BIM技术在雄安新区白洋淀码头及周边环境施工中的集成应用

张 鹏 李笑男 孔维国 程菲雨 宋朋波 李梦璇

(1.北京城建集团有限责任公司，北京 100088； 2.北京交通大学 经济管理学院，北京 100044； 3.北京工业大学 城市建设学部，北京 100124)

引言

BIM技术已逐渐被应用于工程项目的全生命期，在项目实践中充分发挥了其可视化、可模拟、可协调和可出图等诸多优势，被认为是实现智慧化、精细化、数字化施工管理的有力工具。BIM技术在房建领域广泛应用的基础上，逐步向其它领域延伸。例如：水工码头的建设、改造的过程相对复杂，需要BIM技术的支持来优化方案及协调管理，从而提升建设水平； 公共建筑出于多种功能需求大多采用异形结构，加大了设计和施工的难度，更需要BIM技术在深化设计、性能模拟等方面提供支持； 风景园林项目虽然在BIM技术应用上起步较晚，但同样需要准确的数据支持来完成地形规划、建筑安排、内容布置等工作。因此，有必要探究能取得更好项目成效的BIM应用方式。

在雄安新区的建设中应用BIM技术，弘扬了“智慧工地”、“绿色工地”等先进理念，优化了进度安排、人员组织，助力了“雄安质量”的打造，能满足雄安新区建设的高标准建设要求。本文以雄安新区白洋淀码头及周边环境改造项目为例，按项目特点将其拆分为水工码头、公共建筑和风景园林三类项目的集成体现，以白洋淀码头为水工码头项目代表，以生态科技馆、游客服务中心A/B/C为公共建筑项目代表，以周边环境改造为风景园林项目代表，分析了BIM技术在项目中的应用方式及取得成效，为同类项目应用BIM技术实现优化、推进建设提供经验借鉴。

1 BIM技术在水工码头等领域研究现状

BIM技术在水工码头、公共建筑和风景园林等应用均有学者进行了研究探索。

BIM技术应用于水工码头项目，以可视化建模、参数化设计提高设计效率与质量为主，但存在专业软件支持不够等问题。胡令将BIM技术应用于码头项目的技术交底、成本控制、管线综合优化等方面实现了精细化管理并取得显著效果[1]；柴国威等基于BIM技术在水工码头项目中的应用，探讨了目前BIM在水工码头项目中存在的问题[2]；戴勇等分析了码头改造项目中的难点，将BIM技术应用于项目中的设计协同、错漏检查、快速出图及工程量统计、模型后处理，体现了BIM技术在码头改造项目中的应用优势[3]；李培良探讨了BIM技术在水工项目中的应用方法和价值，通过BIM技术的应用路线、实施保障措施和模型搭建等内容做出经验总结，提出了BIM技术应用的难点和发展建议[4]。

BIM技术应用于公共建筑项目，应用方式以深化设计、性能模拟为主，应用对象以绿色、大型和复杂公共建筑为主。徐强等人从BIM的nD模型出发，强调了BIM技术在公共建筑的策划、设计、施工和运维全生命周期中的应用[5]；王慧琛提出BIM技术在绿色建筑评价中的应用点，并通过具体案例验证了BIM技术在公共建筑室内外设计效果的优势性和合理性[6]；李慧介绍了BIM技术在大型公共建筑机电安装过程中深化设计、碰撞检测等多个关键环节的具体应用，并总结了其应用效果与不足之处[7]；梁璐璐等人通过BIM技术在复杂公共建筑施工中碰撞检测、机电管线排布、场地布置和方案模拟等方面的应用，提高了安全质量管理水平，有效解决了复杂公建施工中出现的难点问题[8]。

