BIM技術在廣西建工一建承建的貴港市文化藝術中心的應用研究

(廣西科技大學土木建筑工程學院，柳州 545006)

1 工程概況

1.1 項目簡介

貴港市文化藝術中心建設用地面積為144.816畝，總概算投資7.05億元，項目位于廣西壯族自治區貴港市何城路與迎賓大道交匯處，由大劇院、科技館、群眾藝術中心三個主體部分與一個公共區域部分組成(如圖1所示)。項目建成后，集藝術交流、娛樂、科研、休閑購物為一體，將成為貴港市主要的文化活動陣地和城市建設景觀標志性建筑。該項目總建筑面積111 381.67m2，其中地上建筑面積42 879.95m2，地下建筑面積68 502.72m2。項目由擁有房屋建筑工程施工總承包特級資質的廣西建工集團第一建筑工程有限責任公司(簡稱：廣西建工一建)承建，項目的BIM技術應用研究由廣西科技大學BIM研究中心與廣西建工一建聯合以“校企合作、產教融合”的模式開展。

圖1 貴港文化藝術中心Lumion效果圖

2 BIM組織與應用環境

2.1 BIM應用目標

BIM應用目標：本項目通過“校企合作，產教融合”，充分發揮高校科研優勢，圍繞建造階段工程的重點和難點，解決方案可視化、現場技術交底、綜合管控(進度、質量、安全、成本)、信息傳遞等多方面的問題，并在大體積混凝土和鋼結構節點深化進行了基于BIM的三維建模與建造過程的動態模擬控制，為工程的成功實施提供BIM技術支撐，為工程的信息化應用以及提質增效提供科技支撐。

2.2 團隊組織

根據項目特點，組建BIM實施團隊，設有BIM項目負責人、BIM技術負責人、各專業BIM建模小組、各BIM應用研究實施團隊，為項目BIM技術的研究與落地驗證提供保障。

2.3 BIM軟硬件配置

為確保項目的成功實施，廣西科技大學BIM研究中心為項目應用研究實施團隊配備了充足的軟件硬件，主要包括Autodesk Revit 2017、Navisworks Manage 2017等軟件以及臺式圖形工作站、移動圖形工作站、3D打印機等硬件。項目具體軟硬件配置如下(如表1、表2所示)。

表1 本項目軟件配備情況一覽表

序號軟件名稱軟件用途1Autodesk Revit2017建筑、結構、機電專業三維設計軟件;建筑暖通、給排水、電氣、管線綜合碰撞檢查設計應用軟件2Navisworks Manage2017三維設計數據集成,軟硬空間碰撞檢測,項目施工進度模擬展示專業設計應用軟件3廣聯達BIM5D平臺BIM集成協同工作平臺4Lumion3D 7.0建造動畫制作、效果圖渲染5Tekla 20.0鋼結構建模、鋁模板建模6Rhino 5.0高精度三維建模工具

表2 本項目硬件配備情況一覽表

序號名稱規格單位數量1臺式圖形工作站E5-2630 V4處理器、64G內存、NVIDIA Quadro M2000圖卡、256G SSD+2T硬盤、24寸雙屏臺302移動圖形工作站I7-7700HQ處理器、16G內存、256G SSD+1T硬盤、17.3英寸、NVIDIA Quadro P3000專業級顯卡臺23移動存儲6T移動存儲器塊543D打印機北京太爾時代UP BOX+臺205打印機A4激光打印機臺26投影儀高流明、高分辨率臺2

3 BIM應用

3.1 基礎應用

(1)BIM模型搭建

作為BIM實施的第一步，BIM模型的創建對BIM的成功應用和推廣具有重要的意義[1]。本項目在BIM模型的搭建工作主要包括：建筑結構模型、機電安裝模型、鋼結構模型(如圖2、圖3所示)。在項目建模初期，團隊依據國家標準及項目需求編制建模標準，在Revit2017中以總體的專項設計總平面圖紙為依據建立項目統一軸網和標高，再依據各自專業的圖紙建立相關模型，并在規定的時間上傳到A360云平臺，用于存儲模型，讓管理者實時把控建模進度。同時利用A360平臺企業也能時刻收到最新模型，當有圖紙修改的情況發生時，模型修改之后現場即可直接收到修改后的模型，縮短了信息傳遞時間。

