基于BIM技術的建筑全壽命綜合管理模式研究

孟 劼

(甘肅省建筑設計研究院，甘肅 蘭州 730030)

基于BIM技術的建筑全壽命綜合管理模式研究

孟 劼

(甘肅省建筑設計研究院，甘肅 蘭州 730030)

結(jié)合國內(nèi)外在建筑信息模型(BIM)技術方面的研究和應用成果，論述了以三維信息化模型為核心的建筑工程設計、施工、運維全壽命一體化管理模式，可供建筑結(jié)構(gòu)設計工作參考。

建筑信息模型，全壽命，物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

當前，全球進入信息化的步伐日益加快，信息技術及其應用已成為國家實現(xiàn)信息化發(fā)展戰(zhàn)略的助推器。以大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)為代表的新型技術，正基于當前信息采集、移動通信和計算機等軟硬件科學的發(fā)展而得到迅速推廣普及，這為開展工業(yè)化與信息化融合和智慧城市建設提供了技術支撐。

BIM技術通過在計算機中建立虛擬的建筑結(jié)構(gòu)三維模型，以數(shù)字技術整合項目的設計、施工和環(huán)境等相關信息，通過中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行集中管理，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程設計、施工和運維人員對各種建筑信息和風險指標做出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑運營單位在內(nèi)的各方建設主體提供協(xié)同工作的基礎，更加高效地對工程項目中的數(shù)據(jù)存儲、溝通交流、進度計劃、質(zhì)量監(jiān)控、成本控制和風險應對等進行統(tǒng)一的協(xié)作管理。

1 設計階段

得益于BIM系統(tǒng)強大的信息綜合協(xié)同能力，在建筑工程項目的設計階段，可利用該系統(tǒng)進行場地分析、建筑策劃、方案論證、可視化設計、協(xié)同設計、性能化分析、工程量統(tǒng)計、管線綜合等工作[1]，使得設計工作更為精細合理。

在建筑項目的前期階段，可通過BIM系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)(GIS)的結(jié)合，對場地、環(huán)境及擬建的建筑物空間進行建模和綜合分析，為場地規(guī)劃、交通組織關系、建筑布局等關鍵要素的決策提供支撐。在此基礎上，通過BIM系統(tǒng)進行布局、外觀、照明、結(jié)構(gòu)和運營安全等方面的可視化建模和定量分析，實現(xiàn)項目的建筑策劃和論證，在前期的可視化設計基礎上實現(xiàn)后期建筑、結(jié)構(gòu)和運營方式上的“所見即所得”。

BIM系統(tǒng)所包含的三維模型和三維虛擬現(xiàn)實技術，使得不同專業(yè)、不同部門在設計階段可以在統(tǒng)一的模型上實現(xiàn)協(xié)同設計。在建筑工程設計中，BIM系統(tǒng)的一個重要功能是碰撞檢查，這在配備大量綜合管線的建筑中起到至關重要的作用。此外，當前以二維圖形為主要形式的CAD協(xié)同設計，主要以圖形信息為主，不包含材料、功能等附加信息。而BIM系統(tǒng)在三維模型基礎上，加載各類屬性信息，實現(xiàn)與專業(yè)交叉相關的功能模擬，例如在統(tǒng)一的模型中實現(xiàn)聲、光、熱等特性的模擬，從而使得專業(yè)協(xié)同由傳統(tǒng)的空間協(xié)同走向以用戶體驗為直接目標的功能協(xié)同。

BIM技術設計的核心載體是數(shù)字化三維模型，這使得在二維CAD時代設計成果(圖紙)和性能分析之間的鴻溝得以跨越，結(jié)構(gòu)和性能分析不再完全依賴于設計人員依據(jù)圖紙在分析軟件中重新輸入?yún)?shù)建立模型，在很多場合，BIM三維模型可不經(jīng)修改或經(jīng)由少量修改而直接導入分析軟件，且BIM模型本身是包含材料和功能信息的，在數(shù)據(jù)接口兼容的條件下，可直接作為性能分析的邊界條件。

