基于 BIM-5D 的大型公共建筑工程中的應(yīng)用研究

袁利軍，齊從月，王火華，周紅衛(wèi)，龔文韜，謝 輝

（中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）始于美國(guó) 19 世紀(jì) 80 年代，喬治亞理工學(xué)院Charles Eastman 教授在其著作《Building Product Models》中首次提出，而后逐步演變?yōu)榻ㄖ?xiàng)目信息管理平臺(tái)系統(tǒng)，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、建設(shè)和運(yùn)維的全過(guò)程階段都能發(fā)揮重要作用，經(jīng)過(guò)如今的發(fā)展，特別是在建設(shè)項(xiàng)目施工模擬、項(xiàng)目施工運(yùn)維管控等領(lǐng)域得到了廣泛且成熟的研究應(yīng)用［1］。相對(duì)國(guó)際發(fā)展情況，BIM 技術(shù)在我國(guó)發(fā)展仍然較為遲緩，到目前為止，大部分建設(shè)項(xiàng)目?jī)H僅局限于 3D 建模、模型漫游展示等初級(jí)信息化應(yīng)用階段［2-3］。關(guān)于BIM-5D 探索，仍然處在初級(jí)推廣階段，缺乏實(shí)踐管理經(jīng)驗(yàn)，因此，針對(duì)大型公共工程建設(shè)，提出一套切實(shí)可行的 BIM-5D 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)十分必要。

1 概述

BIM-3D 模型其本身具有可視化、屬性化、多元化的性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上添加時(shí)間維度對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行施工模擬管理則發(fā)展為 4D 技術(shù)；隨后將商務(wù)、勞務(wù)、材料、設(shè)備等成本要素加入該模型中，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施全過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化管控就實(shí)現(xiàn)了 BIM-5D［4］。在集成模型中，項(xiàng)目管理人員可以更加直觀地獲取項(xiàng)目的進(jìn)度、資金消耗等變化情況，安排合理的資源配置及協(xié)調(diào)相應(yīng)資金資源，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目精益管理。

大型公共建筑工程往往涉及專(zhuān)業(yè)多，包括土建、機(jī)電安裝、智能化、通信、暖通、空調(diào)等系統(tǒng)的集采、施工、試運(yùn)行工作，往往涉及體量大、專(zhuān)業(yè)交叉繁瑣、排布集中，同時(shí)對(duì)工序協(xié)調(diào)穿插要求極高，極易導(dǎo)致后期返工的問(wèn)題。而 BIM-5D 技術(shù)不僅可以模擬現(xiàn)場(chǎng)施工動(dòng)態(tài)，更可以實(shí)現(xiàn)快速核算工程量清單等工作，打破了項(xiàng)目施工管理過(guò)程中各種類(lèi)型信息之間的數(shù)據(jù)孤島效應(yīng)。

當(dāng)前階段，全生命周期的 BIM-5D 應(yīng)用，仍然不能以某一個(gè)特定軟件實(shí)現(xiàn)，通常是以將各個(gè)軟件的信息模型導(dǎo)入某一數(shù)據(jù)集成平臺(tái)的方式實(shí)現(xiàn)，然而不同的軟件往往具有不同的建模標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致這種不同軟件的之間信息數(shù)據(jù)不能實(shí)現(xiàn)完整交互。本文根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)集成信息平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互原理及問(wèn)題，和平臺(tái)搭建完成后的 5D 應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，對(duì)施工各專(zhuān)業(yè)信息構(gòu)件進(jìn)行相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的歸置提出改進(jìn)意見(jiàn)，并歸納出 BIM-5D 技術(shù)在大型公建施工工程中的應(yīng)用點(diǎn)。

2 BIM-5D 數(shù)據(jù)交互模式

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

BIM-5D 信息模型集成了項(xiàng)目施工所涉及的各個(gè)專(zhuān)業(yè)信息，包含結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)電、幕墻、建筑智能化等專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)模型，附加上進(jìn)度計(jì)劃及預(yù)算成本信息，并使之匹配項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，如圖 1 所示。這種匹配模式是通過(guò)多種不同文件格式之間的數(shù)據(jù)傳遞交互來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 BIM-5D 數(shù)據(jù)集成過(guò)程

