基于復(fù)雜性項目建設(shè)全過程精細(xì)化BIM 模型集成方法

黃珂

（萬達(dá)地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各種大型、復(fù)雜建筑項目越來越多，因此，對工程項目管理模式的要求也越來越高。復(fù)雜性項目的組成要素過多，這些要素存在的多樣性也導(dǎo)致了整個建設(shè)項目的多種結(jié)構(gòu)之間充滿差異性，而這些差異正是組成整個建設(shè)項目的復(fù)雜根源。從建設(shè)項目的復(fù)雜性視角來看，建設(shè)項目的結(jié)構(gòu)效果比項目建設(shè)規(guī)模重要得多。因此，在復(fù)雜性項目建設(shè)的過程中，實現(xiàn)建設(shè)項目的全過程精細(xì)化管理是重中之重。

BIM 技術(shù)可以將復(fù)雜性項目建設(shè)過程中各種信息進(jìn)行集成，從建設(shè)最初的方案設(shè)計，到實施的開始，再到運(yùn)營直至施工全過程的完結(jié)，均能夠把所有數(shù)據(jù)集成在構(gòu)建的三維建模技術(shù)系統(tǒng)中，建筑設(shè)計人員、施工單位、設(shè)備管理單位以及企業(yè)的各方工作人員均可通過BIM 進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，這在有效提升管理水平的同時，也節(jié)約了資金和成本，進(jìn)而達(dá)到建筑的可持續(xù)開發(fā)[1]。但工程實踐中，許多復(fù)雜性項目仍使用普通的施工項目管理方法，雖然可以有效控制成本，但在實際操作中協(xié)調(diào)難度較大[2]。

因此，基于我國當(dāng)前建筑行業(yè)發(fā)展情況，要提高復(fù)雜性項目建設(shè)過程中的整體管理水平，就需要把智能化管理模式運(yùn)用到建設(shè)全過程中去，并在建設(shè)中推動BIM 技術(shù)發(fā)展。然而，在具體應(yīng)用實踐中，由于分包方式相對較多，很容易出現(xiàn)無實際意義的總包單位，導(dǎo)致各個分包之間的協(xié)調(diào)工作仍由甲方完成，不利于復(fù)雜性項目的建設(shè)，亟需構(gòu)建一種完善的集成方法。因此，本文針對復(fù)雜性項目工程的施工建設(shè)，構(gòu)建全過程精細(xì)化BIM 模型集成方法，以山東青島東方影都大劇院秀場項目為例，對精細(xì)化BIM 模型集成方法進(jìn)行實例分析與驗證。

1 工程概況

東方影都大劇院的秀場直播項目工程，位于我國山東省青島市黃島區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的中心商務(wù)區(qū)內(nèi)。該工程所占用段大部分為人工開墾地，北面為城市沿海一路，海濱路段北部為靈山灣，南面為城市沿海四路。該工程屬于復(fù)雜性建設(shè)項目，主要建設(shè)內(nèi)容由近2000 個特大型企業(yè)國際綜合電影、近1480 套秀場直播設(shè)施及其相應(yīng)的附屬用房等構(gòu)成，其功能重點是成為上海國際電影節(jié)的主會場，同時展示海外電影，承辦上海國際電影節(jié)開閉幕式、文藝演出以及音樂會等。工程建筑總面積約11.38 萬m2，其中大劇院面積24000m2（地上19300m2，地下4700m2），秀場面積21500m2（地上17100m2，地下4400m2），停車樓及其他的建筑面積68300m2。大劇場鋼結(jié)構(gòu)主要分布于臺塔、觀眾廳和前廳內(nèi)，總用鋼量1953.7t。而大劇院幕墻設(shè)計為以螺旋形上升的復(fù)雜面體結(jié)構(gòu)，從設(shè)計時就使用了Rihno（犀牛）模型，確保與后續(xù)BIM 模型應(yīng)用的一致性。

2 精細(xì)化BIM 模型集成方法

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行模型構(gòu)建之前，需要對項目進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。由于大劇院秀場項目施工工期較長，項目建設(shè)較為復(fù)雜，每天都會產(chǎn)生較多的施工信息，且施工信息會隨著工程進(jìn)度的推進(jìn)而發(fā)生改變，因此需要及時上傳施工信息，以確保對施工項目進(jìn)行精細(xì)化管理。施工現(xiàn)場管理人員根據(jù)現(xiàn)場實際施工進(jìn)度，將各項應(yīng)用的構(gòu)件種類、數(shù)量、應(yīng)用位置、建設(shè)情況等信息繪制成工程量清單表格，每天上傳至云平臺，實現(xiàn)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。