圖2 貴港文化藝術中心土建Revit模型

圖3 貴港文化藝術中心鋼結構網殼Tekla模型

(2)機電管線碰撞檢查及優化

將所創建的建筑、結構、機電等 BIM 模型，導入專業的碰撞檢測與施工模擬軟件中，進行結構構件及管線綜合的碰撞檢測和分析，以便提前發現設計中存在的問題，減少施工中的設計變更，優化施工方案和資源配置[2]。本項目的應用主要有管線的凈高分析、碰撞檢查及優化、出圖及施工交底。在管線的凈高分析中，運用BIM技術在有限的安裝空間合理排布，確定在滿足結構和管線排布的條件下的管線位置凈高。團隊將Revit模型導入Fuzor中，進行機電碰撞檢查，再通過建筑、結構、機電模型的鏈接，完成綜合管線排布，導出CAD施工圖用于現場建造。團隊將機電管線按合理的排布結果呈現在施工交底中，在方便施工作業人員對現場的機電標高控制的同時，成功地避免機電各專業間的施工干擾。團隊將所創建的建筑、結構、機電等BIM模型，通過IFC或.rvt格式文件導入專業的碰撞檢測與施工模擬軟件中，進行結構構件及管線綜合的碰撞檢測和分析，并對項目整個建造過程或重要環節及工藝進行模擬，有效地保證了建筑的凈高，使各專業安裝合理有序開展，減少因碰撞導致的返工，節省工期，節約成本。

(3)精裝修深化及應用

精裝修深化及應用主要包括Lumion深化設計、VR及AR精裝修展示、720云全景預覽等。文化藝術中心的使用功能決定了其在聲、光、電方面標準高、綜合性強，對精裝修效果有著超出其他類型建筑的要求。傳統的效果圖，為了達到圖面的視覺效果，往往會改變夸大真實空間尺寸，改變結構，夸大燈光效果，導致效果圖與建成后實景形成較大的差異[3]。為解決這一問題，團隊通過了解裝飾裝修要求，在Revit中完成空間布局、立面造型以及色彩搭配等前置工作；將Revit精裝修模型導入到Lumion軟件中，為項目各決策方提供精裝修設計方案(如圖4所示)；將模型中精細和富有表現力的建筑形態渲染出逼真的虛擬場景進行展示。團隊使用Lumion渲染出精裝模型效果圖，將其載入到720云平臺上，生成全景圖模型，使用者通過掃描二維碼，可以對項目進行全景預覽，達到輕量化、可視化的展示效果。通過VR應用打破單一的靜態式、封閉式的展示方式，給各決策方提供一個身處真實環境的客觀感受，可更直觀了解到展區模型以及精裝修的整體效果，便于各決策方對精裝修效果進行全面研判，有效避免傳統施工中通過多次樣板施工確認精裝修效果的問題，節省工期、較少浪費、降低成本。

圖4 貴港文化藝術中心精裝修Lumion效果展示圖

(4)BIM土建算量對比

長期以來，由于施工過程的高度動態變化，施工資源及成本管理主要依靠人為控制，現有資源及成本管理軟件只能輔助管理者進行必要的計算和統計，無法對施工資源和成本進行實時監控和精細管理[4]。BIM作為新一代計算機輔助建造技術可以在3D模型的基礎上添加時間、成本信息，實現4D、5D虛擬建造，更有利于在工程設計階段去發現、分析、解決建造階段將會出現的問題。本項目通過工程造價管理的信息化，開展BIM土建算量對比工作，可更準確地確認工程的材料消耗量、材料入場時間，減少倉儲費用，降低資金占用率，提高建設資金的使用效益。

