基于BIM技術的設計施工協同管理模式探討

高 蔚,劉崢嶸

(1.浙江大學建筑設計研究院有限公司,浙江 杭州 310028；2.浙江大學房地產管理處,浙江 杭州 310058)

造成建筑行業低效率和浪費的原因多種多樣：如逐步專業化導致斷裂的行業結構，以及建筑工程項目各方之間的關系、信息管理水平差信息化投入少等[1]。而信息管理的“碎片”現象主要有四個方面：專業分工導致的專業碎片,不同部門間形成的組織碎片,建筑生命周期內的過程碎片和不同軟件應用產生的信息碎片。信息的碎片化使得信息傳遞的效率和準確度大大降低,從而造成建筑行業的低效率和浪費現象。解決建筑行業的低效率和浪費問題,協同管理是主要趨勢。

BIM技術的核心便是信息集成。BIM技術目前在國內一些大型工程如北京水立方、上海中心大廈等已經得到了較好的應用,盡管國內研究和應用起步較晚,BIM技術在設計、施工和維護管理階段的作用正在得到一步步的證實[2]。設計和施工是建筑工程BIM應用的關鍵階段,如何在傳統設計模式依然為主導的前提下提高設計、施工質量,合理利用BIM技術作為協同管理手段,使其實際意義大于宣傳意義,是目前階段需要研究以及探討的課題。

1 BIM技術的研究意義

對于建筑工程來說,項目設計圖紙的質量直接決定了工程建造成本的高低。由于設計階段目前大部分設計單位的成果屬于無形狀態,停留在相互獨立分散的二維圖紙中,圖紙之間的關聯性很大程度上取決于設計團隊的二維協作能力,設計階段的成果極大程度地影響著施工階段的成果。而施工階段需要交付的成果最終是以實體的有形形式存在的,是設計成果的最終驗證[3]。

日益復雜的工程項目以及緊張的預算和工期對設計和施工也提出了更高的要求,于是更高效的溝通方式及工作流程管理如今已勢在必行。越來越多的項目參與方正在研究和實踐BIM技術,使用BIM技術進行設計和施工管理的涵蓋范圍和領域也越來越廣泛。

1.1 傳統信息系統的缺陷

建筑、結構、機電設計是由若干個不同的團隊完成的。由于設計標高、尺寸標注錯誤或設計空間預留不合理,非常容易導致現場施工中的建筑結構矛盾和管線沖突。傳統的二維平面圖紙,即使非常有經驗的工程師也很難在設計階段把所有的問題都找出來。

無中心的、單向的工程信息的溝通也常常出現滯后的現象,難以及時與整體工程管理相互協調,以致阻礙整個工程的信息匯總,容易形成信息孤島。無法將信息進行組合篩選,進度、投資、質量等相關的信息數據,數量大而且是動態變化的。工程的圖紙、文件、資料等文檔,數量多而且一般以紙質的形式保存,影響管理信息的使用效率。工程設計和施工管理過程中必然產生大量的交互信息,各自為陣的局面使得信息不能共享,效率低下[4]。

其實BIM很早就存在了,只是原來的協同管理主要是以設計師及施工管理人員為基礎,協調圖紙上的碰撞沖突,很少借助集成軟件的應用。傳統的信息系統已很難適應當前建筑工程的設計、施工要求,協同管理伴隨著工程發展越來越凸顯其重要作用,基于集成軟件的BIM技術應用已迫在眉睫。傳統的設計流程見圖1。

圖1 傳統設計流程示意圖

1.2 BIM技術的合理應用

BIM(Building Information Modeling)技術是當前建筑行業關注的焦點,BIM似乎已經成為一種時尚,談論設計已經離不開BIM的概念了。BIM的重點核心是信息協同,使得設計信息在各個階段得以自由共享,降低信息在傳遞過程中的衰減。設計過程逐漸從前臺的直觀操作轉向后臺的信息架構,通過集成軟件的應用向設計模型中增加建筑、結構、機電相關的附加信息,例如材料、構造、標高、尺寸等[5]。

BIM技術對設計各階段都起到很大的輔助作用,BIM并不能涵蓋設計的全部,更不是特指某些軟件,而是一種設計思維和協作方式。BIM的協作方式有效地實現了設計項目的三維表達,幫助設計、施工和業主方直觀地了解設計情況,檢查設計沖突。優化完成后的模型一方面可用于指導現場施工,并可用于項目交付使用后的維護管理。見圖2。因此結合目前國內的發展現狀,如何合理地應用BIM技術就顯得尤為重要。

