BIM 技術(shù)在某建筑工程施工管理的應(yīng)用研究

嚴(yán)曉紅 嚴(yán)德林 陳明月

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430065;2.武漢中建工程管理有限公司,湖北 武漢 430074;3.中國建筑第四工程局有限公司,廣東 廣州 510665)

1 引言

建筑業(yè)是我國的國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一。建筑業(yè)的持續(xù)發(fā)展為我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)[1]。但建筑業(yè)信息化、工業(yè)化水平較低,生產(chǎn)方式較為粗放,勞動生產(chǎn)率不高,資源消耗大等問題較為突出[2],組織方式較為落后,精細(xì)化、信息化、專業(yè)化程度較低[3]。隨著我國社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)形勢的變化,綠色、低碳、環(huán)保、節(jié)能要求越來越高,傳統(tǒng)的建造方式已經(jīng)不能滿足要求,改變粗放式管理模式已經(jīng)刻不容緩。

越來越多的學(xué)者都在研究這個問題,提出了建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級要借助科技的力量,突破傳統(tǒng)的方式,提升核心競爭力,由粗放型向精細(xì)型發(fā)展。丁烈云認(rèn)為,智能建造利用以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特征的新一代信息技術(shù),是土木工程建造與新一代信息技術(shù)相結(jié)合的工程建設(shè)新模式[4]。王廣斌認(rèn)為,建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型,主要有兩個方向:一是數(shù)字化,二是項(xiàng)目生產(chǎn)組織模式的集成化。集成化BIM技術(shù)在整個產(chǎn)業(yè)變革中將起到關(guān)鍵性作用[5]。劉鳴奇等認(rèn)為,信息模型技術(shù)有助于推動建筑工程信息化與智慧化,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化與數(shù)字化管理[6]。國家相關(guān)部門一直在引導(dǎo)建筑業(yè)的健康發(fā)展,2020年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》,提出加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)應(yīng)用。2021年3月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部指出,推行精益化的生產(chǎn)和施工,有效采用BIM等相關(guān)技術(shù)。

BIM技術(shù),即建筑信息模型(Building Information Modeling),以三維幾何模型為載體,集成建筑多種信息,實(shí)現(xiàn)建筑工程壽命期各參與方之間的信息共享。BlM技術(shù)是一種應(yīng)用于設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營的數(shù)字化管理方法,是用于智能建造的核心技術(shù)。目前在項(xiàng)目規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段運(yùn)用較多,取得了很好的效果。BIM技術(shù)的出現(xiàn),給項(xiàng)目的各參與方帶來了全新的合作和管理方式。如何將BIM技術(shù)與施工管理有機(jī)結(jié)合是一個關(guān)鍵問題。本文通過一個實(shí)際工程,研究探索BIM技術(shù)在建筑工程施工階段的應(yīng)用點(diǎn)及取得的效果,希望能為其他建筑施工企業(yè)提供借鑒和參考,以此來推進(jìn)傳統(tǒng)的建筑行業(yè)逐步向綠色低碳、信息化、智能化轉(zhuǎn)變。

2 BIM技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用

在施工階段,傳統(tǒng)工地管理較為粗放,存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、信息不對稱等問題,在進(jìn)度、質(zhì)量、安全、環(huán)境上難以找到平衡點(diǎn),風(fēng)險因素較多[7],更加迫切需要精細(xì)化管理,BIM技術(shù)的運(yùn)用尤顯重要。BIM技術(shù)在施工管理方面的應(yīng)用點(diǎn)很多,主要有圖紙會審、施工可視化管理、碰撞檢查、深化設(shè)計(jì)施工進(jìn)度控制、質(zhì)量安全控制、智慧工地、成本控制等方面。工程越復(fù)雜,交叉作業(yè)越多,越能體現(xiàn)BIM技術(shù)的優(yōu)勢,應(yīng)用效果越好。但運(yùn)用BIM技術(shù)需要購買軟件及設(shè)備,投入專業(yè)技術(shù)人員建立模型、信息輸入,并及時根據(jù)實(shí)際情況更新模型和信息。

