BIM在新型建筑工业化全过程应用与展望

杨滨赫, 周庆旭, 吴金钛, 周丽娜, 程 栋

(1. 中建二局安装工程有限公司,北京 100038; 2. 中核工程咨询有限公司,北京 100038; 3. 中央戏剧学院,北京 100010)

[通信作者]周庆旭(1993—),男,硕士,工程师,主要从事BIM技术和智慧建造应用研究工作。

0 引言

以装配式建筑为代表的新型建筑工业化在建造周期、部品构件运输、节能环保等方面具有明显的优势[1]。随着物联网、大数据、VR/AR等信息技术的发展,以信息技术为特征的新型工业化,通过工程全生命系统化集成设计、部件工厂化生产、精益化生产施工为手段,推动传统建筑行业向信息化、数字化转型升级,实现建筑行业的高质量发展,进而实现建筑产业现代化的发展目标[2]。“十四五”规划中,BIM技术与新型建筑工业化成为未来建筑行业的大力推广方向。

目前,在政府政策引导,各个行业协会、团队组织和企事业单位等相关方共同努力下,BIM技术在国内工程中的应用越来越多,尤其是在上海、深圳等地区。从水平上讲,BIM技术在政策标准、落地应用、插件开发、协同管理等方面的应用环境日趋完善。从深度上讲,BIM技术在项目管理、方案模拟、三维建模、管线综合、性能分析、工程量计算、协同平台等应用已经覆盖项目全生命周期;从广度上讲,BIM技术已经覆盖到设计、施工及运维的全链条中。

BIM技术与新型建筑工业化深度技术融合,充分发挥各自的技术优势,实现工程建设领域向工业化、数字化、现代化转型升级(图1)。基于工程项目集成化数据管理以及信息化传递方式,并结合三维化、可视化和信息化的优势,BIM技术使装配式建筑实现可视化设计、数字化生产、精细化施工、信息化运维和协同化管理,从而解决装配式建筑在整个建设开发周期中全过程管理应用。

图1 BIM技术与建筑工业化融合发展示意

目前,虽然专家学者对国内BIM技术与在建筑工业化应用中进行了相关研究,然而大多数研究仍然停留在BIM功能应用层面,例如各专业三维建模、管线综合、净高分析、工程算量等,对在“十四五”的新形势下建筑工业化迅猛发展与BIM技术有机结合的问题分析和前景展望不够深入。

在目前,完整的基于BIM技术的新型建筑工业化全过程应用体系实现路径并不明确,本文将围绕BIM关键技术在新形势下建筑工业化的设计、生产、施工及运维全过程应用价值进行探讨,从而实现设计优化、标准化生产、施工模拟及智能运维,整体过程见图2。

图2 BIM在新型建筑工业化一体化应用示意

1 BIM在新型建筑工业化中全过程应用

1.1 设计阶段

建筑工业化的首要条件就是要实现项目设计的标准化。借助BIM技术,工程项目通过数字化方式将建筑、结构、机电、精装等各专业有效整合集成分析,从而帮助设计师实现全专业协同设计,并优化机电管线布置方案,提高施工图设计质量,避免由于设计源头阶段不合理导致设计变更,降低后续返工成本,从而提升项目设计效率和设计质量。

在项目设计阶段,通过数字化设计手段推进建筑、结构、机电、精装等多专业进行一体化设计,全盘综合设计优化[3]。BIM技术可以实现不同专业设计工作在同一虚拟三维信息空间中完成,进而实现三维集成协作设计、空间优化、减少错漏碰缺。

新型建筑工业化特征之一是部品构件的数字化、信息化、标准化。在项目设计阶段,部品构件预留负责生产、施工、运维等后续阶段添加信息的接口,方便随着工程的进行,各种数据信息的及时添加。BIM可以针对项目建造中的构件建立参数化标准件族库,标准化部品部件,能够添加构件的材料信息、生产产地、尺寸信息、安装位置等属性信息,从而实现标准构件设计统一性。