2.2 精細(xì)化BIM 模型構(gòu)建

精細(xì)化BIM 模型的構(gòu)建，首先需建立一個高精度的BIM 族，主要體現(xiàn)為BIM 部件與BIM 族信息的詳細(xì)程度，準(zhǔn)確來說就是需要更加具體的項目工程幾何參數(shù)、性能信息、定位連接信息、價格信息、供應(yīng)商信息等。高精度BIM 族適用于對細(xì)節(jié)要求較高的工程，尤其適用于復(fù)雜性項目。

在大劇院秀場項目建設(shè)工程深化設(shè)計過程中，在對各類場館構(gòu)件進(jìn)行三維BIM 建模的同時，還需要將多種機(jī)電設(shè)備的廠家、閥部件尺寸、技術(shù)參數(shù)、運(yùn)維信息、設(shè)計圖紙等信息錄入BIM 族，保證族內(nèi)設(shè)備、部件信息與實際信息相吻合，實現(xiàn)精細(xì)化管理。

在創(chuàng)建BIM 模型中，最基本的內(nèi)容便是創(chuàng)建結(jié)構(gòu)元素模型，即直接創(chuàng)建最小的結(jié)構(gòu)單元模型。以CAD 底圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在Autodesk Revit 軟件中制作BIM 模型，而在創(chuàng)建BIM 模型中最主要的部分便是設(shè)計模型的基本參數(shù)，構(gòu)成大劇院秀場建筑的所有零件，都需在軟件中設(shè)定好一定的種族，以方便選用。而對于在秀場內(nèi)部的梁、墻以及柱等，根據(jù)軟件內(nèi)部系統(tǒng)中設(shè)立的族可以將其原有尺寸修改成實際參數(shù)來進(jìn)行應(yīng)用，對于其它構(gòu)成零件也可以在軟件中找到符合要求的形狀從而建立新的族，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還可將其保存以供后續(xù)反復(fù)使用[3]。

精細(xì)化BIM 模型建立的過程是為了提高模型的精準(zhǔn)度，但各個結(jié)構(gòu)之間一定會存在碰撞現(xiàn)象，故需要在模型中增加結(jié)構(gòu)碰撞的檢查。因此，可將BIM 模塊導(dǎo)入Autodesk 的Navisworks Manage軟件中，針對秀場建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)檢的碰撞進(jìn)行檢測，再通過碰撞檢測的結(jié)果來對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整[4]。利用激光打點進(jìn)行測距，每個測站至多可以形成七千萬個點，并由此也可以產(chǎn)生點云，這就建立了一個基于建筑項目的點云模型。再將點云模型與BIM 模型相互疊加，則可獲取大劇院秀場施工現(xiàn)場全景的掃描圖片[5]。

2.3 預(yù)警閾值設(shè)定及信息可視化

為了避免秀場內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)在建設(shè)過程中出現(xiàn)異常，需通過建立預(yù)警閾值，實現(xiàn)對秀場建筑結(jié)構(gòu)多方面狀態(tài)的實時監(jiān)測，并進(jìn)行有效預(yù)警。在發(fā)出警報后，可及時了解異常原因，制定解決措施。在設(shè)定預(yù)警閾值之前還需對秀場建筑結(jié)構(gòu)動力的性能進(jìn)行監(jiān)測，檢測結(jié)構(gòu)的動力性能可以利用模態(tài)曲率差來對結(jié)構(gòu)異常的指標(biāo)進(jìn)行識別，計算如式（1）所示：

式中：（y）和（y）分別是結(jié)構(gòu)異常之前和之后第x階段模態(tài)在第y位置的曲線率。根據(jù)得到的動力性能就可以設(shè)定預(yù)警的閾值，但還需要考慮建設(shè)項目當(dāng)季溫度、風(fēng)力與結(jié)構(gòu)承載力之間的組合作用，從而計算出秀場建筑結(jié)構(gòu)正常范圍內(nèi)的極限承受狀態(tài)。正常狀態(tài)下最不利的情況為該結(jié)構(gòu)的一級預(yù)警閾值，最不利狀態(tài)下承載能力的最大值為該結(jié)構(gòu)的二級預(yù)警閾值，實際承載能力的極限狀態(tài)為該結(jié)構(gòu)的三級預(yù)警閾值[6]。實際檢測時結(jié)構(gòu)預(yù)警閾值對應(yīng)承載能力的利用率，具體如式（2）所示：