BIM附帶幾何對象的屬性能力強，如通過設置階段或分區等屬性進行施工圖設計進度管理，可確定不同時段或區域的已完工程量，有利于工程造價管理[5]。運用廣聯達土建算量軟件以及Revit輸出明細表(如圖5所示)進行BIM土建算量對比。一方面，團隊利用廣聯達GFC for Revit，將Revit建筑、結構模型導出為廣聯達土建算量軟件可讀取的BIM模型。在Revit中，打開本項目工程，在菜單欄點擊“廣聯達BIM算量”，然后點擊“導出GFC”文件；打開廣聯達BIM土建算量軟件GCL，點擊菜單欄“BIM應用”按鈕；然后選擇導入GFC文件；導入完成后即可匯總查量；將本項目土建構件量計算出來。另一方面，在Revit直接輸出的明細表中，統計擬進行對比的相應構件的體積量。實踐證明，在Revit直接輸出的明細表中的量相比廣聯達BIM土建算量軟件GCL的量要大。經團隊分析，原因在于使用Revit建模時的梁、板、柱交接區存在重疊搭建，導致在Revit直接輸出的明細表中重復計量的問題，利用廣聯達計算則可避免出現這一情形，獲得比Revit明細表工程量更為準確的數據。如在Revit建模時，制定適應工程量統計的建模規則，明確梁、板、柱交接區的唯一歸屬，即可避免重疊搭建而導致的重復計量，同樣可以在明細表中獲得準確的工程量數據。

綜上所述，利用施工圖設計階段BIM模型進行工程算量的優勢主要體現在：計算能力強，BIM能夠對復雜項目的設計進行優化，可以快速提取任意幾何形體的相應數據；計算質量好，可實現構件的精確算量，并能統計構件子項的相關工程量數據[6]。

圖5 BIM土建算量(結構框架明細表)

3.2 重點應用

(1)BIM5D現場管理

BIM5D用于集成土建、機電、鋼結構等各個專業數據模型，實現進度、成本、物資、圖紙、合同、質量、安全等業務信息關聯，以此達到項目管理的總目標。本項目團隊運用BIM5D將3D模型與建造現場的各種工作流程相鏈接，動態地模擬建造過程的變化，實現工程項目“進度控制”、“智能排磚”、“資料管理”、“質量安全管控”(如圖6所示)等功能，有效管控項目變更，控制項目工期、控制項目成本、提升建造質量。

圖6 廣聯達BIM5D質量安全管控實時圖像

(2)基于BIM的綠色施工管理

目前大多數BIM系統沒有內置的環境模擬工具。在這種情況下，這樣的程序一直依賴于專用的外部模擬應用，互操作性是BIM工具的一個主要問題[7]。團隊針對這一情況以及貴港市文化藝術中心的綠色施工要求，緊緊圍繞“四節一環保”的要求，通過BIM技術建立一套的綠色施工綜合技術，主要包括布置模擬、日照分析、AR施工安全教育。建造現場臨時設施的布置是在Revit中搭建三維場布模型，并將其導入到Fuzor中進行場地VR漫游，完成建造現場臨時設施、水電布置、道路進行模擬布置，形成更加直觀的三維布置場景，提高場地布置的合理性、科學性、有效性。團隊將Revit模型導出DXF格式后，導入到Ecotect軟件中，使用的Analysis功能，完成日照分析模擬、能量分析模擬、風分析模擬，有效優化與控制光、噪聲、水等污染源，以此進行項目臨建方案優化，為項目經理部建設提供決策。團隊基于視+平臺，將滅火器、消火栓箱等安全施工器具等使用教程、安全交底載入企業云端，指導操作人員通過手機、Ipad等移動設備的APP掃描器具實體，進行基于AR的實時施工安全教育，形成一套系統的AR施工安全教育制度。