2.2 數(shù)據(jù)傳遞

建筑信息模型中最小可更換的實(shí)體圖元稱(chēng)為“構(gòu)件”。將 3D 模型導(dǎo)入集成信息平臺(tái)，除了需要保持各個(gè)構(gòu)件之間拓?fù)鋷缀螌W(xué)關(guān)系外，更重要的是精確傳遞構(gòu)件參數(shù)及工程量的過(guò)程，圖 2 為模型信息傳遞交互流程圖。

圖2 構(gòu)件信息傳遞交互流程圖

模型中構(gòu)件的屬性可分為幾何屬性和實(shí)體屬性。前者是在建模過(guò)程中，由建模軟件的標(biāo)準(zhǔn)化分類(lèi)體系框架下產(chǎn)生的規(guī)定屬性，用以區(qū)分和表達(dá)構(gòu)件之間的拓?fù)鋷缀螌W(xué)相互關(guān)系，而后者則是構(gòu)件與現(xiàn)實(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)體構(gòu)件本身所具有的屬性特征，通過(guò)將其數(shù)據(jù)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。只有幾何屬性和實(shí)體屬性的關(guān)鍵參數(shù)均能夠順利交互傳遞，才能保證 BIM-5D 集成平臺(tái)中模型信息的準(zhǔn)確性和可用性［5］。

本次應(yīng)用項(xiàng)目對(duì) Revit 模型中 36 842 個(gè)圖元進(jìn)行導(dǎo)入，平臺(tái)識(shí)別后，有 27 128 個(gè)元件符合嚴(yán)格匹配機(jī)制，識(shí)別率為 73.63 %。人工識(shí)別工程量達(dá) 9 713 個(gè)，極大降低了模型交互應(yīng)用效率及人員積極性。若能在模型信息交互傳遞過(guò)程使用模糊匹配形式，以減少集成平臺(tái)未識(shí)別構(gòu)件數(shù)量，提升數(shù)據(jù)傳遞效率，則具有更普遍的推廣意義。對(duì)于構(gòu)件信息中不能?chē)?yán)格滿(mǎn)足信息交互的進(jìn)行傳遞匹配規(guī)則的構(gòu)件，按照平臺(tái)中預(yù)設(shè)的構(gòu)件類(lèi)型粗略歸類(lèi)后進(jìn)行匹配過(guò)程稱(chēng)為模糊匹配。模糊匹配通過(guò)識(shí)別構(gòu)件名稱(chēng)、備注等方式篩選出名稱(chēng)相似、屬性參數(shù)值接近的構(gòu)件，然后通過(guò)人工智能批量將此類(lèi)構(gòu)件屬性參數(shù)與實(shí)際工程量清單中的參數(shù)進(jìn)行交互匹配，最后重新導(dǎo)入。圖 3 為增加模糊匹配的構(gòu)件屬性信息交互匹配流程圖。

圖3 增加模糊匹配的構(gòu)件屬性信息交互匹配流程圖

對(duì)于模糊匹配后，仍未識(shí)別的圖元，再需通過(guò)人工識(shí)別判斷，對(duì)項(xiàng)目管理無(wú)價(jià)值的構(gòu)件進(jìn)行刪除；對(duì)失誤等原因造成無(wú)法匹配的構(gòu)件，進(jìn)行手動(dòng)修改后導(dǎo)入。

3 BIM-5D 在某大型公建工程中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

南沙建滔廣場(chǎng)項(xiàng)目位于廣州市南沙自貿(mào)區(qū)蕉門(mén)河中心區(qū)供電局西側(cè)，毗鄰地鐵 4 號(hào)線(xiàn)，由廣州展灜置業(yè)有限公司投資興建?？傆玫孛娣e約 1.26 萬(wàn) m2，總建筑面積 11 萬(wàn) m2。該工程為雙塔樓連體結(jié)構(gòu)，地下 3 層，北塔地上 34 層，地面以上高度為 149.5 m；南塔地上 25 層，地面以上高度為 104.5 m。

3.2 實(shí)施 BIM-5D 的必要性

1）項(xiàng)目施工地形條件復(fù)雜，場(chǎng)地狹小，且周邊水域較多，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)平面布置要求高。