本實(shí)驗(yàn)大樓是一棟地上19層、地下3層、建筑面積為將近5萬平方米的高層建筑,主要功能是實(shí)驗(yàn)檢測、動物飼養(yǎng)。多種復(fù)雜實(shí)驗(yàn)室、動物房合理分樓層設(shè)計(jì),1~7F為醫(yī)療器械、8F為微生物檢測、9F為保化毒理、10~11F為GLP、12~19F為動物房,工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜,造型奇特,施工和管理難度大,此項(xiàng)目部從中標(biāo)之日開始,確定了將BIM技術(shù)貫穿于整個施工管理全過程,以下具體分析說明。

2.1 項(xiàng)目BIM組織架構(gòu)圖

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)大樓項(xiàng)目施工工藝的特點(diǎn),采用了分工明確、相互依存和協(xié)調(diào)的BIM團(tuán)隊(duì)組織架構(gòu)形式,BIM團(tuán)隊(duì)組織架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 BIM團(tuán)隊(duì)組織架構(gòu)圖

2.2 項(xiàng)目BIM軟件配置及功能說明

目前國內(nèi)外市場上有很多BIM類相關(guān)軟件,功能也各不相同。企業(yè)要根據(jù)工程的特點(diǎn)、應(yīng)用點(diǎn)等來選擇一個或多個,如橋梁設(shè)計(jì)選用Open Bridge Modeler軟件,建筑工程選用Outbuildings Designer軟件,進(jìn)度計(jì)劃編制采用廣聯(lián)達(dá)斑馬計(jì)劃軟件,建筑工程土建計(jì)量采用GTJ軟件等。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)大樓項(xiàng)目特點(diǎn),本著經(jīng)濟(jì)適用的原則,采購了以下BIM軟件產(chǎn)品,建立了完善的BIM模型,模型中建筑信息完整,可視性和可操作性強(qiáng)。各個軟件具體功能說明如表1。

表1 項(xiàng)目BIM軟件配置表

2.3 機(jī)電深化設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)大樓功能種類繁多、復(fù)雜,機(jī)電系統(tǒng)相較于普通建筑復(fù)雜很多,其中空調(diào)系統(tǒng)8個(空調(diào)熱水供回水、送回風(fēng)系統(tǒng)、普通排風(fēng)系統(tǒng)、全新風(fēng)系統(tǒng)、廢氣排風(fēng)系統(tǒng)、冷卻水供回水、防排煙系統(tǒng)、冷凍水供回水)、電氣系統(tǒng)22個、給排水系統(tǒng)13個、工藝系統(tǒng)4個,各專業(yè)之間交叉施工多。

(1)傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)施工困境

傳統(tǒng)機(jī)電施工中,各專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙只是簡單疊加在一起,施工人員只關(guān)注某些復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的管線,管線之間、管線與土建之間存在大量的交叉、碰撞,從圖紙上很難找出這些點(diǎn),另管道加工采取邊加工邊施工,導(dǎo)致后期施工時存在大量返工、打洞、材料尺寸不合適等情況,造成材料浪費(fèi)、工期延長,難以保質(zhì)保量完成。

(2)室內(nèi)外管線碰撞檢測、深化設(shè)計(jì)

為了提前找到機(jī)電系統(tǒng)交叉、碰撞點(diǎn),采用BIM技術(shù)進(jìn)行管線深化,分三步:第一步利用BIM軟件進(jìn)行全專業(yè)精細(xì)模型創(chuàng)建;第二步利用BIM技術(shù)對室內(nèi)外機(jī)電管線進(jìn)行虛擬碰撞檢測,找出管線之間、管線與土建之間的碰撞點(diǎn);第三步利用BIM技術(shù)對碰撞點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì),優(yōu)化管線排布,出具室內(nèi)外機(jī)電管線施工圖紙,指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

