BIM技術(shù)在深化設(shè)計(jì)與施工階段的應(yīng)用

喬長江，周子璐

（1、廣州市建設(shè)科技中心 廣州510030；2、中國建筑第四工程局有限公司 廣州510665）

0 引言

BIM 技術(shù)作為建筑行業(yè)實(shí)用新型的信息化技術(shù)，近年來受到建設(shè)行業(yè)主管部門的高度重視，出臺(tái)了多項(xiàng)指導(dǎo)性政策。工程項(xiàng)目參建各方也進(jìn)行了一定的應(yīng)用，并制定了相應(yīng)的項(xiàng)目措施。BIM技術(shù)能夠充分匯集項(xiàng)目全生命周期內(nèi)各階段所包含的信息，能夠有效縮短工程建設(shè)時(shí)間，節(jié)約建設(shè)成本，有效提高工程參建各方的決策效率和工程質(zhì)量［1-3］。BIM 技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)設(shè)計(jì)單位和施工單位越來越起到不可替代的積極作用［4-9］。本文以某集團(tuán)總部大樓項(xiàng)目BIM 技術(shù)應(yīng)用為例，闡述BIM技術(shù)在深化設(shè)計(jì)與施工階段的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

某集團(tuán)總部大樓包含辦公、商業(yè)等多種業(yè)態(tài)，位于廣東省廣州市海珠區(qū)，占地面積11 839 m2，建筑面積約116 279 m2，建筑高度279.8 m，結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土核心筒-混合框架（鋼管混凝土柱+鋼梁），建筑效果如圖1所示。

本項(xiàng)目具有6大特征:

⑴“高”。建筑高度279.8 m，地上46 層，首層層高16 m，標(biāo)準(zhǔn)層高4.5 m，塔冠高24.3 m，屬于超高層建筑。

⑵“深”?；娱_挖深度超20 m，3 層地下室，工程樁深度近30 m，承臺(tái)最厚達(dá)5 m。

⑶“大”。外框鋼柱直徑最大1.3 m，鋼柱分段構(gòu)件最重達(dá)13 t，單元式幕墻單塊尺寸4 m×16 m。

⑷“變”。整體外輪廊呈子彈狀，塔樓從27 層開始漸升漸細(xì)，建筑外邊緣處最大內(nèi)縮達(dá)18 m。

⑸“快”。根據(jù)與建設(shè)方商定的項(xiàng)目進(jìn)度要求，該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)施工速度須控制在約5～6 d/層。

⑹“多”。建筑業(yè)態(tài)多，參建分包單位數(shù)量多達(dá)10余家，合作材料和設(shè)備供應(yīng)（租賃）商近20余家。

圖1 某總部大樓效果圖Fig.1 Renderings of a Headquarters Building

2 基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì)

施工圖深化設(shè)計(jì)能夠有效提升施工企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，也能為施工企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供重要的技術(shù)支持。施工圖深化設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)單位提供的施工圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，結(jié)合項(xiàng)目要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)原圖紙表達(dá)不嚴(yán)謹(jǐn)、設(shè)計(jì)深度不夠、原圖紙與現(xiàn)場(chǎng)情況不吻合、工藝要求較高的地方優(yōu)化修改或重新設(shè)計(jì)以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。借助BIM 技術(shù)，本項(xiàng)目以“精確備料，精準(zhǔn)定位，一次成活”為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)施工過程的精細(xì)化施工。深化設(shè)計(jì)與BIM應(yīng)用工作總流程如圖2所示。

圖2 深化設(shè)計(jì)與BIM應(yīng)用工作總流程Fig.2 General Process of Detailing Design and BIM Application

2.1 模型建立

基于BIM 技術(shù)，土建、鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)電、幕墻、室內(nèi)設(shè)計(jì)、電梯等各專業(yè)工程師根據(jù)相應(yīng)的施工圖信息建立三維模型，通過BIM 軟件把各專業(yè)模型整合在一起，為進(jìn)行深入的圖紙復(fù)核、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)、碰撞檢測(cè)分析等提供條件。

2.1.1 通用規(guī)定

建模前，必須提前明確項(xiàng)目各類通用信息的設(shè)置要求并做出規(guī)定，以保證各專業(yè)工程師建立的分專業(yè)模型能夠有效整合成整體模型。