近些年由于電力、空調、通訊、數據、安全、智能等技術在建設領域中的廣泛應用,建設項目的復雜性和信息量也呈幾何級數增長。BIM技術需確保信息入口的唯一性,這樣既可以避免錯誤發生的可能,又可以節省重復輸入信息的工作量。這就要求各參與方合理地輸入和使用各自的主要信息,以便后續參與方可以方便地調用共享信息。

圖2 基于BIM技術的設計流程示意圖

2 協同管理研究的契機

21世紀初,BIM 技術就已走進中國,帶來的不僅是技術的變革,緊跟其后的還有項目運作方式、協作模式的革新。一個以BIM技術為引導的行業變革,需要標準先行,更要實踐先行,勇于開拓創新[6]。

目前國內大多數文章將研究重點集中在系統架構的理論研究上。工程實踐是BIM技術不斷發展的前提和必要條件,本文以方法論為基礎,結合目前國內及國際BIM技術的理論研究成果,以杭州市某住宅小區設計、施工為例。從工程設計施工實踐出發,探索BIM技術的實際應用價值,用實例說明其研究觀點。

2.1 設計階段

2.1.1 可視化設計

采用BIM技術進行建設項目的可視化設計,BIM技術依托于集成軟件,核心是一個由計算機三維模型所形成的數據庫。包含了以設計圖紙為依據,集成了從設計到施工直至使用階段的全壽命期內所有工程項目信息。

在BIM技術的基礎上建立的建筑模型是具有完整的空間結構的三維直觀模型,立體的模型一方面可以幫助各專業設計師掃清二維設計圖紙的盲區,另一方面可以幫助減少設計方與業主、施工方的溝通障礙[7]。見圖3。

圖3 三維模型的可視化設計

借助BIM技術,各專業設計師可以用最為直觀的方式表達設計思路,也可以對圖紙進行改進和優化。真正實現所見即所得的設計效果,便于對建筑三維空間進行把握。同時,由于三維軟件的集成性能,設計師無需擔心由于局部修改而影響關聯部位的準確性。

2.1.2 管線碰撞

傳統的管線綜合這項繁瑣的任務只能靠人工完成,將各專業分散的二維圖紙疊合在一起進行管線綜合,由于二維圖紙的信息缺乏直觀的溝通協調平臺,導致管線綜合成為建筑施工前最易產生問題的重要環節。各專業的二維圖紙是單獨繪制的,需要不斷地進行人工核對碰撞,這樣的設計流程是非常耗時費力的。見圖4。

圖4 局部地下室各專業設計圖紙

BIM技術可以很好地解決這個問題,在施工圖設計中,可以通過BIM軟件將建筑、結構、機電圖紙信息整合起來,進行檢測碰撞、管線綜合等方面的工作,減少施工過程中的錯、漏、碰、缺。不同專業的設計人員利用BIM技術共同搭建建筑模型,通過軟件檢測各專業模型構件之間存在的碰撞沖突點的方位和數量,及時反饋給各專業設計師進行調整、修改并進行重新復核。反復幾次推敲,最終完成機電設備的管線綜合,排除項目施工環節中可能遇到的碰撞沖突,這樣的設計流程可以顯著減少由此產生的設計變更,降低由于施工協調造成的成本增長和工期延誤[8]。見圖5。

圖5 基于BIM技術的管線碰撞

2.2 施工階段

2.2.1 可視化指導

BIM技術從某種程度上相當于在工程開始施工之前,設計師就已在電腦上將整棟建筑建成。BIM技術不僅能幫助設計師掃清二維圖紙的盲區,使設計師更好地把控圖紙的施工可行性。同時對于現場施工可以起到漫游瀏覽以及可視化指導的作用,傳統的二維圖紙附加三維視圖,消除以往圖紙缺少直觀性的缺陷,還可以使施工人員更直觀、更深層次地理解施工圖紙和施工方案要求,讓現場施工人員更清楚地了解建造結果[9]。

設計師可以直觀、準確、全面地了解現場情況,提高工作效率。避免了二維CAD制圖對現場情況不了解的問題,并且在一定程度上減少了工程中組織協調的工作量。BIM 技術通過引入三維、四維以及可視化的強大功能,實現了對建筑物空間結構和功能特性的數字化表達。見圖6。

圖6 可視化指導施工

2.2.2 施工模擬對比

BIM技術可以將三維模型放置在虛擬的施工環境之中,通過分析施工環境可能對工程項目施工進度產生影響的因素,從而制定應對措施,降低環境因素對施工進度的影響,優化施工方案。施工進度優化是一個不斷調整的過程,通過反復模擬施工方案,發現問題及時改進,從而制定出最有效的施工進度計劃來指導施工[10]。

