BIM在建筑施工中的深度应用——2019年中国北京世界园艺博览会生活体验馆工程

(北京城建十六建筑工程有限责任公司，北京城建集团有限责任公司，北京 100083)

1 工程概况

1.1 项目介绍

2019年中国北京世界园艺博览会位于北京市延庆区南辛堡村，毗邻妫水河，占地960公顷。下设中国馆、国际馆、生活体验馆、植物馆等多个场馆，其中生活体验馆位于园区东北角。

图1 2019年中国北京世界园艺博览会生活体验馆BIM效果图

生活体验馆总占地面积3.6公顷，建筑面积2.1万m2。共由7个展馆组成，1#展馆为主展馆，地上两层，地下一层，2#-7#展馆均为一层。主体结构地下部分为混凝土结构，地上部分为钢结构。生活体验馆“绿色田园、城市山水”的设计理念迎合世园会“绿色生活、美丽家园”的办会主题。建筑使用双曲面弧形屋面，呈现出屋廓高低起伏的视觉效果，配合六种不同的建筑外装饰墙共同构成一副山水田园画卷(图1)。

1.2 工程特点与难点

本工程作为北京市重点工程，以北京市建筑结构长城杯金奖、北京市建筑长城杯金奖为目标。对于项目的技术含量、建设质量和建设周期都提出了相当严格的标准及要求。结合项目特点，世园会生活体验馆项目工程难点体现在以下几个方面：

(1)难协调。园区内划分有多个标段，均由不同设计单位与施工单位的不同项目团队同时建设，致使施工影响因素众多，园区整体协调工作难度加大。

(2)难管理。作为生活体验馆项目总包，下管多家分包单位，管理难度较大。

(3)施工难。生活馆项目由分散式建筑群组成，场地面积虽大，但能够提供施工作业的面积却非常有限，并且场地内保留了若干棵旱柳树，需要在此条件下进行施工作业，因此施工组织及场地布置设计尤为重要。

(4)品质高。生活体验馆设计复杂多变，采用多种新材料、新工艺，为呈现出最佳的效果，同时完成多项北京市及全国创杯工作，保证施工的品质对项目团队而言极具挑战性。

(5)工期紧。延庆夏秋多雨，冬季寒冷，雨施和冬施时间长；并且根据场地景观绿化的设计要求安排种植时间，以保证定期成活。在此条件下，却只有470天的工期，时间异常紧张。

2 BIM应用准备工作

2.1 BIM工作目标

本项目力图使用BIM技术辅助施工全过程精益化管理，实现建筑在施工阶段的进度、成本、质量、安全等的统筹管理[1]。在解决项目施工五大难点的基础之上，探索利用BIM进行建筑工程上下游对接的可能性——对上，实现设计与施工的高效对接；对下，实现施工与运维的接口通畅[2]。

2.2 “1+BIM +”团队构成

本工程采用“1+ BIM+”的模式进行。“1”代表一个BIM专员，负责BIM技术路线制定，团队人员整合，BIM工作计划的制定、推进和协调，BIM技术支持等工作[3-5]。在目前还无法完全实现人人BIM的阶段，“1”对于项目BIM应用程度和项目人员工作的BIM化程度起到了至关重要的作用。“BIM +”代表项目各部门人员工作的BIM化，也是BIM工作落地的重要因素，未来会由此逐步实现BIM工作模式。本工程的“BIM+”团队由项目部技术、质监、生产、经营、安全人员和钢结构、机电、幕墙、屋面四大分包人员共同组成，主要是利用BIM来完成本职工作内容。

2.3 软硬件选择

软件选择主要考虑项目施工应用的适宜性、信息传输的完整性以及上下游对接的可操作性。本工程为公共建筑，规模不大但局部结构形式、建筑装修和景观模型包含的必要信息庞杂，根据以上软件选择的三个原则，选定从设计到施工阶段应用优势较为突出的Revit作为主要建模软件，深化设计优势较为突出的Tekla、Rhino、3Dmax作为专业建模软件，采用ifc格式进行信息模型传递。项目协同工作选用广联达BIM 5D平台，平台留有IFC标准格式的数据传输接口，可保留整合全专业BIM模型，进行后续生产进度、质量安全、物资材料和项目资料的全过程管理[6-8]。

