BIM 技术在某建筑工程施工管理的应用研究

严晓红 严德林 陈明月

(1.武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065;2.武汉中建工程管理有限公司,湖北 武汉 430074;3.中国建筑第四工程局有限公司,广东 广州 510665)

1 引言

建筑业是我国的国民经济支柱产业之一。建筑业的持续发展为我国的基础设施建设做出了重大贡献[1]。但建筑业信息化、工业化水平较低,生产方式较为粗放,劳动生产率不高,资源消耗大等问题较为突出[2],组织方式较为落后,精细化、信息化、专业化程度较低[3]。随着我国社会发展和经济形势的变化,绿色、低碳、环保、节能要求越来越高,传统的建造方式已经不能满足要求,改变粗放式管理模式已经刻不容缓。

越来越多的学者都在研究这个问题,提出了建筑业的转型升级要借助科技的力量,突破传统的方式,提升核心竞争力,由粗放型向精细型发展。丁烈云认为,智能建造利用以数字化、网络化、智能化为特征的新一代信息技术,是土木工程建造与新一代信息技术相结合的工程建设新模式[4]。王广斌认为,建筑业的转型,主要有两个方向:一是数字化,二是项目生产组织模式的集成化。集成化BIM技术在整个产业变革中将起到关键性作用[5]。刘鸣奇等认为,信息模型技术有助于推动建筑工程信息化与智慧化,实现精细化与数字化管理[6]。国家相关部门一直在引导建筑业的健康发展,2020年住房和城乡建设部等13部门联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》,提出加大智能建造在工程建设各环节应用。2021年3月住房和城乡建设部指出,推行精益化的生产和施工,有效采用BIM等相关技术。

BIM技术,即建筑信息模型(Building Information Modeling),以三维几何模型为载体,集成建筑多种信息,实现建筑工程寿命期各参与方之间的信息共享。BlM技术是一种应用于设计、建造、运营的数字化管理方法,是用于智能建造的核心技术。目前在项目规划和设计阶段运用较多,取得了很好的效果。BIM技术的出现,给项目的各参与方带来了全新的合作和管理方式。如何将BIM技术与施工管理有机结合是一个关键问题。本文通过一个实际工程,研究探索BIM技术在建筑工程施工阶段的应用点及取得的效果,希望能为其他建筑施工企业提供借鉴和参考,以此来推进传统的建筑行业逐步向绿色低碳、信息化、智能化转变。

2 BIM技术在施工管理中的应用

在施工阶段,传统工地管理较为粗放,存在标准不统一、信息不对称等问题,在进度、质量、安全、环境上难以找到平衡点,风险因素较多[7],更加迫切需要精细化管理,BIM技术的运用尤显重要。BIM技术在施工管理方面的应用点很多,主要有图纸会审、施工可视化管理、碰撞检查、深化设计施工进度控制、质量安全控制、智慧工地、成本控制等方面。工程越复杂,交叉作业越多,越能体现BIM技术的优势,应用效果越好。但运用BIM技术需要购买软件及设备,投入专业技术人员建立模型、信息输入,并及时根据实际情况更新模型和信息。

本实验大楼是一栋地上19层、地下3层、建筑面积为将近5万平方米的高层建筑,主要功能是实验检测、动物饲养。多种复杂实验室、动物房合理分楼层设计,1~7F为医疗器械、8F为微生物检测、9F为保化毒理、10~11F为GLP、12~19F为动物房,工艺设计复杂,造型奇特,施工和管理难度大,此项目部从中标之日开始,确定了将BIM技术贯穿于整个施工管理全过程,以下具体分析说明。

2.1 项目BIM组织架构图

根据本实验大楼项目施工工艺的特点,采用了分工明确、相互依存和协调的BIM团队组织架构形式,BIM团队组织架构图如图1所示。

图1 BIM团队组织架构图

2.2 项目BIM软件配置及功能说明

目前国内外市场上有很多BIM类相关软件,功能也各不相同。企业要根据工程的特点、应用点等来选择一个或多个,如桥梁设计选用Open Bridge Modeler软件,建筑工程选用Outbuildings Designer软件,进度计划编制采用广联达斑马计划软件,建筑工程土建计量采用GTJ软件等。根据本实验大楼项目特点,本着经济适用的原则,采购了以下BIM软件产品,建立了完善的BIM模型,模型中建筑信息完整,可视性和可操作性强。各个软件具体功能说明如表1。