在基于BIM技術的建筑模型上,可以模擬施工現場,對不同的施工方案進行模擬對比,選擇最合理可行的方案。應用BIM技術確定最有效的施工方式,合理配置各項資源,從而避免不必要的返工和浪費。

通過BIM技術對施工現場模擬、4D施工模擬、大型機械運行空間模擬等方面的應用,進行施工場地模擬布置,塔吊以及人貨梯的模擬布置。實現對施工質量、安全、成本和進度的有效監控和管理。針對施工作業場地相對緊張的情況,可通過BIM模擬比對施工現場,快速尋找可以利用的施工作業空間,方便場地的使用規劃。見圖7。

圖7 施工場地模擬布置圖

3 BIM技術的研究方向探討

3.1 研究策略

3.1.1 合理進行二維協同及三維BIM

BIM技術的實現是以協同設計為基礎的,協同設計的本質是所有設計人員通過信息技術的應用,在計算機網絡平臺與軟件平臺的輔助下,根據統一的設計數據標準,充分共享和交換設計信息資源。

建筑設計是一個傳統的學科,而信息技術是一個現代年輕的學科。隨著建筑規模越來越大、體型越來越復雜,協同設計的要求也越來越迫切,但是采用傳統手段實現協同設計就顯得越來越困難。而建筑行業正在進行著一次由傳統的CAD技術向協同技術轉變的革命,由傳統的單人作業向群體協作轉變。

建筑行業在過去大量采用二維設計,有其存在的合理性和必然性。大量體型規則、結構簡單的建筑工程,采用二維設計仍是最優的選擇。對于少量體型不規則、結構復雜、以及對于管線綜合有較高要求的建筑工程,用二維協同較難表達清晰,而采用三維BIM則是更好的選擇。對于協同設計應當有清晰的認識,根據項目具體情況合理地架構協同技術框架,合理應用不同的軟件及技術手段達到不同的設計需求[11]。

3.1.2 強化協同思維

不論是二維設計還是三維BIM,協同設計不僅僅是靠某款軟件就能實現的。研究是應用的基礎,沒有深入的實踐就不可能有深層次的應用。協同設計的初衷是要強化協同思維,實現信息數據之間的互通,解決信息孤島問題。

對于設計師和建設單位來說,通過對建筑信息整合與成本控制的知識技能的逐步學習掌握,將明顯提升項目的管控力度,也可以提高工作效率。

對于施工單位來說,在項目的整體實施過程當中,應用專業的協同管理平臺進行項目協同管理,有效控制各種技術資料,達到技術資料應用的有效性、唯一性和完整性。

3.2 研究意義

3.2.1 建立有效的多方協作機制

BIM并不是全新的概念,也不僅僅是指三維的繪圖軟件,而是一個全新的設計模式。這種新的設計模式將會給設計管理、施工管理、物業管理帶來極大的變革,為設計、施工、物業管理的信息化奠定強大的基礎,同時這種新的設計模式需要新的標準、新的政策以及新的協作模式的支撐。

如何建立有效的多方協作機制,也是當前協同管理研究的重點,設計、施工、運維過程中眾多部門眾多專業使用大量的專業軟件,這些軟件之間的信息不同,難以進行數據交換。因此，建立有效的協作機制有利于打破不同部門、專業之間信息壁壘,逐步實現管理上的協同。

3.2.2 分階段實現管理目標

在BIM標準上,目前芬蘭、荷蘭、美國、英國、澳大利亞、中國香港都發布了BIM 標準,中國大陸也在加緊開發BIM 標準。

設計階段,BIM技術首先開始在設計單位開展,應用BIM技術進行復雜建筑三維建模,復雜項目設計階段的管線綜合等,運用協同思維進行信息的架構。

施工階段,應用BIM技術進行施工階段的碰撞檢查，進行工程量統計及施工進度計劃的模擬與優化，進而有效控制施工質量及施工進度。

運營階段,應用BIM技術將建筑空間和設備參數有機整合起來,結合運營維護管理系統充分發揮空間定位和數據記錄的優勢,合理制定維護計劃,對一些重要設備還可以進行跟蹤維護[12]。

當前全球建筑行業正在從二維協同走向三維協同,這將會是一個較為漫長的過程，需要建筑行業達成對BIM技術的共識,逐步建立適用的信息數據標準,最終實現各階段各專業協同管理的理想。