BIM技术应用于风景园林项目，以辅助规划布局及运维管理为主，但还需进一步发挥BIM技术在风景园林项目中的造价控制、工程实施、环境分析等方面的积极作用。金路等提出将BIM应用于风景园林中的数据整合、地形设计、整体规划和深化设计等方面，展现了BIM技术在风景园林中良好的发展前景[9]；陈学芬提出创建基于BIM的园林工程协作平台，以实现模型的模拟分析与指导实践，助力施工过程中的沟通协同、进度管理等[10]；哈喆基于BIM技术的特征，阐述了BIM技术在风景园林工程的设计、管理和成本控制中的应用，指出BIM技术在风景园林行业中的应用将极大推动社会的可持续发展[11]。

基于以上分析，目前BIM技术在水工码头、公共建筑和风景园林项目中均有一定的应用，并取得了很大成效。但BIM在每种业态中的应用都是基于某单体建筑的，集成这三种业态特征的项目同时包含了三种业态的复杂性和多变性，BIM技术尚未在集成水工码头、公共建筑和风景园林这三种业态特征的项目中得到实践应用，具备一定的研究价值。

2 项目概况

2.1 项目简介

白洋淀码头及周边环境改造项目位于雄安新区白洋淀旅游码头区景区，拟建设场地位于雄安新区安新县城东侧、白洋淀边。设计面积5.5km2，内河道3.5km，场地整体可分为酒店区、停车场、老码头和湿地景观区四部分。

项目包括白洋淀码头生态科技展示馆、游客中心A、服务中心B+C四栋单体建筑及白洋淀码头绿化、景观、道路提升工程，总用地面积9 993m2，总建筑面积10 550m2，地上建筑面积7 150m2，地下建筑面积3 400m2； 其中，生态科技展示馆(一苇阁)所在的雄安驿14地块用地面积6 046.3m2，总建筑面积6 650m2，游客服务中心A、B、C所在的F05-08-01地块用地面积3 946.7m2； 总建筑面积3 900m2； 工期120日历天。

2.2 项目特征

2.2.1 人文特点

白洋淀继承宋代引水灌溉的民生功能，承载解放战争的光彩，兼具民生与军事，历史积淀深厚。依据新时期的科学规划，白洋淀新码头及相应配套服务设施北移，助力水环境治理，其中建造的万年轴广场响应了白洋淀的历史。

2.2.2 生态特点

白洋淀是中国华北平原最大的淡水湖，同时也是海河流域大清河水系中游的缓洪滞洪区，承担着9条河流的洪水调蓄。芦苇是白洋淀特色产物，本项目选用芦苇铺设建筑屋顶，反应了建筑的地方性。同时，本项目将场地微缩成包含九流入淀、围埝景观、淀泊风光三大主题的白洋淀体验区，融合了观赏游乐、洪水调蓄和文化展示等功能。

2.2.3 建筑特点

建筑生态科技展示馆在造型上采用台基、架构和屋顶的三段式特征，分别对应三大展览主题； 形态上以“天圆地方”回应中国传统文化； 平面布局特征参照隆兴寺摩尼殿，回应了积淀轴与起点轴； 结构上综合了木结构、钢结构两种形式。

三个游客服务中心造型似三叶扁舟，呈现出停泊在淀上的船屋意向。两个芦舫(游客服务中心B/C)以一种相互呼应的诗意形态呈现，配合着较大的抚水轩(游客服务中心A)共同塑造白洋淀景观。

2.3 项目重难点

项目大面积换填土、工期紧，不同专业间施工顺序混乱、异形结构多、基础施工难度高以及机电设备布设难度较大。

白洋淀芦苇台地土壤含水量高，土壤肥力差，需按规范换土。土质松软使得建筑对基础有更高要求，景观桥等工程底板下均布灌注桩基础，共计420余颗桩，施工难度大。

项目现场布置紧凑，两个施工区同时施工时现场交通和施工组织困难、物料需求量大、机械种类和数量多，相互干涉较为严重； 多在雨季施工，存在较多不可预见的工期制约因素。

项目涉及建筑、结构、机电和绿化等多个专业，专业交叉施工作业频繁，为避免工序混乱，合理安排不同专业的施工顺序也是重点之一。项目异形结构多，部分模板现场加工和支架搭设有一定困难。