⑴制定項(xiàng)目模型的標(biāo)準(zhǔn)軸網(wǎng)文件，各專業(yè)建立模型時(shí)均需將模型原點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)軸網(wǎng)文件原點(diǎn)對(duì)齊。

⑵模型的單位系統(tǒng)設(shè)置為mm。

⑶模型采用相對(duì)標(biāo)高，并將±0.0作為Z 軸與X、Y軸相交的坐標(biāo)原點(diǎn)。

⑷明確模型中項(xiàng)目的指北朝向。

⑸單層模型可通過單層單系統(tǒng)模塊導(dǎo)出常用的DWG格式圖紙文件或NWC格式模型文件。

⑹機(jī)電專業(yè)模型樓層標(biāo)高以結(jié)構(gòu)專業(yè)標(biāo)高為準(zhǔn)建模。

2.1.2 模型依據(jù)

⑴建模依據(jù):①各專業(yè)施工圖設(shè)計(jì)文件；②項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃安排；③相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求；④建設(shè)單位約定的其他需求。

⑵更新依據(jù):①設(shè)計(jì)變更文件，包括變更圖紙、變更單等；②相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求；③建設(shè)單位約定的其他需求。

2.1.3 模型精度

不同的項(xiàng)目階段和應(yīng)用要求，對(duì)BIM 模型的精度要求亦有所不同。機(jī)電模型在施工階段標(biāo)準(zhǔn)按LOD 300等級(jí)建模；設(shè)備、末端等未確定具體型號(hào)及外形參數(shù)時(shí)降級(jí)建模以節(jié)省時(shí)間。工程竣工機(jī)電模型交付按LOD 400等級(jí)交付。

依據(jù)以上建模標(biāo)準(zhǔn)，逐一建出結(jié)構(gòu)模型、建筑模型、機(jī)電模型及鋼結(jié)構(gòu)模型等。本項(xiàng)目體量大，如果全部管線都進(jìn)行建模，最終合模瀏覽將變得不可行。所以除了模型樣板段及建設(shè)單位特殊要求的區(qū)域外，其他區(qū)域DN40以下管線不建模。模型效果如圖3所示。

2.2 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，建立鋼筋總體模型，包含解析鋼筋相關(guān)圖集、解讀各構(gòu)件內(nèi)鋼筋排布規(guī)則，通過分階段設(shè)置構(gòu)件，掌握項(xiàng)目實(shí)際BIM 應(yīng)用鋼筋建模的方法，統(tǒng)計(jì)分析鋼筋用量，并可通過調(diào)整鋼筋排布模型來解決鋼筋節(jié)點(diǎn)處的碰撞問題。利用BIM 技術(shù)，進(jìn)行精細(xì)化建模和施工流程模擬，對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)及優(yōu)化，大大提高工程質(zhì)量，縮短建設(shè)周期［10-12］。

2.3 BIM技術(shù)輔助深化設(shè)計(jì)

將BIM 模型導(dǎo)入Midas Gen 有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)彈性變形部分進(jìn)行受力分析計(jì)算，如圖4 所示。其非荷載效應(yīng)的施工過程分析的主要目的在于對(duì)豎向施工校正提出解決方案。

圖3 模型效果Fig.3 Model Effect

圖4 超高層混凝土結(jié)構(gòu)收縮徐變分析Fig.4 Analysis of Shrinkage and Creep of Super High Rise Concrete Structure

2.4 綜合管線深化設(shè)計(jì)

目前人們對(duì)建筑使用功能的要求越來越高，導(dǎo)致安裝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)復(fù)雜。而安裝工程專業(yè)又較多，設(shè)計(jì)過程難以對(duì)各專業(yè)進(jìn)行綜合考慮分析?；贐IM的管線深化設(shè)計(jì)，不僅能滿足二維深化設(shè)計(jì)圖紙的要求，還能以三維模型更直觀形象地模擬安裝過程中各類管線的碰撞問題，能夠清晰地反映出二維平面圖紙難以發(fā)現(xiàn)的問題。三維管線綜合深化設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 管線綜合深化Fig.5 Pipeline Comprehensive Deepening

三維管線綜合深化設(shè)計(jì)還可以精準(zhǔn)檢測(cè)專業(yè)間的沖突，提前發(fā)現(xiàn)各構(gòu)件潛在的碰撞點(diǎn)，及時(shí)向設(shè)計(jì)方提出可能出現(xiàn)的問題和調(diào)整方案；此外還可以控制豎向凈高，輔助圖紙復(fù)核，對(duì)施工分包單位進(jìn)行可視化技術(shù)交底，提高工作效率。