2）由于項(xiàng)目防排煙和通風(fēng)管密度高，業(yè)主對(duì)空間利用要求嚴(yán)格，導(dǎo)致空間狹窄，碰撞率高。

3）項(xiàng)目純混凝土大跨度空中連廊呈“h”型結(jié)構(gòu)，天面泳池、鋼混屋面花架，高層懸挑結(jié)構(gòu)，施工難度較大。

4）項(xiàng)目難點(diǎn)多，各專(zhuān)業(yè)施工流水難以確定，同時(shí)施工進(jìn)度、成本、安全、質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)、材料、機(jī)械布置均需要不同軟件配合工作，無(wú)法真正滿(mǎn)足施工過(guò)程中一些實(shí)時(shí)問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

3.3 相關(guān)軟件、插件的選用及應(yīng)用

本項(xiàng)目建模軟件選用 Revit2016，鋼結(jié)構(gòu)模型選用Tekla，計(jì)價(jià)軟件選用廣聯(lián)達(dá) GCL，模型碰撞檢測(cè)選用 Navisworks，模型漫游、瀏覽、VR 應(yīng)用選用Lumion、Fuzor 和 3Dmax、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析選用 Midas 軟件，具體流程圖如圖 4 所示。

圖4 應(yīng)用流程圖

3.4 基于 BIM-5 D 技術(shù)的精細(xì)化基坑開(kāi)挖模擬

針對(duì)本工程毗鄰廣州軌交 4 號(hào)線(xiàn)的難點(diǎn)，采用平臺(tái)模擬技術(shù)，輔助基坑施工在準(zhǔn)備階段土方開(kāi)挖方案的制定和優(yōu)化，合理安排施工工序。借助模擬動(dòng)畫(huà)，與市政、地鐵管理方開(kāi)展三維可視化溝通交流，極大提升了決策效率和管理效率（見(jiàn)圖 5）。

圖5 土方開(kāi)挖模擬施工

3.5 基于 BIM-5D 技術(shù)的多專(zhuān)業(yè)深化設(shè)計(jì)

針對(duì)本項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)機(jī)電、鋼結(jié)構(gòu)等專(zhuān)業(yè)全部采用 BIM-5D 平臺(tái)三維模型來(lái)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。在各專(zhuān)業(yè)深化設(shè)計(jì)完成后通過(guò) Navisworks 軟件進(jìn)行多專(zhuān)業(yè)整合碰撞，提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題。此階段設(shè)計(jì)問(wèn)題可通過(guò)業(yè)主方牽頭協(xié)調(diào)優(yōu)化原設(shè)計(jì)方案。在模型修改完善后通過(guò)三維模型導(dǎo)出施工圖指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工生產(chǎn)。

其中，南塔樓通過(guò)建模+管線(xiàn)綜合多套方案優(yōu)化，提高空間高度 200 mm，提升了凈空舒適度（見(jiàn)圖 6、圖 7）。在解決此問(wèn)題同時(shí)，與結(jié)構(gòu)單位協(xié)調(diào)配合，特殊部位提前處理，優(yōu)化管道預(yù)留和布置，節(jié)省二次加工時(shí)間，節(jié)約了大量成本。

圖6 管線(xiàn)碰撞檢測(cè)

圖7 凈高優(yōu)化（單位：mm）

3.6 基于 BIM-5D 技術(shù)的動(dòng)態(tài)管理

通過(guò) BIM-5D 平臺(tái)進(jìn)行模型整合（見(jiàn)圖 8），并將施工進(jìn)度計(jì)劃編制安排和資源配置計(jì)劃導(dǎo)入集成平臺(tái)進(jìn)行施工模擬，驗(yàn)證進(jìn)度計(jì)劃合理性即流水段銜接合理性分析及工序穿插合理性分析，從而提前優(yōu)化施工進(jìn)度，合理調(diào)度資源。

圖8 BIM-5D 平臺(tái)任務(wù)狀態(tài)示意圖

借助手持式移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)、ipad，現(xiàn)場(chǎng)管理人員可以實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)度反饋到 BIM-5D 管理平臺(tái)中，形成數(shù)字孿生映射，使平臺(tái)可以動(dòng)態(tài)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)度計(jì)劃模型進(jìn)行對(duì)比分析，得出施工進(jìn)度滯后或超前，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的動(dòng)態(tài)管理。