值得指出，當前主流的BIM建模軟件，完全實現(xiàn)與結(jié)構(gòu)分析的對接還需要一個過程。例如對常見的框架結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等，結(jié)構(gòu)地震反應的考察，通常需要基于桿系單元、板單元和集中質(zhì)量單元進行反應譜、時程分析，出于結(jié)構(gòu)動力學基本計算原理的考慮，模型應在反映動力特性的基礎上盡可能簡化，抓主要矛盾進行動力學抽象，若采用三維實體模型進行動力分析，則除計算效率的限制之外，由于模態(tài)識別、積分穩(wěn)定性等帶來的問題亦不容忽視。

同時，設計模型和分析模型之間在材料和功能屬性上的關聯(lián)，亦存在取舍關系，即設計模型中所包含的屬性信息，在分析模型中可能存在冗余或欠缺，解決這一矛盾的途徑之一是在設計軟件和前期標準制定中，充分實現(xiàn)材料和功能屬性的標準化，即設計人員僅需要指定數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有的材料，在與分析模型對接時，由軟件從標準數(shù)據(jù)庫中調(diào)取所需信息。

工程量統(tǒng)計是BIM系統(tǒng)設計流程中一個突出優(yōu)勢。由于模型設計完全基于三維空間圖形，且包含工程屬性，因而借助這些信息，計算機可快速對各類構(gòu)件和所屬材料進行統(tǒng)計分析。一方面，在任何變更發(fā)生后都可以實現(xiàn)即時的工程量統(tǒng)計；另一方面，由于構(gòu)件均建立實際模型，鋼筋的彎折、切割都可以實現(xiàn)精確模擬，從國內(nèi)外已實施BIM設計的項目來看，在前期成本估算、施工階段物料控制方面具備顯著優(yōu)勢，在方案階段，也可根據(jù)即時的工程量統(tǒng)計為方案比選提供有力支撐。

從國內(nèi)已實施項目看，南京祿口國際機場二期工程設計中，基于BIM系統(tǒng)設計軟件，在復雜結(jié)構(gòu)形體設計及優(yōu)化、施工組織管理、管線分析與優(yōu)化、功能和災變應急分析等方面實現(xiàn)了BIM在大型復雜項目中的深度應用[2]。

2 施工階段

在施工階段，BIM系統(tǒng)可利用其數(shù)據(jù)融合功能，在統(tǒng)一平臺下實現(xiàn)施工組織設計、進度模擬和數(shù)字化現(xiàn)場配合工作。由于BIM的設計成果以三維可視化裝配式模型為核心，因而便于在時間軸上以可視化的形式表達施工全過程，即將空間信息與時間信息整合為一個4D的過程化模型。從而可以對施工過程中的時間節(jié)點和工序進行直觀了解和安排，把握整個施工中的關鍵工序和實施難點。在集約化平臺的統(tǒng)一管理下，可通過風險評估綜合管理技術，對施工過程中的潛在風險提供提示、應急響應管理等功能，并通過信息推送(如郵件、手機短信、客戶端信息等)為相關部門和人員提供預警或報警服務。

從國內(nèi)外已實施工程看，三維虛擬現(xiàn)實技術在施工過程中的應用，為復雜形體的精確安裝提供顯著便利。例如上海中心大廈復雜異型框架的精確裝配、大型阻尼器系統(tǒng)的精確定位等工作，均在BIM系統(tǒng)的協(xié)助下得以高效、順利完成。

伴隨結(jié)構(gòu)構(gòu)件工廠化制造、裝配式施工技術乃至3D打印技術的發(fā)展，BIM系統(tǒng)在數(shù)字化建造、物料跟蹤等現(xiàn)代施工工藝的實施中，將發(fā)揮更大的優(yōu)勢。與現(xiàn)實相符的三維設計成果，可直接提供至預制工廠，通過數(shù)控加工設備，實現(xiàn)物料跟蹤備置、鋼筋混凝土構(gòu)件預制和養(yǎng)護、成品出庫過程的自動化，減少對人力資源的依賴，同時以機床式加工來提高制造精度。這將使得以傳統(tǒng)人力組織為主的土木工程施工行業(yè)，轉(zhuǎn)向自動化生產(chǎn)與用戶定制相結(jié)合的具備“工業(yè)4.0”特征的新模式。