本工程通過BIM技術(shù)運(yùn)用,找到很多碰撞點(diǎn)并進(jìn)行了優(yōu)化,如原設(shè)計(jì)中空調(diào)水管穿梁而過,不符合結(jié)構(gòu)要求,通過對BIM模型優(yōu)化排布,調(diào)整管道走向,空調(diào)水管不穿梁,貼梁底布置,滿足結(jié)構(gòu)要求;如原設(shè)計(jì)中設(shè)備吊裝口上方有多個管道,影響設(shè)備吊裝,通過BIM技術(shù)提前找到碰撞點(diǎn),優(yōu)化后調(diào)整管道位置,合理避開設(shè)備吊裝口。經(jīng)統(tǒng)計(jì),本工程共節(jié)省穿梁孔洞約2500多個。

如圖2管線優(yōu)化前排布圖所示,管線布置混亂,管線交叉較多,違反國家強(qiáng)制性條款規(guī)定,無法布置支架,不能滿足標(biāo)高要求。運(yùn)用BIM技術(shù)優(yōu)化管線排布,如圖3所示,管線布置有序,管線無干叉,符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,綜合排布支架,最大提升標(biāo)高。

(3)利用BIM技術(shù),管道預(yù)制加工

利用管線優(yōu)化排布的圖紙和BIM模型,利用BIM技術(shù)精準(zhǔn)地統(tǒng)計(jì)材料的詳細(xì)信息,提前在工廠預(yù)制管道,工廠化預(yù)制管道質(zhì)量有保證,它不受場地、交叉施工、天氣、環(huán)境等制約和干擾,提升了工作效率,降低了廢品率,減少了浪費(fèi),節(jié)能減耗,對整個社會和環(huán)境有利。

圖2 管線優(yōu)化前排布圖

圖3 管線優(yōu)化后排布圖

以加工量大的風(fēng)管為例說明,采取BIM技術(shù)流程如下:根據(jù)優(yōu)化后的BIM模型→提取風(fēng)管數(shù)據(jù)和加工表(材質(zhì)、數(shù)量、長度、型號)→出具風(fēng)管細(xì)節(jié)圖紙及風(fēng)管翻彎節(jié)點(diǎn)圖紙→預(yù)制廠家根據(jù)圖紙和加工表生產(chǎn)加工→現(xiàn)場實(shí)施安裝。

2.4 施工可視化管理應(yīng)用

大中型工程一般造型優(yōu)美,采用多種結(jié)構(gòu)形式,建筑內(nèi)外部有很多復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)和細(xì)節(jié),施工管理難度大,施工人員通過二維圖紙和空間想象力來理解建筑內(nèi)部空間,很難提前或?qū)崟r觀察到建造具體情況,導(dǎo)致會出現(xiàn)施工方案的選擇失誤或發(fā)生質(zhì)量安全事故等現(xiàn)象。

利用BIM技術(shù)可以解決傳統(tǒng)施工存在的管理難的問題,采用BIM可視化和施工模擬,施工中重難點(diǎn)、危險點(diǎn)、質(zhì)量和安全控制點(diǎn)等一目了然,技術(shù)交底、安全交底等均采用可視化交底,細(xì)化到施工管理的每一個細(xì)節(jié)。以下舉幾個案例說明。