3 BIM应用前期准备

3.1 BIM实施标准

本项目依据《雄安新区市政工程数据编码对象技术导则》规定了项目数据对象编码的技术要求，包括勘测、设施、设备等BIM对象的编码规则和实施程序。本项目的工程建设BIM管理系统的编码对象共计三种对象，依次为勘测对象、设施对象与设备对象。

本项目依据《雄安新区市政工程BIM模型成果技术导则》规定了项目BIM模型建设的技术要求，包括模型的分类原则、模型特征信息和编码、设计信息模型建模范围和深度等级要求、设计信息模型图元属性定义、设计信息模型工程属性定义、施工信息模型创建、施工信息模型共享等方面的内容。

本项目在《中国雄安集团BIM标准体系园林分册》的指导下施工，包括绿化工程、园路与广场铺装工程、园林建筑、构筑物工程、给排水工程、电气工程等工程专业，其他工程类可根据自身项目特点参照执行。

本项目建筑高度、建筑面积、容积率、场地标高的确定参照《雄安新区规划建设BIM管理平台计算规则》，如建筑高度是从新堤堤顶计算至建筑檐口。

3.2 BIM解决方案

针对项目工期紧、其异形结构多，模架施工困难、基础施工难度高、机电设备布设难度较大等重难点，本项目提出以下BIM解决方案：

(1)工期策划

制定BIM应用流程体系图。结合BIM 4D施工模拟软件进行工序预演，使项目管理人员能直观了解项目各专业间同时施工作业进展情况，在满足质量、管理、安全等多维度条件下，有序提前完成项目。

(2)基础施工

针对基础施工难度高的情况，利用Civil 3D软件制定地质分析图与土方开挖计算图。项目部根据地形勘察数据，结合BIM技术，对三维地质模型进行地形地貌、地层岩性、水文地质、不良地质体等方面的可视化分析，帮助项目合理对其均匀灌注桩基础。并通过Civil 3D对现场回填区域进行精准算量，提供不同区域换填土方工程量，减少项目施工过程中大量土方的浪费。

(3)异形结构施工

针对异形结构多，模架施工困难的情况，制定工序演练图。采用加工订制覆膜异形木模板的方式，通过BIM三维可视化模架工序演练，施工前，组织相关人员召开技术研讨专题会，编制有针对性的模架施工方案，使之项目解决异形结构多的问题。

(4)机电系统布设

针对机电系统布设难度较大的情况，制定管线碰撞及净高分析图。项目部通过BIM软件(Revit、Tekla)提前搭建完整模型，结合建筑结构及钢结构等专业模型，按照相规范，对其进行管线深化，提前解决管线碰撞、净高不足等问题。

4 BIM应用实施过程

BIM技术在本工程的规划、设计和施工过程中发挥了重要作用，以下分别从BIM模型的创建、分析与应用两方面具体说明BIM技术的应用。

4.1 BIM模型创建

本项目中创建的BIM模型主要有工程地形地貌、建筑和园林景观三部分，具体如表1所示。

表1 建模内容

4.1.1 工程地貌模型的建立

本项目使用Civil 3D软件构建三维地质模型，如图1所示。首先利用不规则三角网和等高线数据形成地形曲面，通过曲面提取实体功能将地质层曲面围合，进而形成地质层实体[12]，并对其进行测量、三维地形处理土方计算和场地规划等操作。将整理结果生成DWG文件导入至Revit软件中作为创建地形表面的基础，绘制出地形、水系、道路和堤坝等模型，如图2所示，综合体现出本项目对工程场地的整体规划。

