BIM技术在深化设计与施工阶段的应用

乔长江，周子璐

（1、广州市建设科技中心 广州510030；2、中国建筑第四工程局有限公司 广州510665）

0 引言

BIM 技术作为建筑行业实用新型的信息化技术，近年来受到建设行业主管部门的高度重视，出台了多项指导性政策。工程项目参建各方也进行了一定的应用，并制定了相应的项目措施。BIM技术能够充分汇集项目全生命周期内各阶段所包含的信息，能够有效缩短工程建设时间，节约建设成本，有效提高工程参建各方的决策效率和工程质量［1-3］。BIM 技术的应用，对设计单位和施工单位越来越起到不可替代的积极作用［4-9］。本文以某集团总部大楼项目BIM 技术应用为例，阐述BIM技术在深化设计与施工阶段的应用。

1 项目概况

某集团总部大楼包含办公、商业等多种业态，位于广东省广州市海珠区，占地面积11 839 m2，建筑面积约116 279 m2，建筑高度279.8 m，结构体系采用钢筋混凝土核心筒-混合框架（钢管混凝土柱+钢梁），建筑效果如图1所示。

本项目具有6大特征:

⑴“高”。建筑高度279.8 m，地上46 层，首层层高16 m，标准层高4.5 m，塔冠高24.3 m，属于超高层建筑。

⑵“深”。基坑开挖深度超20 m，3 层地下室，工程桩深度近30 m，承台最厚达5 m。

⑶“大”。外框钢柱直径最大1.3 m，钢柱分段构件最重达13 t，单元式幕墙单块尺寸4 m×16 m。

⑷“变”。整体外轮廊呈子弹状，塔楼从27 层开始渐升渐细，建筑外边缘处最大内缩达18 m。

⑸“快”。根据与建设方商定的项目进度要求，该项目结构施工速度须控制在约5～6 d/层。

⑹“多”。建筑业态多，参建分包单位数量多达10余家，合作材料和设备供应（租赁）商近20余家。

图1 某总部大楼效果图Fig.1 Renderings of a Headquarters Building

2 基于BIM技术的深化设计

施工图深化设计能够有效提升施工企业的核心竞争力，也能为施工企业转型升级提供重要的技术支持。施工图深化设计是在设计单位提供的施工图的基础上进行的，结合项目要求和现场实际情况，对原图纸表达不严谨、设计深度不够、原图纸与现场情况不吻合、工艺要求较高的地方优化修改或重新设计以指导现场施工。借助BIM 技术，本项目以“精确备料，精准定位，一次成活”为目标，实现施工过程的精细化施工。深化设计与BIM应用工作总流程如图2所示。

图2 深化设计与BIM应用工作总流程Fig.2 General Process of Detailing Design and BIM Application

2.1 模型建立

基于BIM 技术，土建、钢结构、机电、幕墙、室内设计、电梯等各专业工程师根据相应的施工图信息建立三维模型，通过BIM 软件把各专业模型整合在一起，为进行深入的图纸复核、复杂节点深化设计、碰撞检测分析等提供条件。

2.1.1 通用规定

建模前，必须提前明确项目各类通用信息的设置要求并做出规定，以保证各专业工程师建立的分专业模型能够有效整合成整体模型。

⑴制定项目模型的标准轴网文件，各专业建立模型时均需将模型原点与标准轴网文件原点对齐。

⑵模型的单位系统设置为mm。

⑶模型采用相对标高，并将±0.0作为Z 轴与X、Y轴相交的坐标原点。

⑷明确模型中项目的指北朝向。

⑸单层模型可通过单层单系统模块导出常用的DWG格式图纸文件或NWC格式模型文件。

⑹机电专业模型楼层标高以结构专业标高为准建模。

2.1.2 模型依据

⑴建模依据:①各专业施工图设计文件；②项目进度计划安排；③相关规范及标准要求；④建设单位约定的其他需求。

⑵更新依据:①设计变更文件，包括变更图纸、变更单等；②相关规范及标准要求；③建设单位约定的其他需求。

2.1.3 模型精度

不同的项目阶段和应用要求，对BIM 模型的精度要求亦有所不同。机电模型在施工阶段标准按LOD 300等级建模；设备、末端等未确定具体型号及外形参数时降级建模以节省时间。工程竣工机电模型交付按LOD 400等级交付。

依据以上建模标准，逐一建出结构模型、建筑模型、机电模型及钢结构模型等。本项目体量大，如果全部管线都进行建模，最终合模浏览将变得不可行。所以除了模型样板段及建设单位特殊要求的区域外，其他区域DN40以下管线不建模。模型效果如图3所示。

