BIM技术在建筑工程设计与施工阶段的应用分析

吴 浩

（中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

建筑工程的建设过程包含多个步骤，例如项目规划、勘测设计、土木施工、管线施工、内外装修、竣工验收等，由于建筑工程的施工环节、施工单位较多，所以各个部门之间的沟通和信息传递常存在不及时的情况，从而导致工期和工程的质量受到影响[1]。

建筑信息模型（BIM）技术以三维数字模型为基础，集成了建筑项目全生命周期内的各种信息，为各方参与者提供了一个协同工作的平台。通过应用BIM技术，可有效完成建筑工程整个生命周期（设计、施工、运行和维护）的信息共享和交互[2]，能够在各个单位和企业中实现沟通和协同，以此提升建筑的施工效率、降低施工成本、缩短施工工期[3]。本文以办公建筑项目为例，研究BIM技术在建筑工程设计和施工阶段中的应用，分析其应用价值，为同行提供参考。

1 工程概况

某办公建筑工程项目整体为9 层设计，建筑总面积为4068.25m2，楼梯总高度为28m，属于剪力墙结构，抗震等级为3 级，建筑的使用年限为50a，耐火等级为2级，屋面防水等级为I级。

2 基于BIM技术的应用总体框架

建筑工程设计和施工管理是工程建设中的重要工作。当前的建筑设计通常是对建筑构件进行拆分和深化设计，当装配精细化程度较高时，传统的管理方式无法保证建筑信息的共享，会严重影响建筑的施工效率和施工质量[4]。该工程采用BIM 技术进行模块化的设计方式，在优化工程各部位设计的同时，较好地完成各部位设计流程的串联。基于BIM 技术的工程设计和施工阶段的应用框架如图1所示。

图1 案例工程设计和施工阶段的BIM技术应用框架

在该工程的BIM 技术总体应用框架中，利用BIM软件Revit 进行建筑、结构、机电等专业的协同设计，实现数据共享和实时沟通，提高设计效率和质量。利用PKPM-BIM、HiBIM 和Navisworks-HiBIM 进行碰撞检测、施工模拟和进度预测等，其可以与Revit 进行数据交互，进行施工模拟和优化，提前发现设计中的冲突和问题，避免施工中的变更和返工，实现施工资源的合理配置和动态调整。通过BIM 软件的参数化建模功能，可有效完成建筑、结构、机电等各专业模型的快速创建和修改，实现其在施工阶段的具体应用。

以该工程的初始设计图纸为依据，构建工程对应BIM模型，结果如图2所示。

完成该工程的模型构建后，对其设计、施工、管线布置以及工程量统计等步骤进行优化。通过BIM 模型的可视化模拟和自动模拟功能，可实现该工程的整体可视化和复杂结构施工自动模拟，呈现出整体的设计施工情况，有利于该工程不同施工部位的进度管理、质量管理、工程安全管理、成本管理以及建筑信息管理。

3 基于BIM技术的建筑工程设计框架

建筑工程的设计直接决定了其合理性以及后期的使用性能[5]。BIM 技术在该工程建筑设计中的应用框架如图3所示。

图3 基于BIM技术的工程设计框架

BIM 技术能够完成整个建筑结构的深化设计，确保建筑工程设计方案的最优性。在设计阶段，通过BIM 技术进行场地分析和方案规划设计，并构建初步模型；然后利用BIM 技术进行施工图纸的深化设计和优化，确保施工图纸的准确性和可行性；在此基础上，通过集成设计因子及各专业的协同，构建BIM 交付模型，最终完成BIM技术在建筑工程设计中的应用。

4 基于BIM技术的建筑工程施工进度管理

4.1 建筑工程施工进度管理

有效的施工进度管理对于建筑工程的施工效率、施工质量的提升具有重要意义。通过BIM 建筑模型对该工程的施工过程进行可视化模拟，掌握不同施工内容的施工进度情况，以便对各个施工内容进行及时调整，以此提升施工效率。该工程基于BIM 技术的施工进度管理流程如图4所示。

图4 基于BIM技术的工程施工进度管理流程

在该工程整体施工进度管理过程中，主要以构建的三维BIM 模型为基础，引入时间参数后形成4D 施工进度管理模型，通过该模型完成施工进度的实时模拟，并结合现场实际施工情况进行模型更新，同时完成更新结果的可视化展示，从而全面掌握施工阶段的详细情况。

