基于BIM技术的建筑全寿命综合管理模式研究

孟 劼

(甘肃省建筑设计研究院，甘肃 兰州 730030)

基于BIM技术的建筑全寿命综合管理模式研究

孟 劼

(甘肃省建筑设计研究院，甘肃 兰州 730030)

结合国内外在建筑信息模型(BIM)技术方面的研究和应用成果，论述了以三维信息化模型为核心的建筑工程设计、施工、运维全寿命一体化管理模式，可供建筑结构设计工作参考。

建筑信息模型，全寿命，物联网

0 引言

当前，全球进入信息化的步伐日益加快，信息技术及其应用已成为国家实现信息化发展战略的助推器。以大数据、云计算和物联网为代表的新型技术，正基于当前信息采集、移动通信和计算机等软硬件科学的发展而得到迅速推广普及，这为开展工业化与信息化融合和智慧城市建设提供了技术支撑。

BIM技术通过在计算机中建立虚拟的建筑结构三维模型，以数字技术整合项目的设计、施工和环境等相关信息，通过中心数据库系统进行集中管理，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程设计、施工和运维人员对各种建筑信息和风险指标做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，更加高效地对工程项目中的数据存储、沟通交流、进度计划、质量监控、成本控制和风险应对等进行统一的协作管理。

1 设计阶段

得益于BIM系统强大的信息综合协同能力，在建筑工程项目的设计阶段，可利用该系统进行场地分析、建筑策划、方案论证、可视化设计、协同设计、性能化分析、工程量统计、管线综合等工作[1]，使得设计工作更为精细合理。

在建筑项目的前期阶段，可通过BIM系统和地理信息系统(GIS)的结合，对场地、环境及拟建的建筑物空间进行建模和综合分析，为场地规划、交通组织关系、建筑布局等关键要素的决策提供支撑。在此基础上，通过BIM系统进行布局、外观、照明、结构和运营安全等方面的可视化建模和定量分析，实现项目的建筑策划和论证，在前期的可视化设计基础上实现后期建筑、结构和运营方式上的“所见即所得”。

BIM系统所包含的三维模型和三维虚拟现实技术，使得不同专业、不同部门在设计阶段可以在统一的模型上实现协同设计。在建筑工程设计中，BIM系统的一个重要功能是碰撞检查，这在配备大量综合管线的建筑中起到至关重要的作用。此外，当前以二维图形为主要形式的CAD协同设计，主要以图形信息为主，不包含材料、功能等附加信息。而BIM系统在三维模型基础上，加载各类属性信息，实现与专业交叉相关的功能模拟，例如在统一的模型中实现声、光、热等特性的模拟，从而使得专业协同由传统的空间协同走向以用户体验为直接目标的功能协同。

BIM技术设计的核心载体是数字化三维模型，这使得在二维CAD时代设计成果(图纸)和性能分析之间的鸿沟得以跨越，结构和性能分析不再完全依赖于设计人员依据图纸在分析软件中重新输入参数建立模型，在很多场合，BIM三维模型可不经修改或经由少量修改而直接导入分析软件，且BIM模型本身是包含材料和功能信息的，在数据接口兼容的条件下，可直接作为性能分析的边界条件。

值得指出，当前主流的BIM建模软件，完全实现与结构分析的对接还需要一个过程。例如对常见的框架结构、筒体结构等，结构地震反应的考察，通常需要基于杆系单元、板单元和集中质量单元进行反应谱、时程分析，出于结构动力学基本计算原理的考虑，模型应在反映动力特性的基础上尽可能简化，抓主要矛盾进行动力学抽象，若采用三维实体模型进行动力分析，则除计算效率的限制之外，由于模态识别、积分稳定性等带来的问题亦不容忽视。

同时，设计模型和分析模型之间在材料和功能属性上的关联，亦存在取舍关系，即设计模型中所包含的属性信息，在分析模型中可能存在冗余或欠缺，解决这一矛盾的途径之一是在设计软件和前期标准制定中，充分实现材料和功能属性的标准化，即设计人员仅需要指定数据库中现有的材料，在与分析模型对接时，由软件从标准数据库中调取所需信息。

工程量统计是BIM系统设计流程中一个突出优势。由于模型设计完全基于三维空间图形，且包含工程属性，因而借助这些信息，计算机可快速对各类构件和所属材料进行统计分析。一方面，在任何变更发生后都可以实现即时的工程量统计；另一方面，由于构件均建立实际模型，钢筋的弯折、切割都可以实现精确模拟，从国内外已实施BIM设计的项目来看，在前期成本估算、施工阶段物料控制方面具备显著优势，在方案阶段，也可根据即时的工程量统计为方案比选提供有力支撑。

