BIM在中德生态园区建筑精细化管理中的应用

赵灵敏 桑运涛 李 磊 郭述超 / ZHAO Lingmin, SANG Yuntao, LI Lei, GUO Shuchao

ANWENDUNG VON BIM BEI DER VERFEINERTEN BAUVERWALTUNG IM DEUTSCH-CHINESISCHEN öKOPARK

THE APPLICATION OF CONSTRUCTION DELICACY MANAGEMENT BASED ON BIM IN SINO-GERMAN ECOPARK PROJECT

1 概述

青岛中德生态园（Sino-German Ecopark）是由中德两国政府共同打造的具有可持续发展示范意义的生态园区，园区规划面积11.6km2，拓展区面积29.0km2，远期规划面积66.0km2。

青岛中德生态园的被动房技术中心项目是亚洲体量最大、功能最复杂的单体被动式建筑，通过了德国被动房研究所（Passive house Institute，PHI）的权威认证，具有非线性建筑、异形双曲面幕墙、异形板梁施工、复杂的管网体系等特点。

汉德创意设计基地项目是青岛市示范项目，使用低碳装配式建筑技术，尊重原有地貌，打造了错落有致的独特景观，充分体现了生态园的“双100%原则”（100% 推行绿色施工、绿色建筑，100% 发展绿色产业）。为满足使用要求，降低建设过程中的各种风险，同时为后期运维提供技术保障，建设单位采用BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术辅助全过程的建设管理。项目前期建立了BIM应用组织体系，全程辅助决策，并在重大设计方案、设计优化方面，针对使用功能的科学性和合理性进行可视化论证。同时，利用BIM技术的可模拟性，在施工准备与施工阶段，针对场地布置、各项施工模拟等方面进行多角度、全方位的方案论证，从而节约工期，避免各类返工造成的浪费。

2 BIM技术在建筑精细化管理的中的应用

2.1 科学决策

BIM模型具有可视化的特点，可以让各级管理者直观地看到方案的优缺点，从而做出评判及决策。运用VR（Virtual Reality，虚拟现实）技术和模拟分析技术，对项目各阶段做出定性、定量、可视化的分析，可以规避决策失误，缩短决策时间，提高决策效率，使决策有据可依、更为科学。

汉德创意设计基地项目地形复杂，在规划建筑布局时，针对5#、6#楼的位置和朝向的布置出现了分歧，业主难以抉择。利用BIM技术将不同的布局形式呈现在业主面前，便于分析建筑单体与园区总体规划之间的关系，提高了决策的效率和正确率（图1、2）。

传统的二维图纸无法直观地呈现建筑与地形的关系，往往与设计者意图存在差异，不能很好地呈现设计意图。BIM技术能够实现精细化模型搭建，及时发现设计方案存在的问题；实现信息的三维沟通，消除设计方与业主的沟通障碍；辅助进行高效的设计修改，从而快速实现设计意图。

例如，针对汉德创意设计基地项目6#楼，业主希望结合园区地形打造一栋覆土建筑。根据设计单位提供的图纸建立BIM模型并将之载入场地模型（根据实际勘测数据创建而成），发现最初的设计方案并没有真正做到结合园区地形。通过对BIM模型进行多轮推敲，最终的方案实现了业主要求，同时解决了大量土石方施工作业问题，降低了成本，缩短了工期（图3、4）。

图1 建筑方案与周边环境

图2 不同建筑方案与环境的协调对比

图3 虚拟现实分析建筑单体与竖向关系

图4 实际地形中的方案分析

2.2 图纸审核

在设计阶段利用BIM模型进行可视化设计管理与审查，可优化设计方案。目前，参建各方已经认识到，未采用BIM技术的项目往往存在大量设计问题，如使用功能的问题、专业交叉的问题以及单专业本身的问题。