4.2 施工阶段的工期预测方法

为进一步提升该工程施工进度管理阶段的精准掌握程度，在BIM4D模型加入工期预测模型，通过二者的结合，实现该工程建设过程中工期进度的精准预测。

为保证该工程施工进度的预测精度，采用定量分析法的回归预测模型作为施工进度预测模型；并在预测前，结合相关的建筑工程资源数据库以及现场施工的相关数据，确定施工进度的影响因素，其主要分为一级因素和二级因素，各个因素详情如表1所示。

表1 施工进度影响因素

回归预测模型在对该工程施工进度进行预测时，将BIM模型中提供的工程实际进度信息，作为建筑施工工期预测所需数据，依据该数据完成后续工序的工期预测，分析施工进度的发展趋势，并对工期进度的偏差进行分析，依据偏差结果对模型进行针对性调整。

如果现场施工过程中，各个工序的实际持续时间用Ti表示，其中i=1,2,……n；n表示建筑的施工工序数量，如果影响施工进度的因素数量为m，为保证工期预测结果，将影响因素确定至二级影响指标，测试工期预测回归模型的公式为：

式中：λi——第i个影响因素的偏回归系数；

μ——随机误差。

通过最小二乘法对各个影响因素的λi进行计算，基于此工期的预测结果计算公式为：

通过上述预测模型即可完成后续工期的预测，结合该预测结果和实际施工所需的人员、材料以及物资需求情况，进行相关资源的调度和分配，提升施工管理效果，有效缩短施工工期。

4.3 基于BIM技术的施工进度管理效果

为进一步分析BIM 技术在该工程施工进度管理中的应用效果，采用以下公式进行计算评价分析：

依据式（3）获取本文方法应用后，各工序的施工进度预测结果和实际工期结果的吻合情况如图5所示。

图5 施工进度预测结果

依据图5的测试结果可知：利用BIM技术对建筑工程施工阶段工期进行预测后，预测结果和实际施工结果之间吻合程度较高。这说明上述方法应用效果较好，能够精准掌握建筑工程施工工期的进度情况，为施工阶段的管理提供可靠依据。

5 BIM技术在设计与施工阶段的应用价值分析

5.1 设计阶段

参数化设计：BIM 技术可以实现参数化设计，即构件的尺寸、形状等属性可以通过参数进行调整。大大提高了设计师的工作效率，使设计方案更加灵活和优化。

协同设计：BIM 技术将传统二维设计图纸转化为三维可视化模型，不同专业的设计师可以在同一平台上进行协同设计，实现信息的实时共享。这避免了传统设计模式中的信息孤岛问题，减少了设计冲突和错误。

碰撞检测：BIM 技术可以进行碰撞检测，提前发现设计中的冲突和问题。这有助于设计师及时进行调整，避免施工阶段的变更和返工。

可视化设计：BIM技术可以将设计方案以三维可视化的形式展现出来，使设计师更加直观地了解建筑的整体结构和空间关系。这有助于设计师更好地理解业主的需求，提高设计质量。

5.2 施工阶段

施工模拟：通过BIM 技术，施工团队可以在施工前进行施工模拟，预测施工过程中可能出现的问题，并制定相应的解决方案。这有助于优化施工方案，提高施工效率和质量。

材料设备管理：BIM模型可以包含材料设备的详细信息，如规格、型号、数量等。施工团队可以根据模型进行材料设备的采购、库存和领用管理，实现材料设备的精细化管理。

进度管理：通过BIM技术，施工团队可以实时监控施工进度，并与计划进度进行对比。这有助于及时发现进度偏差，并采取相应措施进行调整，确保项目按时完成。

成本控制：BIM技术可以实现施工成本的估算和分析，实时监控施工的成本变化。这有助于施工团队更好地控制成本，提高项目的经济效益。

6 结束语

本文以办公建筑工程项目为例，首先构建工程设计和施工阶段的BIM应用框架，然后根据框架构建该工程的BIM 三维模型，并在模型中完成工程的建筑规划、方案设计、施工方案设计、建筑结构构件设计以及建筑工程施工管理；同时结合回归预测模型预测施工工期。实践证明：BIM技术在建筑工程设计与施工阶段中的应用价值主要体现在提高设计效率和准确性、优化设计方案、提高施工效率和质量、降低工程成本和风险等方面。同时，BIM 技术还有助于增强各方的沟通和协作能力，推动建筑行业向数字化、智能化方向发展。