1.2 生产阶段

建筑工业化的首要前提是部品构件生产标准化。在部品构件生产阶段,质量控制的重点主要包括部品构件的数字化设计和规模化生产。利用BIM技术,厂商能够实现对预制构件快速拆分设计及编码,随时查看预制构件的位置、材料、尺寸等与生产相关的属性信息,通过BIM平台实现设计数据自动对接,可以实现构件信息准确输入,从而实现构件的精准管控和生产,从而建立专业化、规模化、信息化的部品部件生产体系。

基于BIM技术三维可视化优势,厂商在模型中模拟构件的虚拟建造流程,针对发现的问题,对生产工艺、施工工序及计划优化,提高人员、机器、材料的利用率并提高在生产中建造效率,从而进行生产指导和生产设备及模板设计,提高生产的准确性并减少加工制作的错误率,实现构件的数字化设计。

1.3 施工阶段

在施工阶段,质量控制主要体现在对部品部件的质量检验和构件装配过程的精度控制。借助RFID芯片或二维码等多种方式,厂商能够在控制中心中实时呈现原材料的入库检验、生产过程制造检验、部品仓储入库、部品运输跟踪、现场施工装配全过程信息显示,从而实现部品构件质量全过程可追溯[4]。

通过将编制好的施工进度输入到BIM模型中,实现项目空间信息与时间信息有效整合,从而能够直观、精确地反映施工建造过程,提前暴露总体计划、场地布置、施工工序等问题,并进行及时优化,从而实现虚拟建造、优化布置。

部品部件施工阶段另一要点是对施工关键节点的质量控制。借助BIM技术,将装配式施工技术方案梯级优化,装配式单元模型逐个分解,在动画模拟软件中进行施工全过程的虚拟动画预演,形成技术性的指导视频,内容包含过程追踪、生产运输、吊装步骤、安装细节等,能够很大程度上提高预制部品部件的验收效率,降低项目成本损失。

1.4 运维阶段

随着时间推移,建筑运维文件管理繁琐复杂,间接导致数据遗失或者缺漏,尤其对于众多模块化部品部件。将建筑信息集成到BIM模型中,构件建筑信息数据库,能够方便管理人员查阅、核实,同时对过往维修、事故点侧重关注。基于BIM的三维可视化特点,管理人员能够实现各种建筑资产的定位和相关参数精准定位、快速查阅、远程控制[5]。

与设计和施工阶段相比,运维阶段更注重数据信息提取和管理。建筑中设备编号、安装顺序、关键部位等信息,添加到其相对应的BIM运维模型属性中,甚至能够将设计阶段、施工阶段及后续运营产生的一些信息整合分析,在BIM数据平台进行综合分析,从而实现数据共享、协同管理,提高工程项目的运维管理效率。

2 存在的问题

2.1 BIM发展理念有待转变

新时代背景下,建筑工业化最重要的特征就是信息集成应用,通过BIM、物联网、云计算、大数据、移动互联等信息技术对建筑产业链上全要素信息进行采集汇聚和分析,促进智能建造与建筑工业化协同发展,也是中国建筑行业迈向“建造强国”的必经之路。

对于BIM的认识大多停留在机电深化设计、施工方案模拟、投标方案模拟和碰撞检查等专项技术应用点,而忽略BIM技术本质是模型数据协同、共享。BIM软件即建筑信息模型,具有仿真性、参数性和数据性的一个工具。国内企业设计理念仍然采用传统的CAD进行设计,借助平面、立面、剖面及详图等二维图纸进行工程表达。即便建立了相应的BIM模型,最终还需要导出二维图纸交付施工,也很难将BIM模型中信息落到实处[6]。

2.2 BIM核心软件安全性有待加强

集成建筑工程中各项信息数据的BIM模型必将是各类数据重要来源,涉及个人、企业和国家的诸多利益。目前就而言,BIM核心应用软件主要集中在Autodesk、Bentley和Dassault三大平台。国内BIM软件厂商研发分布在结构分析、工程造价、规范验算等专项领域,而在核心方面鲜有涉及。由于国际间局势复杂多变,信息安全作为国家安全体系重要组成部分,过度依赖国外软件对我国建筑信息安全带来长期隐患。随着城市建设数据和运维数据的日积月累,国产核心建筑信息软件研发迫在眉睫。

