BIM技术在高层建筑精益建造中的应用研究*

栾海涛

(北京城建建设工程有限公司，北京 100038)

0 引言

BIM技术为精益建造提供技术支持，通过结合BIM与精益建造，提高建设效率、创造价值、提高设计水平，大大提高BIM应用的性能[1-5]。Sacks等[6]认为，基于BIM的精益建造，利用BIM的4D，5D多维视觉技术，帮助项目参与者控制和管理，以最低成本、最短工期，促进设计与施工一体化，实现优质的建筑产品。周桂云[7]以盐城先锋国际广场三期酒店写字楼模板工程为背景，基于BIM技术模板设计，表明BIM在可视化、优化性、可出图性等方面的改进。张昊楠等[8]通过现实捕捉技术获取连廊点云数字模型，逆向生成合龙端口处的BIM模型，表明数字预拼装可提高连廊施工的可视化程度，减小连廊结构合龙偏差。

从以上分析可看出，基于BIM技术的模型集成各种专业信息，可有效减少施工变更引起的资源浪费。因此本文旨在基于BIM技术，结合现有理论和实践基础为高层建筑精益建造服务。

1 精益建造机制与BIM技术协同应用

1.1 应用价值

1)整体应用价值 指在建设项目各阶段，充分利用精益建造和BIM技术价值降低社会成本，提高工作质量和效率。整体应用价值的实现需要庞大的工程系统，不仅需各阶段、各环节的BIM应用软件，还需完善的BIM技术应用标准。

2)部分应用价值 指精益建造和BIM在部分建设项目中带来的价值。在施工阶段，BIM的主要应用点包括状态模型、成本预测、阶段规划、基于三维模型的施工协调、场地利用规划、深化设计、数字化装配、基于三维模型的控制与规划。BIM应用点和应用价值不是静态的，将随着BIM应用软件和应用标准的发展而发展。

1.2 设计与施工一体化的协同应用

BIM应用价值的实现依靠协同应用技术和管理机制的支撑。在技术支持方面，BIM协同应用可支持多专业设计与施工集成技术的实现。首先，BIM可实现建筑、结构、装饰、机电等高度集成的设计过程，使专业工程师在同一平台上同时进行设计工作，消除模型冲突。通过现场分析、方案论证、可视化控制和动态优化，避免重复设计，减少设计变更和大量返工。其次，BIM的虚拟设计与施工技术及配套软件可实现建筑性能、碰撞检测、规范验证、系统协调等精准施工的可视化分析，并在信息完整的设计模型上模拟现场施工。最后，利用BIM可视化虚拟动画，可提前安排现场布局，演示施工操作，优化设计阶段施工工艺和关键工序。

2 超高层建筑精益建造

2.1 工程概况

云南某项目办公楼总建筑面积60 322.74m2，地下4层，地上25层，建筑高度96.85m，为框架核心筒结构和筏板基础。本工程施工场地小，布置困难；地下室分部工程专业门类多，管线布置密集，交叉作业多；人员、材料、设备投入大，工序衔接多；施工作业队伍多，管理难度大。

为克服施工过程中的不利因素，采用BIM技术提供的多学科协同平台，加强施工过程控制，提高整体质量安全管理水平。利用BIM模拟现场平面布置图和施工方案，使施工方案更加合理，可提前发现问题，解决施工难点，减少返工现象。采用BIM技术模拟施工，实现施工过程可视化，并在施工各阶段制定详细的材料计划，避免材料浪费，提高工程精细化管理水平。

2.2 三维场地布置

利用BIM建立施工现场模型，可更直观展示三维效果，并能进行三维漫游。漫游过程中，项目参与者可参与站点布局的视觉体验，指导站点布局。根据进度计划动态调整场地布置，有利于克服施工场地狭窄、场地布置困难的问题，同时利用BIM软件自动生成工程量，作为材料计划报告和材料使用控制依据，节省建设成本。

根据建筑模型的三维可视化特点，在充分考虑塔式起重机中间支撑距离的前提下，合理确定塔式起重机等垂直运输机械的位置，避免与梁、柱主要结构的碰撞。在塔式起重机位置仿真演示中，采用自编程程序实现塔式起重机范围内起重量的变化，自动计算起重范围内构件质量，将可起吊构件显示为绿色，不可起吊构件显示为红色，保证使用安全。

