BIM在合肥卷烟厂全生命周期应用的研究

薛训明　陈凯　苏明　唐皓辰　汪飞　王海英　叶为全

摘要：建筑信息模型（BIM）的应用对于实现卷烟厂全生命周期管理，提高烟草行业技改项目设计、施工、运营的科学技术水平，促进本行业全面信息化和现代化具有重要意义。该文结合安徽中烟工业有限责任公司合肥卷烟厂项目研究了BIM在卷烟厂全生命周期中的一些典型应用。

关键词：建筑信息模型；全生命周期；碰撞检测；设计变更；设施管理

中图分类号：TU277 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）01-0195-04

BIM（Building Information Modeling）全称建筑信息模型[1]，是指基于最先进的三维数字设计和工程软件所构建的“可视化”的数字建筑模型，为设计师、建筑师、水电暖铺设工程师、开发商乃至最终用户等各环节人员提供“集成、模拟、分析”的科学协作平台，帮助他们利用三维数字模型对项目进行设计、建造及运营管理。其最终目的是使整个工程项目在设计、施工和运营等各个阶段都能够有效地实现建立资源计划、控制资金风险、节省能源、节约成本、降低污染和提高效率，从真正意义上实现工程项目的全生命周期管理，BIM技术的引入提供了工程项目所需的各种基础数据，保证了领导层决策的反应速度和精度。目前，该技术已经在建筑设计、施工和后期项目运行维护的各个领域和环节得到了广泛应用。

BIM可以从建模和应用两个方面来理解[2]。从建模的角度来说，BIM以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程图形模型，同时还包括了工程项目的物理特性和功能特性以及相关的项目周期信息等数字模型；从应用的角度来说，BIM完全数字化，支持建筑工程中各种运算的形式，并且它是动态的，可以在项目的生命周期中随时给模型添加各种工程信息，以满足项目的各种需求。

在BIM的定义及各种理解中都强调了“全生命周期”这一概念，事實上，BIM正是建设项目全生命周期管理（Building Lifecycle Management，BLM）的核心技术。该文结合安徽中烟工业有限责任公司合肥卷烟厂基于BIM的三维综合信息系统项目研究BIM在卷烟厂设计、施工、运营管理各阶段中的典型应用。安徽中烟工业有限责任公司合肥卷烟厂三维综合信息系统项目是“黄山”精品线建设项目的配套项目，是数字烟厂信息化建设的重要组成部分，也是烟厂建设在协作方信息化应用延伸的体现。本项目贯穿“黄山”精品线项目建设的全过程，分为三维参数化设计验证、三维施工配合、三维综合信息系统集成应用三个阶段。该项目是BIM在烟草行业技改项目中全生命周期应用的典范。

1 BIM在管线协调设计中的应用

碰撞检测[3]是指检查分析管线之间及管线与其它专业的设备、风管、梁、柱、基础、钢结构和电缆桥架等形成的直接交叉的硬碰撞，管线与相邻管道绝热层交叉或是与管线安装、检修预留空间交叉形成的软碰撞（小于设计规范规定的间距），管线与设施设备在其行进工作路线上形成的动态碰撞。

在卷烟厂复杂的项目设计中，管网设施由于系统繁多、布局复杂（如图1所示），常常出现管线之间或管线与结构构件之间发生碰撞的情况，给施工带来麻烦，影响建筑室内净高，造成返工或浪费，甚至存在安全隐患。

传统的设计流程通过二维管线综合设计来协调各专业的管线布置[4]，多专业叠合的二维平面图纸图面复杂繁乱，不够直观。仅通过“平面+局部剖面”的方式，对于多管交叉的复杂部位表达不够充分。这就导致二维平面图在冲突检测方面存在天然的缺陷：管线交叉的地方靠人眼观察，难以进行全面的分析，碰撞无法完全暴露及避免。特别是对于大型的、结构体系复杂的建筑，在梁高变化较大的地方，常常解决了管线之间的碰撞，却忽略了管线与梁之间的碰撞。此外，管线交叉的处理均为局部调整，很难将管线的连贯性考虑进去，可能会顾此失彼，解决了一处碰撞，又带来别处的碰撞。