(1)基坑開挖機(jī)械選擇

本工程場地狹小,基坑開挖深度達(dá)16米,地下施工隱蔽性強(qiáng),施工工序銜接復(fù)雜,基坑運(yùn)土困難,內(nèi)部設(shè)有兩道環(huán)形內(nèi)支撐,其中內(nèi)支撐下空間狹小,開挖難度大。經(jīng)多方專家論證,有兩種方案供選擇:伸縮式長臂挖機(jī)垂直挖掘土方,以及固定式長臂挖機(jī)垂直挖掘土方。這兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn),經(jīng)過對兩種方案的BIM可視化模擬施工,如圖4固定式長臂挖機(jī)垂直挖掘土方和圖5伸縮式長臂挖機(jī)垂直挖掘土方所示,兩種設(shè)備抓、取土方量相同,運(yùn)行速率類似。但伸縮式長臂挖機(jī)抓土不靈活,挖土過程中施工安全性難以保證;固定式長臂挖機(jī)在深基坑中可正常作業(yè),但大臂不要過度揚(yáng)起,避免碰到支撐梁,需要配備人員監(jiān)督,有效地指導(dǎo)挖土的安全和質(zhì)量保證。經(jīng)過權(quán)衡后,項(xiàng)目部選擇固定式24 m長臂挖機(jī)作為基坑開挖機(jī)械。

圖4 固定式長臂挖機(jī)垂直挖掘土方

圖5 伸縮式長臂挖機(jī)垂直挖掘土方

(2)氣流組織模擬分析

本工程為科學(xué)檢測與研究實(shí)驗(yàn)大樓,對空氣質(zhì)量要求比普通建筑要求高。傳統(tǒng)的方法是通過理論計(jì)算空氣質(zhì)量,與實(shí)際存在著一定的偏差。本工程在施工前利用BIM技術(shù),根據(jù)各個房間的朝向、太陽照設(shè)、空氣流動方向、設(shè)備排放氣體等,對各房間內(nèi)外部進(jìn)行氣體流動模擬分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,提高空氣質(zhì)量。

如對某微生物檢測房進(jìn)行氣流模擬分析,發(fā)現(xiàn)房間上部的氨氣濃度較大,室內(nèi)的氨氣濃度由高到低在房間垂直分布,但原設(shè)計(jì)無頂部排風(fēng)口。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),增設(shè)頂部排風(fēng)口,優(yōu)化側(cè)部排風(fēng)口位置后,對室內(nèi)的氨氣濃度分布重新模擬分析,室內(nèi)氨氣濃度得到有效控制。

(3)利用BIM模型指導(dǎo)施工

建筑工程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度控制一直是建筑業(yè)的重點(diǎn)和難點(diǎn),建筑業(yè)的質(zhì)量和安全事故中,人的因素占重要部分。傳統(tǒng)施工中,管理人員對照二維圖紙,對每個現(xiàn)場工人進(jìn)行質(zhì)量、安全、技術(shù)交底,不形象、不直觀,隨著建筑工程規(guī)模不斷擴(kuò)大,造型和結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,使得各項(xiàng)交底工作也越來越難。

運(yùn)用BIM技術(shù)后,整個施工過程已實(shí)現(xiàn)三維可視,尤其是關(guān)鍵工作或情況比較復(fù)雜的關(guān)鍵工序,通過使用三維模型的可視化模擬技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量、安全、技術(shù)交底,能在不同的方位變化中觀察,及時發(fā)現(xiàn)安全隱患和質(zhì)量控制要點(diǎn)。利用BIM技術(shù)進(jìn)行三維動畫交底,如圖6三維模擬動畫交底所示,可以讓現(xiàn)場工人直觀地了解整個施工過程及要求,對施工方法、施工方案的實(shí)施有一個更加透徹、清晰的認(rèn)識,有利于控制工程質(zhì)量、安全和進(jìn)度。

圖6 三維模擬動畫交底

(4)利用BIM技術(shù)建設(shè)智慧工地

建筑業(yè)是一個碳排放大戶企業(yè),灰塵大、噪聲大,無法精確控制各項(xiàng)指標(biāo),這也是傳統(tǒng)管理模式下一直無法回避的問題。

本工程利用BIM技術(shù)建立了智慧工地綜合管理平臺,包含質(zhì)量安全管理系統(tǒng)、無人機(jī)系統(tǒng)、材料管理系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)、成本管理系統(tǒng)、人車檢測系統(tǒng)、在線揚(yáng)塵監(jiān)控系統(tǒng)、基坑在線檢測平臺、VR虛擬現(xiàn)實(shí)模擬等系統(tǒng),更加有效精細(xì)化管理項(xiàng)目。