3 BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用

將BIM 技術(shù)運(yùn)用于施工交底和現(xiàn)場(chǎng)匯報(bào)工作時(shí)，可對(duì)各專業(yè)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行有效直觀的可視化展示，及時(shí)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果的可施工性，以便在施工前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的各類問題。

3.1 場(chǎng)地布置

施工場(chǎng)地的合理化布置是施工單位進(jìn)場(chǎng)前必須提前策劃的事項(xiàng)，對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的有效管控起著重要作用。運(yùn)用BIM 技術(shù)，以三維場(chǎng)地布置圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維CAD平面場(chǎng)地布置圖，能夠形象直觀地展示施工場(chǎng)地布置，把項(xiàng)目周邊已有建筑物、城市道路及管線等建立到三維場(chǎng)地布置模型的相應(yīng)位置，可提前預(yù)判項(xiàng)目施工對(duì)周邊現(xiàn)狀的影響和場(chǎng)布策劃的合理性，在建立模型后能形成相關(guān)的漫游，使現(xiàn)場(chǎng)的展示更直觀。

利用BIM 三維模型，分階段對(duì)總平面布置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，模擬分析吊裝設(shè)備布置、吊運(yùn)路徑、危險(xiǎn)區(qū)域、車輛出入情況、材料運(yùn)輸情況等，給管理者提供直觀的現(xiàn)場(chǎng)布置分析依據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)問題，制定可行的施工方案。三維場(chǎng)地布置模型如圖6、圖7所示。

圖6 三維基坑支護(hù)模型及實(shí)景Fig.6 Three Dimensional Foundation Pit Support and Real Scene

圖7 三維場(chǎng)地布置模型及實(shí)景Fig.7 Three Dimensional Site Layout and Real Scene

3.2 施工方案模擬

針對(duì)專項(xiàng)方案進(jìn)行模型搭建，利用模型檢驗(yàn)方案的可行性、安全性，并提早發(fā)現(xiàn)方案所存在的問題；另外還可以方便地提供多個(gè)低成本的解決方案，通過比較擇優(yōu)實(shí)施。方案確定后，可以用BIM 模型進(jìn)行直觀交底，減少返工。

經(jīng)過策劃研究和多方案對(duì)比，確定了“分區(qū)作業(yè)、階梯施工，突出塔樓、一泵到頂”的總體技術(shù)路線，即采用核心筒與外框結(jié)構(gòu)錯(cuò)層的施工方案。方案的第一步是核心筒結(jié)構(gòu)施工，第二步是外框架鋼管混凝土柱的施工，第三步進(jìn)行外框與核心筒之間的水平構(gòu)件施工。塔樓混凝土核心筒與鋼結(jié)構(gòu)、樓層板及裝飾安裝采用階梯型施工，合理安排施工順序，可進(jìn)行多工種立體穿插作業(yè)。

應(yīng)用BIM 技術(shù)，能直觀模擬項(xiàng)目各樓層和各部位的施工狀況，如圖8 所示。這樣便于參建各方清晰地了解項(xiàng)目施工操作面和施工機(jī)械的安置情形，并預(yù)判施工過程中各操作空間穿插使用的可能性，確定后續(xù)穿插施工順序和介入的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，提高施工效率。

圖8 穿插施工模擬Fig.8 Simulation of Interleaved Construction

4 結(jié)論

⑴ BIM 技術(shù)可對(duì)項(xiàng)目管理的各個(gè)方面進(jìn)行指導(dǎo)，可有效提升施工效率和水平，為項(xiàng)目的高質(zhì)量施工提供后臺(tái)支撐和保障。

⑵在項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)中，應(yīng)用BIM技術(shù)能夠提前發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)鋼筋、管線綜合等各類構(gòu)件的碰撞、遺漏及連接缺失等設(shè)計(jì)問題，提高施工圖設(shè)計(jì)和工程施工質(zhì)量。

⑶在施工階段，采用BIM 技術(shù)可以形象地進(jìn)行施工方案模擬，展示施工場(chǎng)地布置、各階段施工狀況，提前檢驗(yàn)方案的可行性和安全性，在施工前發(fā)現(xiàn)方案存在的問題，制定合理的施工方案減少返工提供施工效率。