基于BIM 5D 技术在结构工程中的有效性分析

王岚

WANG Lan

（西咸新区泾河新城管委会）

1 引言

BIM(Building Information Modeling)软件技术进入中国是Autodesk 公司在2002 年率先提出的，目前已得到建筑业的广泛认可，建筑工程项目是一个细化合作的过程，责任单位众多且各单位之间的工作搭接既频繁又密切，如果不能使项目信息实现有效性传导，将极易造成真实性数据信息缺失、工程延误乃至安全事故的发生。利用BIM 技术手段将建筑业信息化整合是解决这一问题核心，以建筑行业近年来广泛应用的钢结构与装配整体式剪力墙结构相结合的结构施工方法为例：如果有效利用BIM 模型，即可将实质性的工程结构方案在设计阶段就提前介入，综合构建以结构分析为导向的设计流程，并且可将施工图及其计算阶段的大量工作同步前置于设计阶段。利用BIM 软件的协同信息辅助整个工程全寿命周期管理，可将结构调整、设计变更、控制造价、进度管理等形成完整的BIM 模型施工设计图，这样，生成的BIM 图纸的完全取代了传统的施工图+网络计划图+设计变更图+进度控制变更等反复性较强的传统审签资料，工程管理人员仅需专注的重点则侧重于对BIM 技术的全过程监管与协同。

2 理论分析

以往研究中大多仅仅对于BIM 发展模式进行了探讨，但在具体的高性能预制构件装配式施工同新兴BIM 5D 技术相结合领域的研究相对较少。BIM 5D 技术即在原有的BIM 三维模型基础上加入进度维度控制和造价维度控制两个维度，从而形成一个基于BIM 技术的建筑信息五维控制管理体系模型，在原有软件模型的功能范围内融入了时间进度信息控制管理与成本造价信息控制管理功能区，形成更具有跨组织性管理特点的工程管理技术模型，在原有的3D 模型已足够完成大量的数量信息集合，在此基础上再加入时程链接，对于工程预算成本形成前置性管理具有显著的效益。基于施工阶段现场实际操作具有多变性与不确定性，BIM 5D 技术相较于原有管理流程能够更为快速的反映时程与成本，协助施工现场应对突发情况作出迅速反应，生成精准的数量与工序各单位分析抉择，协同设计、勘查、监理等各单位提供解决方案并精准计算成本，预估现金流量及财务状况，有效降低营运的风险成本。结合预制构件安装更有效的优化了传统施工工艺精度控制，有效提升生产效率、节约工期、降低成本，完全符合当下推行的绿色建筑标准化工程建设要求。

3 实例分析

以北京建筑大学体育馆工程建设项目为例，该项目是极具典型的大跨度钢结构结合装配式混凝土结构施工的建筑工程，项目主体总高度27.5m，占地面积约4458 m2，总建筑面积19152 m2，建筑结构分为地下两层水上项目功能区，主体地上一层、局部三层分隔的室内比赛功能区设计。地上主体结构体系为装配式钢筋混凝土框架剪力墙结构加大跨度单层钢网壳屋顶（见图1）。南侧广场设计为下沉式结构并设置10.7m 高装配式混凝土挡土墙，可直通地下二层。北侧设置有弧形室外踏步，可通至二层屋面平台。该项目涉及建设业态丰富，并要求其设计品质需符合绿色建筑三星建设标准的要求，采用BIM 技术手段进行全过程项目管理：土建模型、设备模型、整体模型、碰撞检测管线综合、施工工艺方案模拟、5D 进度模型、质量资料管理、精装修模拟、移动端运用等。其中以建筑主体施工为主线，利用BIM 5D建模所需提取的核心数据信息为节点，分析设定施工阶段现场水文地质及气候等数据信息，对应分析建筑自遮挡时间信息及阴影面积分布概况，获取大跨境单层钢网壳结构采光设置最佳角度，指导设备定位等综合方案研判；然后将确定的建筑形体方案数据传递给结构分析部门，对工程结构分解定位线等导入有限元分析，获得真实的构件信息和截面属性，设定准确的荷载组合分析得到结构受力布置方案。对于装配式钢筋混凝土框架剪力墙结构的结构形式，结合有限元软件分析计算，优化施工工艺及施工进度布置方案决策。