2.2 复杂节点深化设计

结合项目实际情况，建立钢筋总体模型，包含解析钢筋相关图集、解读各构件内钢筋排布规则，通过分阶段设置构件，掌握项目实际BIM 应用钢筋建模的方法，统计分析钢筋用量，并可通过调整钢筋排布模型来解决钢筋节点处的碰撞问题。利用BIM 技术，进行精细化建模和施工流程模拟，对复杂节点进行深化设计及优化，大大提高工程质量，缩短建设周期［10-12］。

2.3 BIM技术辅助深化设计

将BIM 模型导入Midas Gen 有限元分析软件对结构弹性变形部分进行受力分析计算，如图4 所示。其非荷载效应的施工过程分析的主要目的在于对竖向施工校正提出解决方案。

图3 模型效果Fig.3 Model Effect

图4 超高层混凝土结构收缩徐变分析Fig.4 Analysis of Shrinkage and Creep of Super High Rise Concrete Structure

2.4 综合管线深化设计

目前人们对建筑使用功能的要求越来越高，导致安装系统工程设计复杂。而安装工程专业又较多，设计过程难以对各专业进行综合考虑分析。基于BIM的管线深化设计，不仅能满足二维深化设计图纸的要求，还能以三维模型更直观形象地模拟安装过程中各类管线的碰撞问题，能够清晰地反映出二维平面图纸难以发现的问题。三维管线综合深化设计图如图5所示。

图5 管线综合深化Fig.5 Pipeline Comprehensive Deepening

三维管线综合深化设计还可以精准检测专业间的冲突，提前发现各构件潜在的碰撞点，及时向设计方提出可能出现的问题和调整方案；此外还可以控制竖向净高，辅助图纸复核，对施工分包单位进行可视化技术交底，提高工作效率。

3 BIM技术在施工阶段的应用

将BIM 技术运用于施工交底和现场汇报工作时，可对各专业设计成果进行有效直观的可视化展示，及时检验设计成果的可施工性，以便在施工前发现设计存在的各类问题。

3.1 场地布置

施工场地的合理化布置是施工单位进场前必须提前策划的事项，对项目现场的有效管控起着重要作用。运用BIM 技术，以三维场地布置图代替传统的二维CAD平面场地布置图，能够形象直观地展示施工场地布置，把项目周边已有建筑物、城市道路及管线等建立到三维场地布置模型的相应位置，可提前预判项目施工对周边现状的影响和场布策划的合理性，在建立模型后能形成相关的漫游，使现场的展示更直观。

利用BIM 三维模型，分阶段对总平面布置进行动态调整，模拟分析吊装设备布置、吊运路径、危险区域、车辆出入情况、材料运输情况等，给管理者提供直观的现场布置分析依据，提前发现问题，制定可行的施工方案。三维场地布置模型如图6、图7所示。

图6 三维基坑支护模型及实景Fig.6 Three Dimensional Foundation Pit Support and Real Scene

图7 三维场地布置模型及实景Fig.7 Three Dimensional Site Layout and Real Scene

3.2 施工方案模拟

针对专项方案进行模型搭建，利用模型检验方案的可行性、安全性，并提早发现方案所存在的问题；另外还可以方便地提供多个低成本的解决方案，通过比较择优实施。方案确定后，可以用BIM 模型进行直观交底，减少返工。

经过策划研究和多方案对比，确定了“分区作业、阶梯施工，突出塔楼、一泵到顶”的总体技术路线，即采用核心筒与外框结构错层的施工方案。方案的第一步是核心筒结构施工，第二步是外框架钢管混凝土柱的施工，第三步进行外框与核心筒之间的水平构件施工。塔楼混凝土核心筒与钢结构、楼层板及装饰安装采用阶梯型施工，合理安排施工顺序，可进行多工种立体穿插作业。

应用BIM 技术，能直观模拟项目各楼层和各部位的施工状况，如图8 所示。这样便于参建各方清晰地了解项目施工操作面和施工机械的安置情形，并预判施工过程中各操作空间穿插使用的可能性，确定后续穿插施工顺序和介入的时间节点，提高施工效率。

图8 穿插施工模拟Fig.8 Simulation of Interleaved Construction

4 结论

⑴ BIM 技术可对项目管理的各个方面进行指导，可有效提升施工效率和水平，为项目的高质量施工提供后台支撑和保障。

⑵在项目深化设计中，应用BIM技术能够提前发现节点钢筋、管线综合等各类构件的碰撞、遗漏及连接缺失等设计问题，提高施工图设计和工程施工质量。

⑶在施工阶段，采用BIM 技术可以形象地进行施工方案模拟，展示施工场地布置、各阶段施工状况，提前检验方案的可行性和安全性，在施工前发现方案存在的问题，制定合理的施工方案减少返工提供施工效率。