式中：Xa表示可以變化的荷載效應(yīng)；Xb表示恒載效應(yīng)；Cn表示材料的強(qiáng)度；η表示強(qiáng)度折減的因子，并且當(dāng)結(jié)構(gòu)屬于無損狀態(tài)時，η=1.0。根據(jù)式（2）就可以得到關(guān)于預(yù)警閾值的計算公式，如式（3）所示：

式中：Y表示運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)下的預(yù)警閾值；Rn表示結(jié)構(gòu)中材料強(qiáng)度變化值；Rm表示恒載狀態(tài)下材料變化情況。

數(shù)據(jù)信息可視化技術(shù)能夠把大量的抽象數(shù)據(jù)通過圖片甚至是視頻的形式表現(xiàn)出來，可以有效顯著減少對數(shù)據(jù)的掌握困難度。因此，在大劇院秀場項目建設(shè)過程中，采用Autodesk Revit 軟件對BIM 模式下的部分模塊和現(xiàn)場施工的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)信息整合，實現(xiàn)建模信息和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的交互查詢，并在此基礎(chǔ)上表現(xiàn)出了實際監(jiān)測的大量數(shù)據(jù)信息。BIM 查詢系統(tǒng)能夠通過網(wǎng)站與移動終端兩種方式來實現(xiàn)查詢，所提供的客戶端可查詢現(xiàn)場全景圖，并與模型進(jìn)行比對[7]。根據(jù)數(shù)據(jù)信息可視化要求，可以將信息可視化插件分為五個模塊，具體功能如圖1 所示。

圖1 信息可視化模塊分布示意圖

每一種功能都需要增加一個操作按鈕，所有按鈕均處于“附加模塊”中，同時給每個操作按鈕都設(shè)計一個小圖標(biāo)，以更加方便操作。

2.4 基于數(shù)據(jù)庫的信息集成管理

數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是把建設(shè)項目的需求進(jìn)行分析之后，再將所得到的新需求轉(zhuǎn)變成虛擬的信息結(jié)構(gòu)。建立數(shù)據(jù)庫模型的關(guān)鍵就是建立實體-關(guān)系圖的模型，通過實體、屬性及其聯(lián)系描述實際項目中關(guān)于概念的模型，主要為根據(jù)自下而上的方法進(jìn)行設(shè)計，先設(shè)計關(guān)于局部的概念模型，再設(shè)計集成后的全局模型，并進(jìn)行優(yōu)化，具體數(shù)據(jù)庫設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖

數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后，就可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部信息與實際項目信息進(jìn)行管理，其中最主要的部分就是關(guān)于運(yùn)行維護(hù)的管理。

將本次大劇院秀場項目的建設(shè)信息輸入數(shù)據(jù)庫中，其中包括各個環(huán)節(jié)中應(yīng)用到的產(chǎn)品材料的供應(yīng)商和材料信息，預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等。同時，對產(chǎn)品質(zhì)檢情況與施工現(xiàn)場安裝情況進(jìn)行記錄，并一同輸入數(shù)據(jù)庫，關(guān)聯(lián)至相同的產(chǎn)品模塊中。通過精細(xì)化BIM 模型，實現(xiàn)秀場項目建設(shè)全過程精細(xì)化管理，對秀場建筑構(gòu)造、輔助工程項目、機(jī)械設(shè)備工況、構(gòu)件閥件規(guī)格安裝信息、材料供應(yīng)商等關(guān)鍵資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，可在數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)查詢與管理，保障大劇院秀場項目的全過程精細(xì)化管理控制工作的順利進(jìn)行[8]。