硬件选择主要根据不同人员的工作职责对电脑需求的不同进行配备。在“1+ BIM+”模式中，BIM专员需进行大部分的BIM数据应用与操作工作，配备配置较高的台式电脑。其他“BIM+”人员根据工作需要配备能够满足部分BIM建模要求的台式电脑、智能手机和其他BIM延伸应用设备(本工程使用无人机)即可[9-11]。

2.4 BIM实施标准

BIM实施标准是保证BIM顺利有效应用的基础，本工程将《建筑信息模型施工应用标准》GB/T51235-2017作为策划、实施、交付的主要依据，编制了《2019年中国北京世园会生活体验馆BIM应用策划书》、《北京世园会生活体验馆BIM工作计划》、《北京世园会生活体验馆钢结构BIM实施计划》、《北京世园会生活体验馆机电设计安装BIM实施计划》和《北京世园会生活体验馆幕墙设计安装BIM实施计划》，对项目BIM实施目的与目标、工作内容、工作流程及方式、BIM技术应用点与深度、模型质量控制、信息交换与交付等进行明确的规定，保证BIM技术实际落地[1]。

3 BIM建模

BIM模型是BIM应用的基础，也是技术实施的载体。建模工作的价值不仅在于建筑工程施工阶段的应用，还在于上下游的工作对接。主要体现在设计施工图校核和施工管理应用两方面。设计施工图校核工作是通过建立施工图模型发现问题，并与设计沟通解决，避免设计问题对后续现场施工造成影响或损失；施工管理应用是模型建立完成后的应用，它对BIM模型品质提出了具体的要求，进一步影响建模的方式和精细度。

本工程BIM模型以《建筑信息模型施工应用标准》GB/T51235-2017中BIM模型深度要求为主要标准依据，项目招标文件与设计施工图为基础，控制深化设计模型、施工过程模型和竣工验收模型的质量，施工不同阶段模型应达到相应的建模深度(表1)。

项目根据《2019年中国北京世界园艺博览会生活体验馆施工BIM应用策划》中BIM实施计划流程建立全专业BIM模型(图2)，工作各阶段所产生的建筑信息按照各阶段模型细度等级要求在建模或更新模型的过程中载入。

表1 施工模型及上游施工图设计模型细度等级代号

名称代号形成阶段施工图设计模型LOD300施工图设计阶段深化设计模型LOD350深化设计阶段施工过程模型LOD400施工实施阶段竣工验收模型LOD500竣工验收阶段

来源：《建筑信息模型施工应用标准》GB/T51235-2017

图2 世园会生活体验馆BIM建模与模型应用工作流程

4 模型应用

4.1 BIM综合应用

BIM模型的施工应用解决施工与设计、施工各专业间的工作协调问题；复杂与疑难技术的交底问题；质量控制问题、生产进度管控以及资料收集、整理与共享的问题[12-13]。

(1)基于BIM模型的设计对接

项目通过建立BIM施工图模型来审查设计提供的施工图，将施工图中的疑点、难点及表达不清晰的节点以可视化虚拟建造的方式呈现，并与设计沟通予以解决(表2)。以此为依据形成图纸会审书面文件，辅助图纸会审工作。

(2)利用BIM施工模拟实现可视化交底

为解决项目施工场地狭小和建筑造型结构繁琐的问题，利用BIM可视化的特点制作施工组织、施工工序模拟视频和虚拟样板，辅助提升施工组织合理性和施工技术质量。

表2 BIM施工图模型审查重要问题汇总

(续表)