在进行图纸会审的同时，可利用BIM技术建立三维模型，对设计细节进行详细分析，从而提前发现设计自身的问题及与其他专业设计方案之间的冲突，及时反馈给设计方与建设单位，提高解决问题的时效性。由于三维模型具有可视化的特点，设计单位得以更快、更好地理解建设意图，优化图纸。设计院的每一版本施工图都配有BIM模型，方便进行设计交底。经过几轮检查优化，设计问题都在施工之前得到了解决，大大减少了施工过程中的设计变更，为项目顺利实施提供了良好条件。汉德创意设计基地项目利用BIM模型发现并解决图纸问题近百处，从而最大限度避免了后期施工中的返工拆改。被动房技术中心项目的整个设计过程中，不断调整模型，发现了300多处设计问题，极大地提高了设计的质量，为精品工程施工创造了良好的条件。

2.3 深化设计

深化设计是在原设计基础上，结合现场实际情况，对各专业（设备管线、幕墙、钢结构、精装修等）图纸进行完善补充，绘制具有可实施性的施工图纸的过程。

幕墙、钢结构、精装修等系统存在大量异形结构，采用传统设计方式难以较好地完成深化设计，因此，土建建模、市政管网深化及精装修设计深化应采用Revit软件，建筑内机电深化应采用Revit MEP软件，幕墙深化应采用Rhino软件，从而完成全专业BIM模型建立及设计深化，同时可确保数据的交互利用。

2.3.1 市政管网

中德生态园区域内地形复杂，若采用传统设计方式，极易造成市政管线与地形、建筑结构的多处碰撞。因此，设计针对市政道路及管线建立BIM模型，从而实现以下目标：（1）分析市政道路管线与地形之间的关系，合理进行土石方平衡；（2）分析市政管线与单体建筑之间的关系，做好建筑单体管线与市政管线的对接；（3）利用市政道路及管线模型复核管道标高，分析管线与道路之间的关系（图5、6）。

2.3.2 设备安装

土建、机电等专业间经常出现碰撞问题，全专业建模便于及时发现设计中出现的碰撞错误。通过深化设计可以实现以下目标：（1）减少管线冲突造成的返工，最大限度提高建筑的净空；（2）保证各专业的有序施工，协调各专业间的施工冲突；（3）精确定位预留洞口，减少对梁板柱的影响，避免二次施工，从而合理布控、节约成本（图7、8）。此外，借助BIM模型与施工技术人员进行交流，不但具有查看灵活的特点，还可完成剖切CAD图纸等工作（张涛 等，2014）。

设备机房内管线复杂，主管直径较大，在空间狭小、设备繁多的情况下，管道排布难度较高。在深化过程中，不但要考虑管线的施工空间，还要兼顾施工工序及机房完工后的整体效果。本项目运用BIM技术对机房内的管线排布进行模拟，并与设计人员、专业技术人员进行协调沟通，最终确定方案（刘利莎 等，2017）。依据此前制定的排布原则，利用BIM技术，进行设备管线综合排布，确定净高，精确安排穿墙预留洞的位置，指导机电安装施工，从而提高施工效率，减少不必要的返工，降低施工成本。制冷机房的深化效果如图9所示。

被动房技术中心项目完成了700余项设计优化，具体包括以下6类设计优化支持：管线排布碰撞（175项）；管线排布安全要求（40余项）；管线安装和检修要求（238项）；管线排布空间考虑（162项）；管线安装经济性考虑（80余项）；管线安装美观考虑（70余项）。

2.3.3 幕墙工程

汉德创意设计基地项目幕墙工程中存在较多异形结构，BIM技术在解决复杂形体的过程中发挥了巨大的作用。采用Rhino软件建立参数化三维模型并进行分析深化，模型的精度完全可以满足施工要求，尤其是在双曲面区域的定位安装、科学施工、节约成本方面效果显著（张涛 等，2014）。在异形幕墙及复杂节点的深化中，参数化的三维模型为在建单体建筑解决了技术难题。