工程處于城市鬧市區(qū),噪聲、揚(yáng)塵指標(biāo)均有很高要求。業(yè)主要求工地現(xiàn)場整齊、整潔、有序,達(dá)到文明施工“高標(biāo)準(zhǔn)”、建筑工地“高顏值”。項(xiàng)目部利用BIM技術(shù),噪聲大的機(jī)械均安裝定位和聲音監(jiān)測控制系統(tǒng),保證了周圍居民的生活不受到干擾;利用在線揚(yáng)塵控制系統(tǒng)后臺實(shí)時監(jiān)測現(xiàn)場揚(yáng)塵各項(xiàng)指標(biāo)(如PM2.5、PM10),超過指標(biāo)及時進(jìn)行自動降塵處理,保證施工現(xiàn)場揚(yáng)塵指標(biāo)在控制范圍。

基坑施工安全是有項(xiàng)目安全控制的難點(diǎn)和重點(diǎn),為了確保質(zhì)量和安全,根據(jù)本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn),結(jié)合當(dāng)前自動化監(jiān)測及數(shù)據(jù)通信技術(shù)現(xiàn)狀,建立了基坑工程自動化BIM監(jiān)測系統(tǒng),手機(jī)和網(wǎng)頁平臺隨時可以查看,方便施工人員隨時監(jiān)控。

除此之外,還利用BIM技術(shù)進(jìn)行算量計(jì)價、材料精確統(tǒng)計(jì)管理等,項(xiàng)目精細(xì)化管理上了一個臺階,防控工程中各種風(fēng)險。

3 應(yīng)用BIM技術(shù)的效果分析

跟傳統(tǒng)施工管理模式相比,利用BIM技術(shù)對建筑工程施工階段進(jìn)行全面精細(xì)化管理,給建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位以及社會帶來了極大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),本工程利用BIM技術(shù)后取得的經(jīng)濟(jì)效益超過600萬,部分案例如表2所示。

表2 運(yùn)用BIM技術(shù)后經(jīng)濟(jì)效益分析表

續(xù)表

3.2 社會效益

本工程運(yùn)用BIM技術(shù)后除了取得經(jīng)濟(jì)效益外,還有一定的社會效益。

機(jī)電管線碰撞檢查及深化設(shè)計(jì)、材料預(yù)制加工及精確統(tǒng)計(jì)等,保證了工程質(zhì)量、節(jié)約材料。智慧工地、房間氣流分析,均為BIM技術(shù)的深度應(yīng)用,具有一定的創(chuàng)新性。利用模擬施工,編制施工方案、技術(shù)交底,保證了項(xiàng)目可行性、施工的安全性。對于復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)、施工難度大、重點(diǎn)控制部位,用模型模擬施工和提前交底,預(yù)防質(zhì)量和安全事故發(fā)生,保證了項(xiàng)目人員生命和財產(chǎn)安全。

運(yùn)用BIM技術(shù)可以更好地保證工程質(zhì)量和安全,節(jié)約材料、綠色低碳等,此項(xiàng)價值無法用金錢衡量,具有重大的社會效益。

4 結(jié)語

目前建筑業(yè)處于轉(zhuǎn)型階段,建筑行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)不再是單純追求快速,而是進(jìn)入到了高質(zhì)量、精細(xì)化管理發(fā)展模式,數(shù)字化轉(zhuǎn)型能力成為企業(yè)核心競爭力的重要方面。通過BIM技術(shù)在機(jī)電深化設(shè)計(jì)、可視化管理、智慧工地等方面的應(yīng)用,分析取得的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,以期給施工企業(yè)帶來一定的思路和參考。

BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用點(diǎn)很多,有待于下一步繼續(xù)研究和實(shí)踐。隨著國家大力支持和科技的發(fā)展,BIM技術(shù)在建筑業(yè)的全面推廣和應(yīng)用,必將推動建筑領(lǐng)域新的變革。