2.3 BIM在建筑工业化中现行标准和评价体系有待完善

当前,“十四五”规划的发展方向和提纲明确把BIM技术和装配式列为重点发展方向。而在此背景下,BIM技术在建筑工业化标准化生产中存在应用标准不统一、产品兼容性不强、实施标准和规范尚未健全等问题。因此,相关部门应尽快制定相关规范和标准,以应对BIM技术在新型建筑工业化过程中无法可依的局面。除此之外,提供一套完整的BIM在建筑工业化全生命周期应用的实施指南和合同范本是很有必要的,可为相关企业提供借鉴和指导。

3 前景展望

3.1 BIM+装配式建筑+总承包模式成为趋势

EPC(总承包模式),即“设计+采购+施工”模式,实现工程项目全过程管控,具有建设责任明确、工程建设效率高、建设投资少、现场管理压力小等诸多优势[7];而以装配式建筑为代表的新型建筑工业化更是得到了政府和行业的大力推广。以BIM技术集成协同管理为媒介,融合EPC模式全流程把控和装配式建筑一体化建设优势,BIM+装配式建筑+EPC模式能够最大化统筹装配式建筑一体化建造全过程与工程总承包权流程管理,从而实现项目资源全过程的高效配置,实现我国新型建筑工业化和数字化的深度融合[6]。

3.2 BIM技术与其他信息技术融合发展

未来建筑实现信息化,多种技术间的集成与融合是必然之路。随着大数据、VR、区块链、云计算、物联网等信息化技术的日趋成熟,BIM技术与时俱进,不断与这些新信息技术深度融合和应用,从而助力整体建筑行业向信息化、智能化、数字化转型升级。各技术的集成与融合,基于规范标准下的协同作业将完善建筑行业整体市场及BIM运维市场[8]。

充分发挥BIM与GIS、大数据、云计算、物联网等数字技术的集成应用,构成以BIM模型为数据载体的城市数字建筑“细胞单元”。

3.3 BIM技术推进城市信息模型(CIM)基础平台建设

BIM技术不仅局限于原有专项应用,而是拓展到城市规划、运行服务、应急防灾等多个方面。随着智慧城市建设成为政府一大工作要点,以BIM为核心的建筑业信息化技术的与时俱进,结合物联网、大数据等新信息技术,将海量的城市信息数据与城市建筑模型融合,形成虚实结合、协同治理、迭代优化的新形态,开辟新型智慧城市治理新模式[9]。

目前,天津、沈阳、浙江、江苏、河北、广东、湖南、甘肃等地多个政府部门已明确表示大力推进CIM平台建设。平台以海量底层数据为基础、以三维数字模型为核心,以模型软件为工具,在真实城市地理信息模型基础上建立地下建筑、地下管网、地面建筑、综合管廊、路政设施等城市部件三维数字模型,构建数字表达、治理城市三维基础空间数据,推动数字城市和物理城市同步规划和建设。

3.4 搭建BIM智能建造平台

智能建造平台应用在节约成本、提高项目运行效率、协同管理等方面效果显著,将是现阶段乃至未来BIM发展的重要环节。借助BIM技术,实现信息化管理贯穿建筑工业化全过程,带动装配式建筑上下游企业有机结合,实现项目信息在建筑全生命期的高效传递、交互传递,从而聚合装配式全产业资源,发挥建筑工业化的规模效应作用[10]。

4 结论

BIM技术由于其信息化、模块化、可视化等特点必将在我国建筑工业化进程中发挥关键作用。BIM技术在新型建筑工业化全生命周期的集成应用,实现部品构件设计、生产、施工、运维等阶段的信息互联互通和协同共享。同时,BIM在建筑工业化应用过程中存在发展理念、软件安全及标准不健全等问题。BIM+EPC模式、BIM+CIM、智慧建造平台将成为BIM未来发展趋势。

“十四五”背景下,BIM与建筑工业化的结合,在未来必将会有效提高建筑行业全产业链资源配置效率,加速中国建筑工业化模块化、信息化、智能化进程。