本项目中幕墙专业与其他专业关系密切。采用BIM技术，通过Catia操作平台，可以实现以下目标：（1）检查结构尺寸及预埋件位置，防止幕墙安装与土建、钢结构的碰撞；（2）确定模型尺寸，控制并优化板材类型，确定规格、区域材质等；（3）整理编号及对应的加工图纸（图10），提取信息内容，整理出量加工表格（张涛 等，2014），避免手工制表，提高工作效率。

2.3.4 异形墙体

汉德创意设计基地项目中存在异形墙体，利用Revit软件确定其模板制作及搭设制作方案。BIM模型充分发挥了其三维可视化及可出图的优势，指导异形墙体模板搭设并精确定位，缩减了现场模板制作的周期，同时实现了设计效果。

2.3.5 装饰专业

装饰专业在BIM体系中是一个重要的“收口”，有别于传统的单纯展示的需求，精装模型的搭建需要在全专业模型的基础上进行（张涛 等，2014），如建立三维效果，确定地面、天花板及墙面的做法、颜色和布局等。通过渲染功能获得可预测的、照片级的渲染效果，建成的模型和施工完成后的效果基本一致。

此外，可通过三维模型在虚拟环境中寻找设计的碰撞冲突，准确、全面地检查错误及遗漏的问题，例如机电专业与天花板龙骨吊杆的碰撞等。为保证装饰施工的顺利进行，须解决此前各专业之间及装饰施工之间两种碰撞问题。由于工程量计算是基于BIM模型进行的，因此对模型的深度提出较高要求。项目使用Revit软件进行装饰参数化设计、虚拟展示等一体化设计，从而提高了装修阶段深化设计的效率，在绘制模型的同时还能生成详细的表格、剖面施工图等。被动房技术中心项目采用BIM技术，效果非常明显，施工前就解决了大量的错误，提高了施工效率，同时优化管理流程，实现了项目的精细化管理（王屿川 等，2016）。

图5 市政管网与道路标高分析

图6 市政管网与单体建筑对接分析

图7 设备管线综合及预留孔洞准确定位

图8 管线排布模拟及施工完成情况

图9 设备机房设备及管线综合排布

2.4 工程量统计

传统工程量计算是根据二维图纸进行手工统计，这种计算方式不仅效率低下、准确性较低，而且很难清晰地表达复杂节点的信息，利用BIM技术，可以在较短时间内准确地生成复杂建筑物的工程量清单。

采用BIM技术，可在三维模型的基础上进行拆分及分类，根据建筑工程特点，由专业技术人员按楼层、专业进行拆分，拆分成满足工程量计算要求的构件，完成模型构件与工程量计算分类的对应关系。然后根据模型分专业、分部位进行工程量统计，为项目设计概算及施工过程中投资控制提供了重要的参考指导。

汉德创意设计基地项目1#楼的屋面为不规则多面体的造型，传统图纸无法准确表达龙骨的位置及各龙骨的尺寸，使得钛锌板龙骨的安装定位遇到了极大的困难。通过BIM模型对1#楼钛锌板的每根龙骨做出精确定位，并标注其尺寸（图11、12），同时，利用BIM模型算量，配合审计完成1#楼钛锌板面积统计，指导现场下料加工，减少了材料浪费，更节省了宝贵的工期。可见，对于复杂建筑及构件，BIM技术在工程量统计过程中发挥了巨大的作用。

项目利用BIM模型进行深化设计，取得了良好的成果。利用可视化设计管理与审查，优化方案及施工图纸近百处，辅助现场专业深化出图50余份。通过设计优化、深化及指导现场施工，节约投资百余万元，节省工期30余天，取得了较为可观的经济效益。

图11 钛锌板模型及定位尺寸

图12 基于BIM模型的龙骨出图及现场图片

2.5 运维管理

项目运维管理阶段历时较长，能耗管理和设备运营维护贯穿整个过程。利用BIM提供的精细模型作为载体，将零碎分散的信息数据及运维阶段所需的机电设备信息进行整合，实现了运维阶段的精细化管理。

