BIM技术在建筑工程全过程中的应用研究

王安圆,李 燃，康雅琼

(安徽建筑大学经济与管理学院,安徽 合肥 230601)

引言

随着工业化、信息化的稳步推进,人工智能在建筑领域得到广泛应用,从CAD到广联达,再到BIM技术,人工智能的每一次进步都推动着建筑业朝着信息化和智能化方向的革命。在西方国家,BIM技术的应用要早于我国。早在2003年,美国就计划逐步实现国家级 3D-4D-BIM 技术,在2007年之后,美国政府要求所有重要工程项目都要通过 BIM 技术应用。英国政府更是明确要求在2016年所有建筑企业必须达到3D-BIM 全面协同。在我国,从2001-2006年,BIM技术才开始在我国得到初步应用,期间发展较为缓慢。到2015 年,住建部提出,需将BIM技术应用于工程项目全寿命周期各阶段,其目的是为项目全过程的方案优化和科学决策提供更加科学的依据,这就极大地加快了BIM 技术在项目各阶段的应用研究[1]。BIM以其三维立体技术为基础,并在此基础上逐步增加了时间参数用以进行施工进度的模拟(4D),同时在考虑了造价等因素以后进行进度和造价的模拟(5D),并最终为项目提供更为深化的终身信息管理(6D)[2]。本文以建筑工程项目的实施顺序为主线,系统地收集了BIM技术在工程项目的设计、招投标、施工、运营维护等四个主要阶段的具体应用,并对在寿命期末的拆除阶段的应用以及BIM技术的应用前景进行探讨。

1 设计阶段

CAD的出现和大面积的推广使用,使建筑行业的设计从传统的手绘时代进入了人工智能的计算机辅助绘图时代,这不得不说是建筑行业的第一次信息化的革命性的进步[3]。而BIM技术在CAD的基础上,除了拥有绘制建筑模型的功能以外,更加强调了对建筑物施工、成本和投入使用期的管理,强调对其全寿命周期的综合信息管理,这其中包括建筑物所处的环境、大气气候、甚至周边的生态因素等等。在项目立项之前,必须进行项目的可行性分析,这个阶段,业主主要是通过对此技术进行应用,来实现对相关的技术和项目方案的分析和选择[4]。传统的可行性研究,业主需要借助图纸,并需要借助专业人员进行分析,这就带来了费用的增加以及工期上的消耗。业主可以利用BIM技术建立模型,模拟工程项目所在地的综合性信息,在节省成本的同时,也提高了分析结果的精度[5]。设计阶段,BIM技术以其优越的3D模拟技术,在为设计者提供良好的视觉效果的同时,帮助设计者更全面地理解建筑物,并且极大地提高了建筑、结构、安装、设备等各方设计人员的协调性,从而提高图纸质量的稳定性[6]。对于项目前期工程量的计算,可以在设计阶段建立的BIM模型上直接提取,不需要再单独建立模型,并且可以实现设计与计量的同步,因此即保证了计量的连续性和高效性,同时大幅度节省了时间[7]。

2 招投标阶段

传统的招投标流程是在图纸设计完成以后,业主会发布招标公告,施工企业根据招标公告的要求进行投标。这个过程涉及到一个核心的内容,即工程量的计算。传统的造价行业,一般通过借助诸如“广联达”“神机妙算”“一点智慧”等外部软件,配合导入CAD图纸,计算工程量,并形成清单。而对于BIM模型,因其具有通用性,因此对于设计、施工、造价等行业均可使用统一模型。张春影、高平通过采用实例验证、比较分析、归类分析等方法证明,在设计人员将BIM模型进一步深化到施工图设计阶段之后,再由造价人员直接利用BIM模型提取工程量,并以《房屋建筑与装饰工程工程量计算规则》为标准进行计量,可以精确、直接、快速地提取绝大多数分部分项工程量,并对设计变更的工程量进行同步调整,并不再需要借助外部软件。该算量模式在实际操作中具有更大的优势[8]。另外,在设计图完成以后的招投标阶段,建设单位或招投标代理机构可以将导入了工程量清单的BIM模型直接发售给有投标意向的施工企业,在保证准确性的同时,提高了工作效率[9]。