BIM技术完美的解决了传统二维管线综合设计的不足。BIM是可视化的，它将专业的、抽象的二维建筑描述通俗化、三维直观化，将原本在真实场景中实现的建造过程与结果，在数字虚拟世界中预先实现。对于卷烟厂这样的大型工程项目，采用BIM技术进行三维管线综合设计有着明显的优势及意义。BIM模型是对整个设计的一次“预演”，建模的过程同时也是一次全面的“三维校审”过程。

BIM模型将所有专业放在同一模型中，对专业协调的结果进行全面检验。由于模型对实际物体的高度仿真，传统方式不能清晰表达的部分均能得到充分展现，从而将一些看上去没问题实际上却存在的深层次问题暴露出来。BIM软件可以全面检测管线之间、管线和土建之间所有碰撞问题（如图2所示），根据碰撞检测报告中的碰撞点，在三维模型中快速定位碰撞位置并查看碰撞的详细信息，对碰撞信息和碰撞问题处理状态信息进行维护，在土建和设备施工前尽可能发现所有隐藏的错漏碰缺，方便项目各参与方协同处理这些问题并优化二维施工图。基于BIM的管线碰撞检测详细方案参见图3所示。

总之，BIM三维管线综合设计能更直观、明了、高效、充分、精确的协调各专业的管线布置。

2 BIM在施工变更中的应用

由于卷烟厂项目实施的复杂性、长期性和动态性，使得设计阶段不可能预见和覆盖项目实施过程中所有可能的变化，因此对于此类大型建设项目而言，施工阶段对设计的变更是不可避免的。变更的时间和因素可能无法掌控，但变更管理可以减少变更带来的工期和成本的增加。

设计变更直接影响工程造价，施工过程中反复变更施工图导致工期和成本的增加，而变更管理不善导致进一步的变更，使得成本和工期目标处于失控状态。BIM技术的应用可以在很大程度上改善这一局面。借助BIM对变更的必要性、可行性以及变更对其它专业造成的影响进行模拟分析，实现从全局角度对局部变更进行考量，实现变更的可视化控制，有助于对变更作出及时而准确的决策。

进入土建施工阶段后，根据施工过程中的设计变更情况，及时更新BIM模型。施工难免发生项目变更，通过对施工阶段的设计变更进行影响分析，可以降低设计变更带来的风险。通过BIM技术，在可视化模拟环境中进行变更内容模拟，可以直观的分析变更技术方案的可行性及对其他专业造成的影响，并对变更内容工程量及工程造价作出快速准确的评估。

2.1变更影响分析

在可视化模拟环境中进行变更模拟，直观的分析变更技术方案的可行性及对其他专业造成的影响。对于在土建施工过程中实际发生的重大设计变更，业主方可以将原施工图设计方的设计变更方案以“变更验证通知单”的形式通知BIM设计师，BIM设计师据此建立变更模型，并对其进行各专业碰撞检查分析，将变更影响分析模型及“变更影响分析报告”提交业主方。图4为可视化模拟环境下变更影响分析示例。

2.2 重要节点施工模拟、安装指导

在土建施工过程中，根据需要对重要节点、施工难点部位进行施工模拟，或提供节点三维施工详图，协助工程技术人员及时发现可能存在的问题，达到指导施工的目的，并有助于施工工期及成本控制。

2.3 实时模型变更

在施工过程中实际发生的设计变更，原施工图设计方需要及时以“设计变更通知单”的形式通知BIM设计师，BIM设计师据此更新BIM施工配合阶段模型。根据变更调整模型，可对变更造成的材料和对其他专业造成的影响进行分析。

总之，在施工阶段用BIM进行可视化变更管理，通过设计模型文件数据关联和远程更新，建筑信息模型随设计变更而即时更新，消除信息传递障碍，减少设计师与非专业人员的信息传输和交互时间，从而实现对设计变更的有效管理和动态控制。