得益于BIM技术的应用，被动房技术中心将西门子Desigo CC全集成智能楼宇管理平台、ECO冷热源节能控制系统、TRA整体房间智能控制等系统软件整合为一体，实现了智能化节能管理、物业管理、机电设备管理、对外展示等系统的管理需求，各系统数据可在同一BIM平台中实现信息集成应用。

以能耗管理为例，不断完善BIM竣工模型，增加与建筑能耗控制有关的信息数据及能耗管理规则等。首先，对运营阶段的能耗管理进行初始化调整，系统运行稳定后，实时采集能源及设备等的动态数据信息。本项目中，被动房设置冷热量计量点29个、用电计量点101个、水位计量点9个，基于历史数据信息和设备参数制定节能控制策略，并通过覆盖系统各环节的执行机构实现冷热源系统的整体优化，达到节能目的。系统可采集设备的运行参数和能耗数据，分析其运行最优性能曲线及最优寿命曲线，标识能效过低的设备，并在保证环境舒适的前提下，控制设备的运行状况，还可结合BIM模型中的静态数据信息进行仿真预估，助力能源优化方案。

BIM技术在社会、经济、环保、生态等方面取得了良好的效益，在设计施工阶段，可以提高工程质量、优化系统功能、节约资源、提高管理水平；在运维管理阶段，能够在节能减排、生态环保、保障安全方面发挥较好的作用。

BIM的应用必须与业主方的项目管理和目标控制紧密结合。参建方需在项目全程的各个角度开展工作，辅助规划设计阶段的技术管理、施工安装阶段的工程管理、竣工验收与运营阶段的设施管理。为控制项目建设的投资、进度、质量等提供更加科学、直观的解决方案和决策依据。通过BIM模型讨论、研究、分析、解决问题的工作方式，要贯穿项目设计、施工及运营全过程。

基于BIM的虚拟设计与施工具有较高的推广应用价值，尤其是对于复杂的大型工程，只有借助先进的数字化工具，才能实现精细化管理，提高项目管控力度。BIM技术将越来越多地与其他技术，如大数据、云平台、三维扫描、增强现实等相结合。随着BIM应用的增加及技术的发展，项目级、企业级的BIM应用标准和相应的制度流程也将逐步建立完善。BIM技术在BLM（Building Lifecycle Management，建设项目全寿命周期管理）中的应用以及VDC（Virtual Design and Construction，虚拟设计与施工）管理体系的建设，将逐步构建基于BIM的智慧化管理平台，为智慧建造奠定良好的基础。

3 结语

BIM技术解决了常规建筑设计深化过程中难以解决的问题，提高了项目推进的效率，且有效地避免了返工问题，提高了精细化设计、施工水平和管理效率。BIM技术作为一个新的工具，在勘察、设计、施工及管理等单位的应用日渐普及，其应用范畴不断扩大，将被运用到整个工程的各个方面，从而实现智慧化建造以及精细化管理。

[1] 汪再军. BIM技术在建筑运维管理中的应用[J]. 建筑经济, 2013(9).

[2] 夏树森, 宗彦. BIM技术在机电工程中的应用研究[J]. 工业技术创新,2016(2).

[3] 梁家烨. BIM技术在复杂幕墙工程施工阶段的应用[J]. 建设科技,2013(15).

[4] 张涛, 李兴龙，曹乐, 等. BIM技术在兰州西客站站房工程中的典型应用[J].土木建筑工程信息技术, 2014(01).

[5] 刘利莎, 谭克林, 胡春林. BIM技术在制冷机房中的应用[J]. 安装,2017(05).

[6] 王屿川, 颉建成, 郭远生, 等. BIM技术在中国人寿数据中心装饰工程中的应用[J]. 建筑技术, 2016(02).