3.1 BIM 5D 应用在实例中的有效性分析

图1 主体结构BIM 模型

由图1 可见体育馆结构成椭圆形，最大直径为80m，屋顶部分采用大跨度单层网壳钢结构与装配整体式剪力墙结构相结合，具有大跨度、高精度、施工工艺复杂等特点，其中的机电安装工程尤其复杂。机电安装工程涵盖电气工程、通风与空调工程、给水排水与消防工程、消防弱电工程等，由于项目综合管线的排布难度大，工程机电设备数量多，室内净空高度要求高。针对上述特点在机电设计方面，以结构设计的空间信息、外形数据、水文气候分析等作为参考依据，在建模过程中使用真实尺寸的设备构建库，由Revit 模型数据导出STL 格式，导入CFD 软件分析，优化机电设计方案决策解决相应的技术问题。机电机房内采用空间综合布设方式，以空调水管道防漏利排优先排布，配合调整通风管道、电气桥架及喷淋管道的空间布设。在5D 建模中，将空调水系统、给排水系统、通风系统和电气系统中不同种类的管道使用真实尺寸的设备构件建族，添加至各视图的过滤器中控制其可视性，模拟排布施工可提高绘图效率及其实际可利用率。在绘制和调整布管设置图时可完成在所有管道的模拟碰撞检查，及时发现隐患并调整完毕后再进行全部设备进出口处的接管连接，再完成一遍通路模拟检验。这样，一方面在利用真实设备尺寸构建模型的过程中可为项目实际施工提供精准的预留预埋数据，为后期期系统调试中选型提供依据完成校核计算。另一方面，可缩短碰撞检查时间，避免重复调整设备或管道数据造成二次数据损失，有效地提高了绘图效率和精度，避免施工过程的交叉反工及材料 浪费。

3.2 运用BIM 计算工程量和技术施工质量管理的优势

基于BIM 5D 技术自动化信息算量方法的完备性、关联性、一致性等特征，可以根据需要以不同的单位角色、不同精度细度计算工程量，在设计发生变更时统计工程量、成本同步变更并形成报告。核对工程量及其价格变动状况极为方便，不仅可以在报表里查看汇总工程量，对单个的构建、梁板柱同样可以查看核对，将造价工作同设计工作同步更新，人工成本和时间成本都将大大降低。相比较传统工程量计算方法而言极端精度更高、对于数据量大工艺复杂的工程来说时间更短，彻底改变设计与造价脱节为决策者方案的制定带来的困扰，能够实现“所见即所得”的设计造价 方案。

BIM 信息同样具有三维可视化、协调性及模拟性的优势特征。根据设计图纸要求本项目塔吊基本覆盖全部施工区域，主要供土建结构、钢结构、金属屋面等施工使用。为此，体育馆混凝土结构部分装配施工完毕，且达到规定要求后，方可进行钢结构部分的施工。运用BIM 5D 建模的方法模拟整个施工阶段，在REVIT 之中演算好施工土建、钢结构模型后，同时建立机械模型，用内建体量模型模拟单位单位机械倒序施工，把模型全导入Navisworks 或者Lumion 中制作演示动画模拟仿真施工现场，可直观有效地开展技术质量控制、分析与运算，对于出现的施工质量问题可节约解决争议的时间。BIM 模型提供了建设工程的实际数据信息，模拟过程与现实建设匹配度极高。运用Microsoftproject结合施工动画制作初始施工进度，尽可能考虑到现场每一个场景可能发生的状况，对现场路线、施工工序、等待时间、自由时长等需要预知的信息通过Navisworks 对演示获得，在保证质量的前提下不断优化的施工技术方案及组织方案。

4 结论与展望

通过资料收集和实例分析，论证如何利用BIM 5D 技术为手段，结合当下要求的绿色建筑标准，对于工程项目从规划、设计到施工、运营维保全过程落实绿色指标建设。研究表明，BIM 5D 技术在结构工程中的应用是具有显著成效及价值的，能够有效解决当下施工技术壁垒、节约成本、缓解环保压力、减少耗材、改进进度管控、提升风险管理能力、保障施工质量、完善数据积累、培养高端技术人才等各方面问题。结合目前国内外BIM 的发展，现阶段我国的BIM 仍面临着诸多挑战。如BIM 软件目前仍存在多家供应商且不同软件供应商之间数据交互技术难度大；已建成模型信息与计划构建模型关联度不强，标准化预制构件真实数据模型共享度不高，在成初期建模的大量时间成本浪费；由于对于大体量建筑建模生成文件数据过大，尤其是将项目各专业模型集成在一起想要实现一体化管理，那么对于硬件的要求国内很难以低成本满足，对于高端硬件技术设备依赖度高，初期成本过大。未来BIM 5D 技术将联合物联网信息平台技术、云计算技术、云空间技术等，尽可能的降低运营维护成本，提升软件技术与工程管理结合的普遍应用。