表1 项目BIM软件配置表

2.3 机电深化设计

本实验大楼功能种类繁多、复杂,机电系统相较于普通建筑复杂很多,其中空调系统8个(空调热水供回水、送回风系统、普通排风系统、全新风系统、废气排风系统、冷却水供回水、防排烟系统、冷冻水供回水)、电气系统22个、给排水系统13个、工艺系统4个,各专业之间交叉施工多。

(1)传统机电系统施工困境

传统机电施工中,各专业设计图纸只是简单叠加在一起,施工人员只关注某些复杂节点的管线,管线之间、管线与土建之间存在大量的交叉、碰撞,从图纸上很难找出这些点,另管道加工采取边加工边施工,导致后期施工时存在大量返工、打洞、材料尺寸不合适等情况,造成材料浪费、工期延长,难以保质保量完成。

(2)室内外管线碰撞检测、深化设计

为了提前找到机电系统交叉、碰撞点,采用BIM技术进行管线深化,分三步:第一步利用BIM软件进行全专业精细模型创建;第二步利用BIM技术对室内外机电管线进行虚拟碰撞检测,找出管线之间、管线与土建之间的碰撞点;第三步利用BIM技术对碰撞点进行深化设计,优化管线排布,出具室内外机电管线施工图纸,指导现场施工。

本工程通过BIM技术运用,找到很多碰撞点并进行了优化,如原设计中空调水管穿梁而过,不符合结构要求,通过对BIM模型优化排布,调整管道走向,空调水管不穿梁,贴梁底布置,满足结构要求;如原设计中设备吊装口上方有多个管道,影响设备吊装,通过BIM技术提前找到碰撞点,优化后调整管道位置,合理避开设备吊装口。经统计,本工程共节省穿梁孔洞约2500多个。

如图2管线优化前排布图所示,管线布置混乱,管线交叉较多,违反国家强制性条款规定,无法布置支架,不能满足标高要求。运用BIM技术优化管线排布,如图3所示,管线布置有序,管线无干叉,符合标准规定,综合排布支架,最大提升标高。

(3)利用BIM技术,管道预制加工

利用管线优化排布的图纸和BIM模型,利用BIM技术精准地统计材料的详细信息,提前在工厂预制管道,工厂化预制管道质量有保证,它不受场地、交叉施工、天气、环境等制约和干扰,提升了工作效率,降低了废品率,减少了浪费,节能减耗,对整个社会和环境有利。

图2 管线优化前排布图

图3 管线优化后排布图

以加工量大的风管为例说明,采取BIM技术流程如下:根据优化后的BIM模型→提取风管数据和加工表(材质、数量、长度、型号)→出具风管细节图纸及风管翻弯节点图纸→预制厂家根据图纸和加工表生产加工→现场实施安装。

2.4 施工可视化管理应用

大中型工程一般造型优美,采用多种结构形式,建筑内外部有很多复杂的节点和细节,施工管理难度大,施工人员通过二维图纸和空间想象力来理解建筑内部空间,很难提前或实时观察到建造具体情况,导致会出现施工方案的选择失误或发生质量安全事故等现象。

利用BIM技术可以解决传统施工存在的管理难的问题,采用BIM可视化和施工模拟,施工中重难点、危险点、质量和安全控制点等一目了然,技术交底、安全交底等均采用可视化交底,细化到施工管理的每一个细节。以下举几个案例说明。

(1)基坑开挖机械选择

本工程场地狭小,基坑开挖深度达16米,地下施工隐蔽性强,施工工序衔接复杂,基坑运土困难,内部设有两道环形内支撑,其中内支撑下空间狭小,开挖难度大。经多方专家论证,有两种方案供选择:伸缩式长臂挖机垂直挖掘土方,以及固定式长臂挖机垂直挖掘土方。这两种方案各有优缺点,经过对两种方案的BIM可视化模拟施工,如图4固定式长臂挖机垂直挖掘土方和图5伸缩式长臂挖机垂直挖掘土方所示,两种设备抓、取土方量相同,运行速率类似。但伸缩式长臂挖机抓土不灵活,挖土过程中施工安全性难以保证;固定式长臂挖机在深基坑中可正常作业,但大臂不要过度扬起,避免碰到支撑梁,需要配备人员监督,有效地指导挖土的安全和质量保证。经过权衡后,项目部选择固定式24 m长臂挖机作为基坑开挖机械。

图4 固定式长臂挖机垂直挖掘土方

图5 伸缩式长臂挖机垂直挖掘土方

(2)气流组织模拟分析

本工程为科学检测与研究实验大楼,对空气质量要求比普通建筑要求高。传统的方法是通过理论计算空气质量,与实际存在着一定的偏差。本工程在施工前利用BIM技术,根据各个房间的朝向、太阳照设、空气流动方向、设备排放气体等,对各房间内外部进行气体流动模拟分析,优化设计方案,提高空气质量。