(3)BIM技術在大體積筏板混凝土澆筑的應用探究

大多數混凝土裂縫與溫度變化有關，因此，溫度控制是防止裂縫的主要方法[8]。防裂是大體積混凝土施工過程中的一個重要質量通病防控問題。大體積的筏板基礎澆筑過程中，團隊運用BIM技術進行澆筑方案的確定、施工進度模擬、筏板混凝土材料統計等工作。借助BIM技術提出的模擬方案中有：四階段澆筑過程和八階段的澆筑過程。通過在可視化環境中反復推敲，在滿足混凝土澆筑強度要求前提下，最終選定較優的八階段的施工澆筑方案。在澆筑技術交底中，為實現對大體積混凝土的施工進度作出合理安排。團隊通過Navisworks開展施工進度模擬，將提前完成、推遲完成和按時完成作出可視化表達，直觀檢查實際進度是否按計劃執行，在出現不可抗力的情況時可以及時分析問題啟動應急預案。借助BIM統計各個澆筑階段的混凝土量，直觀、準確、提前獲得材料使用凈用量，為企業控制成本、提高效益創造條件。為同類型筏板基礎大體積混凝土的施工管理提供新思路、新模式。

3.3 核心應用

在核心應用方面，項目團隊主要圍繞貴港市文化藝術中心外立面的鋼結構模型和流水表皮開展，包括鋼結構復雜節點搭接、出量、出圖、模型細部構造AR展示、鋼結構流水表皮搭建與建造等。

(1)鋼結構復雜節點搭接

在鋼結構建模的過程中，團隊通過比較發現Tekla Structures比Revit功能功強大，能更好的突出細節，展現細部構造，據此，本項目選擇Tekla Structures創建鋼結構的復雜節點。Tekla Structure軟件中包含了600多個常用節點, 極大地滿足用戶的節點創建需求。Tekla作為一款智能化BIM軟件的亮點之一在于其節點的智能性，各種形式的系統節點均可以根據工程需要人為地設置節點內部零件的屬性[9]。在使用BIM技術進行可視化施工技術交底中，通過Tekla Structures高效實現鋼結構復雜節點的零件排布(如圖7所示)，可提供更直觀的材料合理切割與搭接方案，有效減少測量尺寸誤差與鋼結構的切割偏差等問題，避免返工浪費，進一步提高工作效率、效果與效益。

(2)基于Tekla Structures的鋼結構出量

團隊應用Tekla Structures自帶的材料清單功能(如圖8所示)，在考慮工廠制造中的損耗系數與規范要求的技術條件下，從模型中導出材料清單，進而完成采購清單的建構。Tekla Structures的模型自動套料程序可提供便捷的下料功能，通過與班組工人人工排版相比較、檢核，實現節省材料，最大程度減少型鋼的拼接焊縫的目的。

圖7 基于Tekla Structures的鋼結構復雜節點截圖

圖8 基于Tekla Structures的鋼結構出量詳單

(3)基于Tekla Structures的鋼結構出圖

項目鋼結構流水表皮體量巨大，且構件均為非標準構件，深化設計的出圖工作量相當巨大。團隊運用Tekla Structures將各鋼結構的排版和型鋼構件圖配對同步輸出圖紙，為工廠流水化預制提供依據。出圖前，可以在“設置”菜單中進行個性化處理，以便更迅速、高效應用到工程中。優化設置可使Tekla Structures的出圖圖面更整潔、美觀，尺寸合規，圖線粗細合理，零部圖名規范等。設置完成后，另存為Standard格式，并進行模型轉儲，便于在今后的工程中應用該設置。當涉及預制與安裝同步進行時，必須按照安裝施工進度要求，匹配輸出圖紙，(如圖9所示)。同時，軟件的自動成圖也減少了出錯率，提高了圖紙質量和加工質量[10]。

(4)鋼結構模型細部構造AR展示

團隊引入AR技術，實現鋼結構流水表皮復雜節點的信息集成交互。在技術路線上，利用Unity 3D實現AR模型細部構造展示。通過AR技術融合實時交互的優勢，更充分發揮BIM技術強大的數據儲存能力和靈活數據表達方式，實現建造現場構件與信息的強匹配。