3 運維階段

建筑結(jié)構(gòu)運維階段，是設計和施工工作在時間上的延伸和功能上的實現(xiàn)，因而，利用BIM系統(tǒng)的設計成果和經(jīng)由施工階段形成的竣工成果，實現(xiàn)基于三維模型的可視化運維管理，是BIM系統(tǒng)在全壽命管理工作的傳承。在運維階段，可將在設計階段包含的大量資產(chǎn)信息導入資產(chǎn)管理系統(tǒng)，利用RFID射頻標簽技術，實現(xiàn)資產(chǎn)變更、運維記錄等功能。同時，針對用戶的個性化需求，可實現(xiàn)空間變更的實時化分析，從功能屬性、空間資源利用率、環(huán)境影響、防災功能等方面給予論證。

基于現(xiàn)代傳感技術、無線通信技術和云平臺技術，對運維階段的結(jié)構(gòu)性能、環(huán)境條件等要素進行在線采集，通過BIM中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行集約化運維管理，即構(gòu)成以BIM系統(tǒng)為核心的建筑工程運維管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。由于BIM數(shù)據(jù)庫可包含基本結(jié)構(gòu)信息、歷史運維數(shù)據(jù)和實時性能指標數(shù)據(jù)，因而可方便地在統(tǒng)一平臺下實現(xiàn)云存儲、云計算，并將單體建筑的系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)融合，匯入智慧城市等更高層次的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、環(huán)境、氣象、政務等系統(tǒng)的整合，使得不同用戶、不同利益方在BIM平臺上實現(xiàn)虛擬統(tǒng)一。在基于云平臺的物聯(lián)網(wǎng)管理模式下，居民和管理部門可以通過計算機終端或手機客戶端，以不同權(quán)限用戶來查看建筑的結(jié)構(gòu)特性、安全狀態(tài)、人流量等功用信息。通過對結(jié)構(gòu)性能指標的監(jiān)控，可在實時分析的基礎上了解結(jié)構(gòu)可能存在的安全問題，在風險事件發(fā)生后，可通過數(shù)據(jù)共享和應急預案傳遞，實現(xiàn)多部門協(xié)同工作模式下的風險應對和善后處置。

4 結(jié)語

對BIM系統(tǒng)在建筑結(jié)構(gòu)設計、施工和運維階段的應用特點分析表明，以三維模型和虛擬現(xiàn)實技術為核心的建筑信息模型(BIM)技術，可以在設計階段通過幾何模型和材料、功能信息的集成實現(xiàn)設計、分析、變更和專業(yè)協(xié)同工作的高效應對，由此交付的信息化設計成果，將為施工階段和運維階段的工作提供傳承的對象和標準，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)全壽命的綜合管理，具有巨大的市場價值和應用前景。

[1] 過 俊.BIM在國內(nèi)建筑全生命周期的典型應用[J].建筑技藝,2011(Z1):95-99.

[2] 現(xiàn)代設計集團華東建筑設計研究院有限公司.南京祿口國際機場二期工程——BIM在大型復雜項目中的深度應用[Z].

Life-cycle structural management based on BIM technology

Meng Jie

(GansuInstituteofArchitecturalDesignandResearch,Lanzhou730030,China)

Combining with the research and application results of Building Information Model(BIM) technology at domestic and foreign, this paper discussed the construction engineering design, construction, operational life-cycle integrated management mode taking the 3D information model as the core, provided reference for the structure design work.

Building Information Model, life-cycle, Internet of things

1009-6825(2015)28-0243-02

2015-07-25

孟 劼(1981- )，女，工程師

TU712

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