如对某微生物检测房进行气流模拟分析,发现房间上部的氨气浓度较大,室内的氨气浓度由高到低在房间垂直分布,但原设计无顶部排风口。通过优化设计,增设顶部排风口,优化侧部排风口位置后,对室内的氨气浓度分布重新模拟分析,室内氨气浓度得到有效控制。

(3)利用BIM模型指导施工

建筑工程的质量、安全、进度控制一直是建筑业的重点和难点,建筑业的质量和安全事故中,人的因素占重要部分。传统施工中,管理人员对照二维图纸,对每个现场工人进行质量、安全、技术交底,不形象、不直观,随着建筑工程规模不断扩大,造型和结构越来越复杂,使得各项交底工作也越来越难。

运用BIM技术后,整个施工过程已实现三维可视,尤其是关键工作或情况比较复杂的关键工序,通过使用三维模型的可视化模拟技术进行质量、安全、技术交底,能在不同的方位变化中观察,及时发现安全隐患和质量控制要点。利用BIM技术进行三维动画交底,如图6三维模拟动画交底所示,可以让现场工人直观地了解整个施工过程及要求,对施工方法、施工方案的实施有一个更加透彻、清晰的认识,有利于控制工程质量、安全和进度。

图6 三维模拟动画交底

(4)利用BIM技术建设智慧工地

建筑业是一个碳排放大户企业,灰尘大、噪声大,无法精确控制各项指标,这也是传统管理模式下一直无法回避的问题。

本工程利用BIM技术建立了智慧工地综合管理平台,包含质量安全管理系统、无人机系统、材料管理系统、档案管理系统、成本管理系统、人车检测系统、在线扬尘监控系统、基坑在线检测平台、VR虚拟现实模拟等系统,更加有效精细化管理项目。

工程处于城市闹市区,噪声、扬尘指标均有很高要求。业主要求工地现场整齐、整洁、有序,达到文明施工“高标准”、建筑工地“高颜值”。项目部利用BIM技术,噪声大的机械均安装定位和声音监测控制系统,保证了周围居民的生活不受到干扰;利用在线扬尘控制系统后台实时监测现场扬尘各项指标(如PM2.5、PM10),超过指标及时进行自动降尘处理,保证施工现场扬尘指标在控制范围。

基坑施工安全是有项目安全控制的难点和重点,为了确保质量和安全,根据本工程围护结构体系特点,结合当前自动化监测及数据通信技术现状,建立了基坑工程自动化BIM监测系统,手机和网页平台随时可以查看,方便施工人员随时监控。

除此之外,还利用BIM技术进行算量计价、材料精确统计管理等,项目精细化管理上了一个台阶,防控工程中各种风险。

3 应用BIM技术的效果分析

跟传统施工管理模式相比,利用BIM技术对建筑工程施工阶段进行全面精细化管理,给建设单位、设计单位、施工单位以及社会带来了极大的经济和社会效益。

3.1 经济效益

据不完全统计,本工程利用BIM技术后取得的经济效益超过600万,部分案例如表2所示。

表2 运用BIM技术后经济效益分析表

续表

3.2 社会效益

本工程运用BIM技术后除了取得经济效益外,还有一定的社会效益。

机电管线碰撞检查及深化设计、材料预制加工及精确统计等,保证了工程质量、节约材料。智慧工地、房间气流分析,均为BIM技术的深度应用,具有一定的创新性。利用模拟施工,编制施工方案、技术交底,保证了项目可行性、施工的安全性。对于复杂的节点、施工难度大、重点控制部位,用模型模拟施工和提前交底,预防质量和安全事故发生,保证了项目人员生命和财产安全。

运用BIM技术可以更好地保证工程质量和安全,节约材料、绿色低碳等,此项价值无法用金钱衡量,具有重大的社会效益。

4 结语

目前建筑业处于转型阶段,建筑行业的发展已经不再是单纯追求快速,而是进入到了高质量、精细化管理发展模式,数字化转型能力成为企业核心竞争力的重要方面。通过BIM技术在机电深化设计、可视化管理、智慧工地等方面的应用,分析取得的经济效益和社会效益,以期给施工企业带来一定的思路和参考。

BIM技术在施工阶段的应用点很多,有待于下一步继续研究和实践。随着国家大力支持和科技的发展,BIM技术在建筑业的全面推广和应用,必将推动建筑领域新的变革。