與此同時，可在秀場建筑施工現(xiàn)場對每個工程設(shè)置對應(yīng)的電子標(biāo)簽，通過精細(xì)化BIM 模型實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的監(jiān)督管理。使用標(biāo)簽識別設(shè)備掃描施工現(xiàn)場各工程項目中的標(biāo)簽，查詢施工設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并將采集到的設(shè)備信息上傳至數(shù)據(jù)庫中，實時更新現(xiàn)場施工情況。對秀場建設(shè)項目施工現(xiàn)場的施工過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，全部通過精細(xì)化BIM 模型進(jìn)行管控，并通過精細(xì)化BIM 模型對施工進(jìn)度以及施工過程進(jìn)行監(jiān)督，若有不規(guī)范施工情況及時進(jìn)行改正。合理運(yùn)用施工信息，對秀場項目建設(shè)的全過程進(jìn)行精細(xì)化管理，使BIM 真正達(dá)到對工程生產(chǎn)整個周期的控制，實現(xiàn)準(zhǔn)確、直觀、全面、關(guān)聯(lián)的工程數(shù)據(jù)服務(wù)與決策支撐，進(jìn)而使BIM 虛擬工程模塊的數(shù)據(jù)和真實建筑物數(shù)據(jù)一致[9]。

3 應(yīng)用與分析

為了測試提出的方法是否可有效解決傳統(tǒng)項目建設(shè)過程中出現(xiàn)的問題，選擇東方影都大劇院秀場項目為實驗對象，通過實驗平臺構(gòu)建劇院秀場模型來代替真實的劇院秀場，以有效降低成本和不穩(wěn)定因素。以項目建設(shè)過程中的碰撞檢查為例，對劇院秀場模型分別使用傳統(tǒng)施工方法以及本文施工方法進(jìn)行檢查，通過得到的結(jié)果來分析哪種方法更加有效。

實驗測試共采集到500 組數(shù)據(jù)，其中未產(chǎn)生任何接觸的鋼筋為200 組，剩下300 組則有相互碰撞的情況存在。為了保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過5 次對比實驗來進(jìn)行驗證，表1 為不同方法下鋼筋碰撞檢測的具體測試結(jié)果。

表1 不同方法下鋼筋碰撞檢測結(jié)果（組）

由表1 可以看出，在復(fù)雜性項目建設(shè)全過程中使用傳統(tǒng)施工方法，檢測出鋼筋發(fā)生碰撞的平均數(shù)量為198 組。而使用BIM 技術(shù)進(jìn)行鋼筋碰撞檢測時，可以檢測出的平均數(shù)量為290 組，明顯比傳統(tǒng)方法多?？梢娫谶M(jìn)行碰撞檢測時，本文提出的方法效果較好。為了對比在復(fù)雜性項目建設(shè)全過程中，使用不同方法進(jìn)行施工建設(shè)之后，兩個建筑模型整體工期的時間情況，整理實驗測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 建筑施工完成程度示意圖

由圖3 可以看出，在復(fù)雜性項目建設(shè)全過程中使用傳統(tǒng)施工方法，經(jīng)過15 個月之后，施工的完成程度只有20%；雖然后期出現(xiàn)逐漸上升的趨勢，但經(jīng)過30 個月之后，施工的完成程度也只有60%。而使用本文方法進(jìn)行施工，施工完成度始終呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢，在經(jīng)過30 個月之后，整體建筑的施工可以100%完成。

綜上所述，無論是對碰撞的檢測，還是在施工完成度上的進(jìn)展，本文所提出的BIM 技術(shù)在復(fù)雜性項目建設(shè)全過程中都有更好的效果，可有效改善傳統(tǒng)方法無法準(zhǔn)確檢測碰撞發(fā)生的情況，并加快了整體工程的施工進(jìn)度，施工效率較高。

4 結(jié)語

利用精細(xì)化BIM 數(shù)據(jù)模型，將傳統(tǒng)施工流程中彼此獨立的技術(shù)數(shù)據(jù)，通過BIM 系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一整合，各方在施工流程中利用BIM 技術(shù)數(shù)據(jù)，共同協(xié)作，真正達(dá)到了資源共享及協(xié)同工作的效果。BIM 技術(shù)數(shù)據(jù)在項目調(diào)整及問題解決中起到了關(guān)鍵性的作用，節(jié)省了以往設(shè)計調(diào)整流程中翻查二維圖樣的時間，大幅提升了工程協(xié)同的效率。BIM 技術(shù)在工程項目中發(fā)揮了突出作用，有效輔助處理了工程實施中出現(xiàn)的重難點問題，真正做到了項目可視化控制、精細(xì)化控制，可取得較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。