3 BIM在设施管理中的应用

长期以来，以项目运作为主的建筑行业与长期连续运营的设施管理（Facility Management，FM）行业一直处于割裂的状态。以BIM为杰出代表的信息化技术是将其整合的最佳媒介，这使得全生命周期管理前進了一大步。尤其对于当代中国信息化带动工业化的历史进程而言，以全生命周期的理念和视野，推动整个建筑行业和设施管理行业的发展具有重要意义。

合肥卷烟厂可视化设施综合管理系统（如图5所示）基于BIM技术，集成和管理项目设施的全生命周期的属性信息和空间信息，实现项目设施的可感知、可视化的管理。管理人员可以在虚拟场景中获取设施的各类信息，组织设施维护活动，对维修检修过程进行模拟等（如图6所示）。主要功能概述如下：

3.1卷烟厂模型管理

根据工厂建筑物空间位置和建筑内的功能区划，对三维信息模型进行组织，对模型文件、模型命名及编号进行管理，形成和真实运营环境一致的模型体系。通过模型体系或对模型内容进行检索的方式打开浏览模型，对工厂模型进行漫游、平移、缩放、查看、定位等操作。

3.2设施位置管理

基于工厂模型对建筑物的空间进行分区、命名、归属和管理，并对设施的空间位置进行定置管理，可生成区域定置图及清单。对设施设备的安装位置进行设置，从信息流和物流的角度对构成各专业子系统的设施设备、管线及接插件进行设置，并定义它们的链路关系。设施位置信息不仅包含工厂的可见部分，也包含隐蔽工程，例如：地上部分、地下部分、吊顶和墙体中。

3.3 设施系统分析

工厂模型中存储了设施设备和管线的链路关系，由设施设备和管线构成的链路与专业子系统或子系统的一部分相对应，在系统中建立三维可视化的卷烟厂各专业子系统的有向图数据模型。管理人员通过本功能在三维可视化环境中浏览各专业子系统，并进行关联性和影响性分析，结合卷烟厂模型集成的资料和实时数据，能够实现对设施设备的精细化管理。

3.4 设施全生命周期数据管理

设施全生命周期数据包含设计图纸、三维模型文件、在其购置、验收、安装、调试、运行、管理、改造和报废等全部活动过程中形成的具有保存价值的文字、图表、声像载体材料、全套随机技术文件（图样）、以及设备的申购报告、批复文件、论证文件、投资文件、订购合同和验收报告等资料。可视化设施综合管理系统利用数据库技术和三维可视化技术按多种分类对设施数据进行管理，提供友好的三维可视化交互界面和强大的检索功能，支持模糊查询和全文检索，使工程技术人员能够高效、科学、全方位的对全厂设施的技术资料进行管理。

3.5 公用设施维护管理

在卷烟厂投入生产期间，厂区建筑结构设施（如墙、楼板、屋顶等）和设备设施（如设备、管道等）都需要不断得到维护。一个成功的维护方案将提高设施设备性能，降低能耗和修理费用，进而降低总体维护成本。基于BIM的可视化设施综合管理系统可以充分发挥空间定位和数据记录优势，合理制定维护计划，分配专人专项维护工作，以降低设施设备在使用过程中出现突发状况的概率。对一些重要设备跟踪维护工作的历史记录，以便对设备的状态提前作出判断。

参考文献：

[1] National BIM Standard-United States TM Version 2， National Institute of Building Sciences building SMART alliance[S]. 2012.

[2] 刘晴，王建平.基于BIM技术的建设工程生命周期管理研究[J].土木建筑工程信息技术，2010， 2（3）.

[3] 赵志安.基于BIM概念的管道综合碰撞检查软件。BIM与工程建设信息化——第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集[C].2011.

[4] 杨远丰， 蔡晓宝. 三维管线综合设计与技术探讨[J] .建筑技艺，2011（Z1）.

[5] 张建平，李丁，林佳瑞，等. BIM在工程施工中的应用[J] .施工技术，2012， 41（371）.