(5)鋼結構流水表皮搭建與建造

圖9 基于Tekla Structures的鋼結構出圖

團隊通過Tekla Structures搭建鋼結構流水表皮，(如圖10所示)。根據模型模擬安裝順序，對項目現場兩片鋼結構流水表皮的預搭接，獲得各構件的施工安裝順序，進而生成構件預制加工順序，實現先安裝先生產，后安裝后生產，做到預制與安裝的無縫銜接。建筑3D打印數字建造技術使得傳統的建造技術被數字化建造技術所取代，從而滿足日益增長的非線性、自由曲面等復雜建筑形式的設計建造要求[11]。團隊利用3D打印機對鋼結構流水表皮的復雜節點，實施低成本的縮尺3D打印，獲得構件與零件縮尺實物，進行模擬安裝，有效指導施工作業人員開展異形鋼結構安裝，達到提質增效的目的。

圖10 鋼結構流水表皮的Tekla Structures模型

4 項目應用效果

(1)通過大型文化藝術中心機電碰撞檢查及優化中，將Revit模型導入Fuzor中，完成機電碰撞檢查，再通過建筑、結構、機電模型的鏈接，完成綜合管線排布，導出CAD施工圖用于現場建造；有效地保證了建筑的凈高，使各專業安裝合理有序開展，減少了因碰撞導致的返工，節省工期，節約成本。

(2)通過軟件接口，將Revit精裝修模型導入到Lumion軟件中進行渲染后展示，為項目各決策方提供精裝修設計方案；將模型中精細和富有表現力的建筑形態渲染出逼真的虛擬場景進行展示；便于各決策方對精裝修效果進行全面研判，有效避免傳統施工中通過多次樣板施工確認精裝修效果的問題，節省工期、較少浪費、降低成本。

(3)通過研制簡明使用手冊，把BIM5D用實，與建造現場的各種工作流程相鏈接，動態地模擬建造過程的變化，提高工程項目管理績效，有效管控項目變更，控制項目工期、控制項目成本、提升建造質量；基于視+平臺，進行基于AR的實時施工安全教育，形成一套系統的AR施工安全教育制度。

(4)開創性利用BIM強大的可視化特性，進行大體積筏板混凝土的澆筑方案優選，通過在可視化環境中反復推敲，在滿足混凝土澆筑強度要求前提下，最終選定較優的八階段的施工澆筑方案；為同類型筏板基礎大體積混凝土的施工管理提供新思路、新模式。

(5)探索了鋼結構流水表皮不規則曲面的精確建模、節點搭接、出量出圖、下料加工等應用，獲得各構件的施工安裝順序，進而生成構件預制加工順序，實現預制與安裝的無縫銜接；研究并實踐了通過IFC解決Tekla Structures與Revit軟件間模型無損互導的問題，實現了信息在BIM軟件間的流動。

5 總結

(1)Revit、Tekla Structures等軟件實質是面向設計工作，如需在這些軟件上實現建造和運維階段的BIM應用，則須對軟件進行合理的二次開發。

(2)BIM在建造階段凸顯較強的工具屬性，其研究與應用應緊緊圍繞項目的提質增效展開，領導重視、模型精確、全員參與是BIM為項目增值的基礎。

(3)BIM的核心是信息的共享，而BIM軟件生態圈產品眾多，要實現高質量的信息共享，除了二次開發外，要充分挖掘基于IFC、P-BIM的信息創建與交換標準的潛能是實現信息共享的有效途徑。

(4)對高校而言，通過以真實在建項目的BIM應用研究為載體催生的校企合作、產教融合，真正發揮高校產學研用的優勢；突出廣西科技大學工程管理專業培養“數字建造、先進建造、智慧建造、精益建造”人才的辦學特色。

(5)以項目建造問題為導向，面向工程一線的BIM應用研究亟待進一步加強，不斷提升面向新時代中國建造的BIM技術服務能力。