图1 Civil 3D构建的三维地质模型

图2 Revit构建的场地规划模型

4.1.2 建筑模型的建立

由于生态科技展示馆采用钢木框架—混凝土剪力墙混合结构，故分别使用Tekla和Revit构建钢结构模型及其它专业模型，如图3(a)～(b)所示。然后，将Tekla模型文件转换为IFC文件并导入Revit软件，检查调整后形成生态科技展示馆的整体模型，如图3(c)所示，其中土建部分以半透明形式显示。由于游客服务中心采用木框架—混凝土剪力墙混合结构，故可直接使用Revit软件对其建筑、结构、机电等专业进行建模，如图4所示。其中，一些异形构造模型可使用“放样融合”等命令实现。

(a)土建Revit模型

图4 游客服务中心A模型

图5 植物族的批量生成

4.1.3 园林景观模型的建立

建立园林景观模型的一个繁琐工作是植被的建模。在建模时，首先利用CAD的“提取数据”功能分别提取了140种树木类型的绝对坐标值并依次进行数据处理，以实现对树木的准确定位。然后，调取Revit内部植物族库与本项目树木类型比对，制作缺少的植物族，以使本项目所需的树木类型完备。最后，通过Dynamo Palyer运行程序脚本直接弹出用户界面窗口，输入读取表格路径、工作簿名称、选用植物族类型名称等参数，批量生成植物族，如图5所示。园林景观其它部分模型如图6所示。

(a)万年轴广场 (b)桥梁 (c)市政管线和人造水系图6 园林景观其它部分模型

4.2 BIM模型分析与应用

本项目应用BIM技术逐个解决了遇到的重难点问题，主要从以下六个方面简要概述具体应用方式及取得的成效。

4.2.1 地质环境分析

本项目在施工前充分利用Civil 3D软件对施工场地进行布局与土方量计算，在避免后期施工过程中安全隐患发生的同时，尽可能平衡土方挖填量，以节省成本。

(1)场地布局

利用Civil 3D分析工程所处的地形地貌、地层岩性、水文地质和不良地质体等信息进而生成相应的地层面，以了解地层发育起伏情况，提前规避项目场地布局不合理的问题，为项目整体布局的确定提供决策依据。

(2)土方量计算

利用Civil 3D对不同开挖回填区域进行精细计算，并对土方的调运路线进行探索和分析，力求达到土方挖填平衡，从而节省土方成本。具体操作，以地质勘察单位提供的地形方格网数据为初始数据源，以设计地形数据为最终数据源，叠加分析两个数据源形成的曲面即可得到场地的挖填方量[13]，如图7所示。项目管理人员根据所得到的各区域土方挖填量，结合项目场地布局，设计出最优土方运输方案，提高对成本管控的效率和精度。

图7 Civil 3D土方量计算(局部)

4.2.2 空间检测

由于本项目的复杂程度远大于某一个单体建筑，在室内室外、地上地下等区域均存在管线密集和碰撞的情况，同时又要满足业主的净高要求，故利用BIM软件对其进行整体的空间检测。

利用Revit软件整合各专业的BIM模型，并分别对建筑外部和内部进行空间检测。外部主要针对地下市政管线的碰撞检查，如图8所示； 内部则是对机电管线之间、机电与建筑等其它专业之间碰撞问题的深化，如图9所示； 发现各专业模型的碰撞问题后，将碰撞位置进行标记和记录，并导出对应的碰撞报告，经各专业设计人员综合考虑后对模型进行进一步的优化设计，减少在实际安装过程中发生冲突的情况，避免二次返工和材料的浪费。

图8 建筑外部地下市政管线的碰撞分析

图9 建筑内部机电管线与混凝土结构的碰撞分析

4.2.3 钢结构深化

本项目利用Tekla软件对建立的钢结构模型中的钢结构节点及型钢混凝土结构的钢筋节点进行分析和优化，导出深化后的节点施工图纸，从而解决钢结构节点种类多、连接复杂、倾斜钢柱定位困难的问题。并利用软件中与钢结构加工厂数据对接的功能，将导出的下料单直接与工厂对接，方便工厂准确制造钢结构构件。