3 施工阶段

BIM在施工过程中的应用,西方国家走在了我们的前面,以美国为例,其制定的BIM标准要求所有的政府投资项目必须推广使用IFC标准和BIM标准。事实上,我国的BIM研究开始的并不算晚,但是由于我国的施工管理水平和模式,以及技术水平的原因,导致了BIM的推广应用比较缓慢。清华大学张建平教授通过对施工阶段BIM应用的技术、方法、标准和软件进行深入研究,结合我国施工管理特点和实际需求,提出工程施工BIM应用的技术架构、系统流程和应对措施,并将BIM与4D技术相结合,自主研发了建筑施工BIM建模系统和基于BIM的4D施工项目管理系列软件[10]。目前,国内对于BIM在施工阶段的应用主要在以下几个方面:

3.1 工程量的计量

施工过程中,为了把控施工进度,同时也为了进度款的支付,必须对工程量进行及时、准确的掌握,人工核量耗时费力,并且存在着极大的偶然因素,影响着计量结果。而BIM模型可以以其独特的优势,快速进行计量,并将设计变更能及时地显现出来[11]。

3.2 基于BIM的3D图纸展示

以2D图纸为依据,使用REVIT软件绘制的BIM模型,其动态展示功能使得图纸具有极佳的可视性,无论是业主,还是施工方,均可快速、直观、准确地理解设计者的设计思路。相较于2D施工图纸,BIM模型的立体感可以避免施工过程中的“想当然”,避免出现返工情况,提高施工效率和质量。另一方面,施工人员可凭借丰富的施工经验,对设计模型的可施工性进行反馈,提高设计质量。目前应用较普遍的BIM建模有REVIT、Graphisoft ArchiCAD等。

3.3 三维碰撞检测

BIM模型是集合了土建、结构、机电、管线、设备于一体的综合信息模型,并可以对模型进行全面的碰撞检测和分析,其目的是为了提前发现设计中存在的错误,并及时修改,最大限度地减少对施工造成的影响,降低设计变更。目前,我们常用Naviswork软件做碰撞检测。

3.4 基于BIM的4D施工模拟技术

BIM技术可以对施工过程进行全方位的模拟,包括施工机具的选择、施工顺序、施工进度、人员的调配、材料的用量等等。在未开始施工时,就可以使施工方全面掌握项目施工重难点,优化施工方案,提高人、材、机的配置效率,减少损失和浪费。可用于4D施工模拟的软件较多,比如Autodesk Naviswork和Bentley Navigator,以及清华大学BIM研究中心开发的基于BIM技术的4D动态系统管理软件。

3.5 基于BIM的项目管理

现阶段采用的施工管理模式多以总——分包的模式,一个项目合理拆分成多段进行发包,在缩短了工期的同时,也带来了管理任务繁重的问题。现阶段,市场上并没有出现专业化的BIM施工项目管理软件,被应用最广泛的是清华大学研发的基于 BIM 的 4D 施工管理的系列软件,该研究项目成果是将BIM与4D技术结合起来,通过建立基于IFC的4D施工信息模型,使建筑物与其施工现场的3D模型与施工进度进行链接,与施工现场资源、安全质量及场地布置等信息进行集成。实现了基于 BIM技术和网络的施工进度、材料、人力、安全、设备、质量、成本和场地布置的4D动态集成管理以及施工过程的4D可视化模拟。

4 运营维护阶段

从建筑项目的全寿命周期的视角来看,其设计、施工等阶段占据的时间长度只是相当少的一部分,而其将近70%的寿命期是处于运营维护阶段[12]。以一个使用寿命在50年以上的建筑物为例,其设计和运营维护的费用比达到了1∶9的比例[13],因此降低使用阶段的运营费用对于建筑物全寿命周期的成本控制具有重大意义。目前,国内对于BIM的应用研究,主要还是集中在设计和施工阶段,对于建筑物运营阶段涉及不多,如何清华、钱丽丽等[14]。而同时期国外对于BIM在运维阶段的应用研究相对丰富,如Kivits R A[15]、Becerik-Gerber B 和Karen K[16]等。总体上说,建筑物的日常运营和维护,是一个统筹了人员、技术、设备和管理的综合流程,其目的是为了在满足用户基本使用的前提下,追求舒适性和安全性[17]。归根结底就是对信息的综合管理,包括信息的采集、分析、处理效率。目前,运维阶段多采用自主经营、租赁经营、特许经营、委托经营四种管理模式。建筑物使用寿命期长的特点导致产生了大量的管理文件,又因其跨度长,所以信息管理较为混乱。蔡可心对四所美国高校的BIM标准进行了对比,但是发现并没有形成统一的BIM标准[18]。国内外对于BIM在运维阶段的应用主要有以下几方面:

4.1 基于BIM的建筑物的空间管理

传统的2D图纸不能直观地展现出三维立体空间,以商业地产为例,装修改建较为频繁,给管理单位带来极大困难,而BIM模型可以及时针对改建情况做出调整,这是纸质记录单不能比拟的优势。西方国家在长期的实践中形成了施工运营建筑信息交换(COBie[19])标准,并有许多应用成功的例子。

4.2 基于BIM的设备维护管理

保证设备的正常运行是运营维护管理的基本目标。因此,对于设备基本参数、运营周期内产生的各项数据的收集和分析是运维管理中必不可少的环节。以往的管理手段中,纸质数据的管理和保存具有相当大的局限性,同时人为因素导致出现错误的概率大大增加[20],并且对于故障设备的排查和处理很大程度上依靠经验进行。

4.3 基于BIM的应急安全管理

应急安全管理,应把握两条思路。在突发事故发生之前,应着眼于对建筑物的设施、外部环境以及可能发生突发事件的关键节点的监控,通过各种传感器的使用,也可以对建筑物内人员流动、集中程度、物品稳定性进行实时监控,及时对危险进行评估。国外有学者探索过RFID(无线射频识别技术)与BIM结合的途径,如Li N和Becerik-Gerber B[21]。以往的事故减灾方式多为组织应急演练,而BIM技术的运维系统可以帮助业主主动应对突发事故[22],而Wang S 、Wang W和Wang K,以及朱庆、胡明远、许伟平等[23]的研究成果表明,可运用3D模型模拟事故发生后的应急演练,帮助规划逃生路线,寻找施救途径。

4.4 基于BIM的运营能耗管理

我国作为一个能源消费大国,存在着大量的能源浪费,而当下并没有完整的能源监控体系,对于能源使用的监测、统计、处理依然大量地依靠人力,不能做到科学规划和统一协调。BIM在能耗方面的应用取得了一定的成果,但在更大型项目上应用还有一定距离。张赟[24]及Clarke J A、 Johnstone C M、Kelly N J[25]通过对能源消耗和能源效率的研究,提出了提高能源利用效率的需求和实施方案,为能耗管理提供了科学的指导。

5 拆除阶段

作为建筑物全寿命周期的最后一个阶段,目前国内对拆除阶段的研究涉及很少,当下造价行业并没有一套完整的拆除定额,也没有相对成熟的拆除方案。因此,我们可以做出这方面的探讨。以民用建筑为例,在其70年的寿命期末,其设计图纸,使用过程中产生的数据资料、房屋、管线的改建情况错综复杂,纸质资料面临着丢失的风险,为拆除工作带来极大麻烦。现在的拆除方式以定向爆破居多,简单粗放,产生的建筑垃圾多采用“一锅粥”的处理方式,极易产生环境污染。在拆除阶段引入BIM技术,首先确保了整个寿命期数据资料的完整性,对于改、扩建情况了如指掌;在拆除前,对于拆除工程量有较精确的计算,有利于合理安排人员、机械设备需求量,优化施工进度,并可根据模型及现场周边情况,合理选择施工机具;利用BIM技术的3D模拟技术可模拟拆除顺序,对存在较大风险的拆除部位进行反复模拟,规避拆除风险;在建立BIM模型时,会清楚地反映出各构件使用的材质,因而在拆除阶段可根据不同材质,对建筑垃圾进行分类处理,提高回收率,减小污染。

6 总结

综合BIM技术在国内外的实际应用情况来看,目前BIM的应用在设计阶段和施工阶段相对较为成熟。对于运维阶段的应用,正在逐步深入,而在最后的拆除阶段,没有过多研究。同时BIM的应用多偏重于技术,轻于管理。因此,BIM技术的应用研究,应着眼于技术和管理相结合,统筹全寿命周期的各个阶段,并将项目各参与方纳入到统一的数据库中,建立起完整的项目综合数据库。同时注重BIM技术相关软件的交互使用及与建筑行业其他软件的互联互通。从应用前景来看,人工智能的进步必然会促进生产效率的提高,然而BIM的应用与推广却面临着许多困境,比如缺乏大量的专业技术人才、业主及施工单位主动应用BIM的积极性不高等。因此,我们需建立产、学、研相结合的人才培养模式,以市场需求为导向,并通过法律法规等强制手段,帮助BIM技术的推广应用。另外,在我国工业化和信息化的大背景下,结合现阶段建筑业绿色化、产业化的发展趋势,可以优化现有软件操作,降低技术门槛,开发出适合我国使用的相关配套软件。