2.3 脚手架方案模拟计算

采用BIM软件，根据结构模型布置外脚手架和支撑脚手架，输出脚手架安全计算书与脚手架材料表，对不同部位、不同规格的脚手架和扣件进行分类，采购和租赁可根据输出脚手架材料表计划进行安排，在保证施工需要的前提下节约成本。根据BIM软件，设计模板支撑系统，并对大应力构件进行轴向力监测。为保证模板安全，本工程设置轴力监测报警系统，通过轴力计无线传输，实时监测模板支架受力状态，并进行实时安全预警。

2.4 综合管线布置

安装工程施工前，利用Revit软件对建筑管线的综合布置进行深化设计。首先，将Revit管道模型导入Navisworks软件，进行碰撞检测和漫游检查。Navisworks软件导入模型后，执行碰撞检测并生成测试报告。根据测试报告中的照片和ID信息，返回Revit软件找到相应的碰撞点并进行调整。使用Navisworks软件进行第三方漫游全面检查后，返回Revit，根据ID信息调整问题构件。消防泵房等管线密集区内，BIM建模有助于改善施工工艺、提高成功率、避免返工并提高整体检验质量。泵房综合管线布置如图1所示。

图1 泵房综合管线布置

2.5 复杂钢筋的优化设计

利用BIM软件对结构复杂的节点钢筋进行建模，形成直观的节点图，可反映钢筋绑扎顺序和位置要求，为避免钢筋绑扎错乱造成混凝土无法浇筑，导致结构质量隐患，应对施工人员进行钢筋立体绑扎技术培训。BIM软件可提供每个构件的钢筋信息，根据钢筋长度实现自动组合切割，最大限度减少废钢的产生，并提高工作效率。

2.6 模型渲染及模板优化设计

为减少业主临时变更造成的返工，保证施工布置方案的合理性，建立Revit优化模型后，导入3DMax进行渲染，从而输出效果图和漫游视频，在业主选定效果图后进行施工。由于模型尺寸与现场尺寸一致，可实现空间布置指导施工。

由于我国建筑工程大量使用木模板，模板组合在成本控制中起关键作用。利用BIM软件可实现智能模板组合方案，绘制模板加工图，提供模板支撑三维框架图，并可提供任意部位的施工细节，最大限度减少浪费，节省脚手架和模板数量。

3 经济效益分析

3.1 管道综合布置

地下室碰撞检查统计如表1所示，各种专业管道间存在很多冲突，因此在管道综合应用中，BIM技术具有很高的投资回报率。经过三维综合管线布置，相比传统方法，经济效益达38.08万元，比原计划提前25个工作日。

表1 地下室碰撞检查统计 个

3.2 模板脚手架

模板优化设计完成后，BIM软件自动统计各种规格的模板数量，并将相应结果提交给操作人员。施工方根据提交的模板数量进行集中调配使用，提高模板利用率。根据施工进度计划和特定工区模板、钢管、扣件总量，严格控制进场材料数量，保证进场材料数量满足施工要求，减少现场材料积压，提高周转架材料和资金周转效率。采用完善的三维模型向操作人员进行说明，可提高操作人员对工作内容的理解。对区域材料和实际储存情况的分析如图2所示。采用传统方式所得统计量较粗糙，所得结果与实际各材料统计量偏差较大，而通过对比软件统计量与实际统计量后发现，由于BIM三维信息模型按实际1∶1进行建立，所得统计量极为接近，偏差率最大为4.5%，低于5%。同时通过软件统计量、传统方式计算所得统计量及实际统计量得到不同材料积压情况，表明BIM软件可对物料进行准确预估，使成本大幅降低。

图2 不同方式统计量对比及偏差率

4 结语

1)通过在超高层建筑精益建造中应用BIM技术，可发现BIM技术使项目设计、采购、施工、运营等更加高效及稳定，将BIM技术应用到精益建造系统中，使精益建造的管理系统更具优势，最终实现BIM与精益建造在项目全生命周期中的协同应用。

2)通过对精益建造与BIM协同应用中管道综合布置及模板脚手架的经济效益进行分析可知，利用BIM软件对管道进行综合布置和优化模板脚手架的经济效益非常可观，值得推广应用。