为避免施工阶段因构件应力、应变的大幅度变化引发安全事故，利用Midas Gen有限元软件对钢结构进行力学性能分析，计算出构件最大应力与变形，如图10所示； 利用Midas Gen对不同位置的不同构件进行吊装工况的验算，如图11所示； 并进行吊装施工过程的仿真模拟，找出合适的吊点以及对吊机进行合理布局，确保施工方案的可行性与施工过程的安全性，如图12所示。

图10 对钢结构进行力学性能模拟

图11 对钢结构进行吊装工况验算

图12 对钢结构进行吊装过程模拟

4.2.4 物料统计

本项目具有极为庞大的工程量，倘若利用传统的物料统计，会消耗大量的人工，且经常出错，设计方案出现变动后也将导致物料统计数据的失败。利用BIM技术，可实现在BIM模型创建的同时，工程量与之同步生成，且易保证工程量信息与设计方案的一致性。

本项目利用Tekla和Revit中统计报表的功能，精确统计模型的工程量，如钢用量、混凝土、钢筋和管线等，如图13所示。将BIM模型和生成的工程量信息上传至数据库，项目其他人员能够快速准确地调用相关数据。一方面为工程造价提供准确的数据资料，节省计算的时间和成本； 另一方面利用对物料统计为现场的施工备料提供准确的依据，从而对项目进度、工程质量等方面进行严格把控，合理分配物料，提高工作效率。

图13 柱工程量

4.2.5 可视化技术应用

利用Navisworks对生态科技展示馆和游客服务中心等模型进行施工过程4D模拟且用于可视化交底，如图14所示。这不仅让施工人员直观了解各个施工工艺和施工顺序，还能够令管理人员及时把握每个场馆的施工进度信息，根据现场情况随时调整工程进度以便更合理管控现场资源。

图14 生态科技展示馆施工进度模拟

利用Lumion对项目整体及各单体建筑模型进行不同时节的渲染和不同场景下的漫游制作，生成相关的图片和视频，如图15所示。

4.2.6 创新应用

BIM技术在本项目中的创新应用在于利用Dynamo可视化编程实现BIM编码的批量录入。

BIM标准体系规定了雄安新区生态工程(园林)数据对象编码的技术要求，包括生态工程项目勘测、设施、设备等BIM对象的编码规则和实施程序。本项目通过Excel处理编码规则信息，筛选符合雄安要求的编码数据，结合Revit中可视化编程插件Dynamo读取Excel编码信息，并自主研发出批量录入编码的方法，如图16所示。该方法通过高效快捷录入，使得整个编码过程用时仅48h，比传统人为手工录入提高了十倍的工作效率。

图15 项目夏季整体渲染效果

图16 编码整合并赋予模型

5 总结与建议

本项目集成了水工码头、公共建筑和风景园林三种业态，是BIM技术应用的创新性探索。在雄安新区建设标准的指导下，以项目为导向将BIM技术应用于项目建设各环节，并取得了一定成效。本项目中的BIM技术用用主要体现在以下三个方面：

(1)利用Civil 3D、Revit、Tekla、Dynamo等软件建立了工程地貌模型、建筑模型和风景园林模型，有利于工程项目的整体规划、布局；

(2)利用Midas Gen、Navisworks、Lumion等软件实现了地质环境分析、建筑内外部的空间检测、钢结构深化、施工过程4D模拟及不同场景漫游等功能，有利于确保施工方案的可行性、施工过程的安全性；

(3)利用Dynamo可视化编程实现了BIM编码的批量录入，极大提高了工作效率。

综上所述，BIM技术的应用协调了项目特征。满足了项目建设的进度、安全、协作等需求，体现了雄安新区的高标准建设要求，为BIM技术应用于同类项目提供了成功的实践经验和参考。