从国内已实施项目看，南京禄口国际机场二期工程设计中，基于BIM系统设计软件，在复杂结构形体设计及优化、施工组织管理、管线分析与优化、功能和灾变应急分析等方面实现了BIM在大型复杂项目中的深度应用[2]。

2 施工阶段

在施工阶段，BIM系统可利用其数据融合功能，在统一平台下实现施工组织设计、进度模拟和数字化现场配合工作。由于BIM的设计成果以三维可视化装配式模型为核心，因而便于在时间轴上以可视化的形式表达施工全过程，即将空间信息与时间信息整合为一个4D的过程化模型。从而可以对施工过程中的时间节点和工序进行直观了解和安排，把握整个施工中的关键工序和实施难点。在集约化平台的统一管理下，可通过风险评估综合管理技术，对施工过程中的潜在风险提供提示、应急响应管理等功能，并通过信息推送(如邮件、手机短信、客户端信息等)为相关部门和人员提供预警或报警服务。

从国内外已实施工程看，三维虚拟现实技术在施工过程中的应用，为复杂形体的精确安装提供显著便利。例如上海中心大厦复杂异型框架的精确装配、大型阻尼器系统的精确定位等工作，均在BIM系统的协助下得以高效、顺利完成。

伴随结构构件工厂化制造、装配式施工技术乃至3D打印技术的发展，BIM系统在数字化建造、物料跟踪等现代施工工艺的实施中，将发挥更大的优势。与现实相符的三维设计成果，可直接提供至预制工厂，通过数控加工设备，实现物料跟踪备置、钢筋混凝土构件预制和养护、成品出库过程的自动化，减少对人力资源的依赖，同时以机床式加工来提高制造精度。这将使得以传统人力组织为主的土木工程施工行业，转向自动化生产与用户定制相结合的具备“工业4.0”特征的新模式。

3 运维阶段

建筑结构运维阶段，是设计和施工工作在时间上的延伸和功能上的实现，因而，利用BIM系统的设计成果和经由施工阶段形成的竣工成果，实现基于三维模型的可视化运维管理，是BIM系统在全寿命管理工作的传承。在运维阶段，可将在设计阶段包含的大量资产信息导入资产管理系统，利用RFID射频标签技术，实现资产变更、运维记录等功能。同时，针对用户的个性化需求，可实现空间变更的实时化分析，从功能属性、空间资源利用率、环境影响、防灾功能等方面给予论证。

基于现代传感技术、无线通信技术和云平台技术，对运维阶段的结构性能、环境条件等要素进行在线采集，通过BIM中心数据库系统进行集约化运维管理，即构成以BIM系统为核心的建筑工程运维管理物联网系统。由于BIM数据库可包含基本结构信息、历史运维数据和实时性能指标数据，因而可方便地在统一平台下实现云存储、云计算，并将单体建筑的系统通过数据融合，汇入智慧城市等更高层次的管理系统，实现结构、环境、气象、政务等系统的整合，使得不同用户、不同利益方在BIM平台上实现虚拟统一。在基于云平台的物联网管理模式下，居民和管理部门可以通过计算机终端或手机客户端，以不同权限用户来查看建筑的结构特性、安全状态、人流量等功用信息。通过对结构性能指标的监控，可在实时分析的基础上了解结构可能存在的安全问题，在风险事件发生后，可通过数据共享和应急预案传递，实现多部门协同工作模式下的风险应对和善后处置。

4 结语

对BIM系统在建筑结构设计、施工和运维阶段的应用特点分析表明，以三维模型和虚拟现实技术为核心的建筑信息模型(BIM)技术，可以在设计阶段通过几何模型和材料、功能信息的集成实现设计、分析、变更和专业协同工作的高效应对，由此交付的信息化设计成果，将为施工阶段和运维阶段的工作提供传承的对象和标准，实现建筑结构全寿命的综合管理，具有巨大的市场价值和应用前景。

[1] 过 俊.BIM在国内建筑全生命周期的典型应用[J].建筑技艺,2011(Z1):95-99.

[2] 现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司.南京禄口国际机场二期工程——BIM在大型复杂项目中的深度应用[Z].

Life-cycle structural management based on BIM technology

Meng Jie

(GansuInstituteofArchitecturalDesignandResearch,Lanzhou730030,China)

Combining with the research and application results of Building Information Model(BIM) technology at domestic and foreign, this paper discussed the construction engineering design, construction, operational life-cycle integrated management mode taking the 3D information model as the core, provided reference for the structure design work.

Building Information Model, life-cycle, Internet of things

1009-6825(2015)28-0243-02

2015-07-25

孟 劼(1981- )，女，工程师

TU712

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