(zé)任義務(wù)很難明確，缺乏國(guó)家相關(guān)法律的支持，不利于具體工作的實(shí)施。此外，國(guó)家BIM 建模和標(biāo)準(zhǔn)的缺少及數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的缺少不利于各個(gè)BIM 研究方之間的交流和BIM技術(shù)的推廣。相信隨著B(niǎo)IM 技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用發(fā)展，這一問(wèn)題會(huì)得到解決。

4.3 軟件技術(shù)尚未完善

目前國(guó)內(nèi)主要使用的軟件普遍存在本土化不足的情況，就Autodesk Revit 而言，本地化族庫(kù)構(gòu)件相對(duì)較少，本地化模板尚不能滿足使用需求。且存在軟件與本地化的各種規(guī)范結(jié)合欠缺的問(wèn)題。通過(guò)軟件直接生成的平面圖、剖面圖達(dá)不到施工圖的深度要求，需要大量的后期加工工作。異型構(gòu)件的建模對(duì)軟件操作有著較高的要求，需要投入大量的時(shí)間培訓(xùn)和練習(xí)。同時(shí)，軟件對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高，在進(jìn)行大型項(xiàng)目合模時(shí)常常出現(xiàn)卡頓，特別是有大量鋼筋的情況。

此外，不同的軟件之間的信息交互存在問(wèn)題，軟件之間信息交互難度大，部分軟件交互后造成信息大量缺失等問(wèn)題為BIM 技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)很大不便。

4.4 設(shè)計(jì)施工階段無(wú)法貫穿

美國(guó)國(guó)家BIM 標(biāo)準(zhǔn)(NBIMS)對(duì)BIM 的定義的第二條為:BIM 是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從建設(shè)到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程。

目前我國(guó)還不具備BIM 模型和相關(guān)技術(shù)貫穿整個(gè)建筑生命周期的條件。僅設(shè)計(jì)階段和施工階段就很難貫穿。部分項(xiàng)目在施工階段才開(kāi)始引進(jìn)BIM 技術(shù)。即使在設(shè)計(jì)階段使用BIM 技術(shù)建立設(shè)計(jì)模型，但由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問(wèn)題施工方無(wú)法得到設(shè)計(jì)模型。即使拿到設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)方也不能保證模型的準(zhǔn)確度。施工方需要以施工圖為依據(jù)重新建模，需要投入資源做大量重復(fù)性工作。

4.5 施工人員對(duì)BIM 認(rèn)識(shí)程度不夠

目前我國(guó)的BIM 應(yīng)用還處在探索階段，許多人對(duì)BIM 認(rèn)識(shí)存在誤區(qū)。部分技術(shù)人員認(rèn)為BIM 技術(shù)只是單純的建立模型，用來(lái)做效果圖，不具備實(shí)用性。不愿意投入成本去推行BIM。而部分人員認(rèn)為BIM技術(shù)是項(xiàng)目建設(shè)中的“萬(wàn)金油”，可以解決一切問(wèn)題。當(dāng)初步應(yīng)用的成果和效益低于預(yù)期時(shí)，便失去了推行的決心和信心。BIM 實(shí)際上是一種工具，加強(qiáng)對(duì)BIM技術(shù)的了解才能更好的發(fā)揮它的價(jià)值。

5 結(jié)論

BIM 技術(shù)在施工領(lǐng)域有節(jié)點(diǎn)深化，4D 管理等諸多應(yīng)用價(jià)值。這些價(jià)值在大型項(xiàng)目中的價(jià)值尤為突出。BIM 技術(shù)能以三維的形式展現(xiàn)建筑物，模擬建筑物的施工過(guò)程，幫助工程技術(shù)人員熟悉施工內(nèi)容，加強(qiáng)施工控制，進(jìn)行碰撞檢查等，能夠在正式施工之前就發(fā)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的不合理之處和施工方案的不當(dāng)之處，及時(shí)進(jìn)行修正，節(jié)約工期和施工費(fèi)用。

我國(guó)BIM 技術(shù)的應(yīng)用研究處于起步階段，目前BIM 技術(shù)的推行和實(shí)施還面臨著很多困難，各方應(yīng)注重培養(yǎng)專業(yè)人才，同時(shí)應(yīng)加大BIM 技術(shù)在工程中的應(yīng)用深度和應(yīng)用廣度。BIM 技術(shù)被譽(yù)為建筑業(yè)的第二次革命。相信隨著B(niǎo)IM 技術(shù)的發(fā)展和成熟，將進(jìn)一步促進(jìn)建筑行業(yè)的技術(shù)升級(jí)和生產(chǎn)方式的改變。

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