在钢结构吊装工程中，施工场地有限，土质松软无支撑点，通过现场踩点后选择了塔吊停放位置并进行施工模拟(图3)，模拟吊车进出场与起重安装方式，确定了将钢梁改为地上焊接后整体吊装的方案，并且对钢结构的安装工艺(图4)以及复杂节点的安装顺序进行施工模拟(图5)，实现可视化交底。

图3 钢结构吊装进出场及汽车吊位置模拟

图4 钢结构安装工艺模拟

图5 钢结构复杂节点安装工序

在机电安装工程中，1#展馆地下一层管线排布密集，经过设计优化后对管线安装顺序进行相应调整。基于现场施工模型、施工计划、机电安装相关规范和安装工艺资料制作安装工序模拟，实现可视化交底(图6)。

图6 机电安装工艺模拟

(3)利用施工管理平台实现多部门协同工作

作为总包，项目部负责从基础到装饰装修、园林景观施工的项目管理工作，并涉及钢结构、机电、消防、幕墙、装饰装修、园林等多家分包单位，因此导致信息交换延迟、遗漏和多专业施工交叉协调组织难等问题。选择适用的BIM管理平台软件为依托实现项目协同管理，提升协同管理工作的效率[14]。

根据项目对信息交换、整合、施工组织协调和竣工交付的需求，本工程选用广联达BIM5D平台，利用模型整合、质量管理、安全管理、生产进度、构建跟踪、资料云等功能实现项目进度管理、质量安全管理和项目资料与信息管理(表3)[15]。

表3 BIM5D协同管理平台工作

(4)基于BIM的资料管理

项目信息与资料的管理是项目文件管理的核心，也是项目BIM管理能否实现的最重要的步骤。基于BIM将《建筑工程资料管理规程》DB11/T695-2017中规定的资料内容多维化，以模型为主体载入项目信息，通过分享、应用，使项目施工过程、技术、问题以直观、完整和便利的方式储存和共享。使用BIM5D平台进行资料管理时，将业主方、设计方、施工方等参建方所产生或提供的资料进行统一管理，按照资料出处、资料类型和应用部门来编制资料存储结构，通过云端管理，实现各部门资料有效共享、精准查看。同时，设置资料权限，保证程项目资料的安全性以及工程项目交付资料的完整性[16]。

4.2 BIM辅助双曲面弧形屋面系统施工方案选择与管控

生活体验馆建筑屋面为双曲面弧形屋面造型。屋面原设计结构形式为基于木模板盘扣架体系的现浇混凝土屋面。由于施工计划在冬季且2017年底结构必须封顶，冬季施工的混凝土质量很难控制，并且冬施投入较大。为保证施工质量、安全和工期，通过与设计沟通，将原结构方案改为基于钢筋桁架楼承板体系的现浇混凝土屋面，并利用BIM对两方案的经济性进行对比，辅助确定屋面结构方案(表4)。

首先利用BIM辅助完成木模板盘构架体系的经营测算。使用Revit建立木模板体系方案模型后，通过品茗软件验证其可行性，方案调整完成后提取工程量，计算出木模板盘扣架体系需投入527.06万元。之后，以同样的方式对钢筋桁架楼承板体系进行经营测算。使用Revit建立楼承板模型，模型方案确定并调整后统计用量，计算出钢筋桁架楼承板体系需投入319.93万元，较原方案节省207.13万元，因此选定钢筋桁架楼承板屋面作为最终的屋面结构方案。

表4 基于BIM的屋面结构方案经济性对比

(续表)

为有效控制双曲面弧形屋面的弧度和屋面瓦铺设美观性，团队将屋面分为钢筋桁架楼承板、混凝土板、屋面瓦三部分进行控制。

(1)钢筋桁架楼承板深化

由于双曲面弧形屋面局部弧度较大，而桁架板自身又具有一定刚度，无法大幅度弯折，因此，利用BIM建模的方式，分析钢筋桁架楼承板铺设的关键控制点，并在桁架板排版时优化单板的规格(图7)。