3.7 基于 BIM-5D 技術(shù)的成本管控

利用 BIM-5D 應(yīng)用平臺(tái)，根據(jù)施工模擬完成的計(jì)劃進(jìn)度內(nèi)資源、材料、設(shè)備、資金的消耗計(jì)劃，依據(jù)不同流水區(qū)段進(jìn)行提取數(shù)據(jù)信息，匯總每一區(qū)段內(nèi)清單工程量，同時(shí)與不斷記錄的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資金消耗情況匹配，預(yù)測(cè)施工過(guò)程中不同時(shí)間段資金資源等消耗情況，分析波峰及波谷出現(xiàn)的位置，提前安排資金，并且在施工過(guò)程中通過(guò)不斷對(duì)比分析資金模型，總結(jié)成本投入，以數(shù)據(jù)作為支撐位協(xié)助項(xiàng)目管理人員決策，優(yōu)化資源配置，逐步邁向精細(xì)化管理道路，如圖 9 所示。

圖9 計(jì)劃資金與實(shí)際成本曲線(xiàn)圖

3.8 BIM-5D 效用總結(jié)

3.8.1 效益

1）管理前置化。施工過(guò)程存在極大不確定性，而B(niǎo)IM-5D 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)虛擬建造，方便管理人員對(duì)復(fù)雜工序的理解以及流水搭接正確性的檢驗(yàn)，解決了施工順序安排工作復(fù)雜的問(wèn)題，有助于管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和安排不合理施工問(wèn)題，降低溝通成本，減少返工。

2）管理協(xié)同化。BIM-5D 平臺(tái)，可以將三維可視模型與實(shí)際施工進(jìn)度協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)，并可集成場(chǎng)地布置信息，結(jié)合移動(dòng)端實(shí)施動(dòng)態(tài)管理，提升了項(xiàng)目整體管理工作的協(xié)調(diào)性，便于項(xiàng)目及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、關(guān)閉問(wèn)題，極大提升了管理效率。

3）成本可視化。通過(guò)實(shí)時(shí)發(fā)生的資源曲線(xiàn)、資金曲線(xiàn)以及物資查詢(xún)功能，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的勞動(dòng)力、材料、機(jī)械數(shù)量進(jìn)行讀取，再依次指定物資及資源儲(chǔ)備計(jì)劃、機(jī)械進(jìn)場(chǎng)計(jì)劃等，避免了由于圖紙等出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致返工而產(chǎn)生虧損的可能，可以實(shí)現(xiàn)限額領(lǐng)料，解決資源短缺及浪費(fèi)等問(wèn)題，為成本的精細(xì)化管控提供了理論和操作支撐。

3.8.2 難點(diǎn)與不足

1）目前各軟件之間交互設(shè)計(jì)機(jī)制不成熟，平臺(tái)識(shí)別率低。可在模型導(dǎo)入過(guò)程采用模糊匹配機(jī)制，減少人工識(shí)別工作。

2）智能二維碼技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)未能使用。

2）移動(dòng)端數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程效率低，未達(dá)到預(yù)期效果。

3）未能深入 BIM 應(yīng)用全生命周期領(lǐng)域，本工程的應(yīng)用主要圍繞是施工階段展開(kāi)，如何統(tǒng)一設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維三方標(biāo)準(zhǔn)化，是推進(jìn) BIM-5D 技術(shù)的方向。

4 結(jié)語(yǔ)

本文側(cè)重分析了施工過(guò)程中 BIM-5D 平臺(tái)的數(shù)據(jù)組成及應(yīng)用成功案例，為將來(lái)在大型公建施工中實(shí)現(xiàn)BIM-5D 管理的企業(yè)提供了設(shè)計(jì)和應(yīng)用的方向。

基于我國(guó)目前仍長(zhǎng)期處于發(fā)展中國(guó)家的現(xiàn)狀，其大型公建類(lèi)項(xiàng)目仍然保持逐年遞增的現(xiàn)狀，而整體管理效率低下、能耗高、信息化率卻仍然處于較低的現(xiàn)狀，隨著 BIM 技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM-5D 軟件不斷完善，其在建筑行業(yè)的應(yīng)用也會(huì)日趨成熟，未來(lái)的 BIM 技術(shù)也必將朝著nD的維度拓展，以滿(mǎn)足建筑行業(yè)全生命周期協(xié)同化、參數(shù)化、信息化、集成化的更高要求。Q