(2)混凝土板质量控制

建筑由14个弧度不同的屋面组成，在设计施工图中，双曲面弧形屋面控制点较少，并且控制点未考虑屋面弧度条件，不利于双曲面弧形屋面进行混凝土浇筑的质量控制。因此，利用BIM建模的方式，重新确定屋面施工的控制点。通过Revit建立屋面模型后，精确排出间隔为1m的标高控制点，再根据不同弧度，选择最优控制点，生成屋顶施工定位图(图8)。并在现场施工时，根据定位图预留定位插筋对标高进行控制，保证曲面效果。

(3)屋面瓦深化设计

屋顶装饰面选用灰色陶土瓦铺设，由于双曲面弧形屋面造型使屋面瓦的铺设方式需要反复的研究和尝试。为便于操作，将Revit模型导入Sketch up进行排布实验。根据不同的屋面弧度，确定角起排布和边起排布两种方案(图9、图10)，并进行跳色铺设排版(图11)。

图7 钢筋桁架楼承板深化

图8 利用BIM建模选定混凝土板弧形控制点

图9 屋面瓦角起铺设方案 图10 屋面瓦边起铺设方案

图11 屋面瓦边起铺设方案

利用模型导出排布图纸和屋面瓦规格、颜色及用量统计表(表5)。

表5 屋面瓦材料用量统计

5 BIM应用成果总结与分析

BIM是一个系统，它将建筑数字化，以模型的形式表现出来，经过提取有效数据，辅助建筑各个阶段的工作应用，提升管理效率，形成可储存交付的项目成果。

5.1 从BIM模型到信息数据

本工程就实现建筑工程上下游对接和项目施工全过程精益化管理的BIM应用目标，确定在施工中主要应用的BIM模型细度需达到LOD350的标准，随着施工进度推进，逐渐形成分部工程质量验收模型，使竣工验收的必要模型细度达到LOD500的标准。

模型从设计阶段进入施工阶段并不是所有模型数据都有价值。根据项目施工应用目标——进度、成本、质量、安全统筹管理，提取适用的模型数据(表6)，来完成施工模拟、可视化交底、生产过程管理等工作。

5.2 信息数据下的BIM应用效益分析

每个建筑工程施工的目标都是在保证工程质量安全的前提下追求效益最大化。生活体验馆项目以提高人员工作效率、节省时间、减少窝工返工为主要思路，利用BIM施工信息化管理，通过优化深化设计方案、优化施工技术方案、可视化交底、协同工作等方式提高沟通效率和时间利用率、避免返工造成人员物资的浪费，进而减少资金的投入(表7)。

表6 生活体验馆项目施工阶段BIM模型有效数据

表7 生活体验馆项目BIM应用效益

6 总结

BIM常作为技术被提及应用，但BIM更贴切的定位应该是系统。BIM系统运转的基础是数据，在储存大量数据的BIM主干上,施工应用作为其中一束旁支，通过分析施工需求提取有效数据，而应用于具体项目施工过程的具体工作内容又构成了下一级分支，形成施工过程信息，将信息再以数据的形式存储、共享和交付。

世园会生活体验馆项目通过深挖BIM本质，将BIM应用系统化，施工内容数据化，施工成果信息化。在项目的技术应用、经营把控和管理工作之中融入系统化思维，从系统的角度，分析施工问题，拆分任务，并将BIM应用转为一种工作模式，通过数据提炼和信息整合，将施工技术可视化、工作流转协同化、管理工作精益化，进而提升施工管理效率，降低上下游之间的沟通成本。然而项目实际的BIM落地仍存在一些难以解决的问题，而造成这些问题的原因主要是缺少BIM施工应用人才、BIM模式对接与传输方式研究、BIM数据库不完善和软件适用性差等方面。该如何解决？这是各领域BIMer的共同议题，也是科研单位、建筑企业、软件厂商以及其他BIM从业者未来深入探索的方向。