BIM在建筑施工中的深度應用
——2019年中國北京世界園藝博覽會生活體驗館工程

(北京城建十六建筑工程有限責任公司，北京城建集團有限責任公司，北京 100083)

1 工程概況

1.1 項目介紹

2019年中國北京世界園藝博覽會位于北京市延慶區南辛堡村，毗鄰媯水河，占地960公頃。下設中國館、國際館、生活體驗館、植物館等多個場館，其中生活體驗館位于園區東北角。

圖1 2019年中國北京世界園藝博覽會生活體驗館BIM效果圖

生活體驗館總占地面積3.6公頃，建筑面積2.1萬m2。共由7個展館組成，1#展館為主展館，地上兩層，地下一層，2#-7#展館均為一層。主體結構地下部分為混凝土結構，地上部分為鋼結構。生活體驗館“綠色田園、城市山水”的設計理念迎合世園會“綠色生活、美麗家園”的辦會主題。建筑使用雙曲面弧形屋面，呈現出屋廓高低起伏的視覺效果，配合六種不同的建筑外裝飾墻共同構成一副山水田園畫卷(圖1)。

1.2 工程特點與難點

本工程作為北京市重點工程，以北京市建筑結構長城杯金獎、北京市建筑長城杯金獎為目標。對于項目的技術含量、建設質量和建設周期都提出了相當嚴格的標準及要求。結合項目特點，世園會生活體驗館項目工程難點體現在以下幾個方面：

(1)難協調。園區內劃分有多個標段，均由不同設計單位與施工單位的不同項目團隊同時建設，致使施工影響因素眾多，園區整體協調工作難度加大。

(2)難管理。作為生活體驗館項目總包，下管多家分包單位，管理難度較大。

(3)施工難。生活館項目由分散式建筑群組成，場地面積雖大，但能夠提供施工作業的面積卻非常有限，并且場地內保留了若干棵旱柳樹，需要在此條件下進行施工作業，因此施工組織及場地布置設計尤為重要。

(4)品質高。生活體驗館設計復雜多變，采用多種新材料、新工藝，為呈現出最佳的效果，同時完成多項北京市及全國創杯工作，保證施工的品質對項目團隊而言極具挑戰性。

(5)工期緊。延慶夏秋多雨，冬季寒冷，雨施和冬施時間長；并且根據場地景觀綠化的設計要求安排種植時間，以保證定期成活。在此條件下，卻只有470天的工期，時間異常緊張。

2 BIM應用準備工作

2.1 BIM工作目標

本項目力圖使用BIM技術輔助施工全過程精益化管理，實現建筑在施工階段的進度、成本、質量、安全等的統籌管理[1]。在解決項目施工五大難點的基礎之上，探索利用BIM進行建筑工程上下游對接的可能性——對上，實現設計與施工的高效對接；對下，實現施工與運維的接口通暢[2]。

2.2 “1+BIM +”團隊構成

本工程采用“1+ BIM+”的模式進行。“1”代表一個BIM專員，負責BIM技術路線制定，團隊人員整合，BIM工作計劃的制定、推進和協調，BIM技術支持等工作[3-5]。在目前還無法完全實現人人BIM的階段，“1”對于項目BIM應用程度和項目人員工作的BIM化程度起到了至關重要的作用。“BIM +”代表項目各部門人員工作的BIM化，也是BIM工作落地的重要因素，未來會由此逐步實現BIM工作模式。本工程的“BIM+”團隊由項目部技術、質監、生產、經營、安全人員和鋼結構、機電、幕墻、屋面四大分包人員共同組成，主要是利用BIM來完成本職工作內容。

2.3 軟硬件選擇

軟件選擇主要考慮項目施工應用的適宜性、信息傳輸的完整性以及上下游對接的可操作性。本工程為公共建筑，規模不大但局部結構形式、建筑裝修和景觀模型包含的必要信息龐雜，根據以上軟件選擇的三個原則，選定從設計到施工階段應用優勢較為突出的Revit作為主要建模軟件，深化設計優勢較為突出的Tekla、Rhino、3Dmax作為專業建模軟件，采用ifc格式進行信息模型傳遞。項目協同工作選用廣聯達BIM 5D平臺，平臺留有IFC標準格式的數據傳輸接口，可保留整合全專業BIM模型，進行后續生產進度、質量安全、物資材料和項目資料的全過程管理[6-8]。

硬件選擇主要根據不同人員的工作職責對電腦需求的不同進行配備。在“1+ BIM+”模式中，BIM專員需進行大部分的BIM數據應用與操作工作，配備配置較高的臺式電腦。其他“BIM+”人員根據工作需要配備能夠滿足部分BIM建模要求的臺式電腦、智能手機和其他BIM延伸應用設備(本工程使用無人機)即可[9-11]。

2.4 BIM實施標準

BIM實施標準是保證BIM順利有效應用的基礎，本工程將《建筑信息模型施工應用標準》GB/T51235-2017作為策劃、實施、交付的主要依據，編制了《2019年中國北京世園會生活體驗館BIM應用策劃書》、《北京世園會生活體驗館BIM工作計劃》、《北京世園會生活體驗館鋼結構BIM實施計劃》、《北京世園會生活體驗館機電設計安裝BIM實施計劃》和《北京世園會生活體驗館幕墻設計安裝BIM實施計劃》，對項目BIM實施目的與目標、工作內容、工作流程及方式、BIM技術應用點與深度、模型質量控制、信息交換與交付等進行明確的規定，保證BIM技術實際落地[1]。

3 BIM建模

BIM模型是BIM應用的基礎，也是技術實施的載體。建模工作的價值不僅在于建筑工程施工階段的應用，還在于上下游的工作對接。主要體現在設計施工圖校核和施工管理應用兩方面。設計施工圖校核工作是通過建立施工圖模型發現問題，并與設計溝通解決，避免設計問題對后續現場施工造成影響或損失；施工管理應用是模型建立完成后的應用，它對BIM模型品質提出了具體的要求，進一步影響建模的方式和精細度。

本工程BIM模型以《建筑信息模型施工應用標準》GB/T51235-2017中BIM模型深度要求為主要標準依據，項目招標文件與設計施工圖為基礎，控制深化設計模型、施工過程模型和竣工驗收模型的質量，施工不同階段模型應達到相應的建模深度(表1)。

項目根據《2019年中國北京世界園藝博覽會生活體驗館施工BIM應用策劃》中BIM實施計劃流程建立全專業BIM模型(圖2)，工作各階段所產生的建筑信息按照各階段模型細度等級要求在建模或更新模型的過程中載入。

表1 施工模型及上游施工圖設計模型細度等級代號

名稱代號形成階段施工圖設計模型LOD300施工圖設計階段深化設計模型LOD350深化設計階段施工過程模型LOD400施工實施階段竣工驗收模型LOD500竣工驗收階段

來源：《建筑信息模型施工應用標準》GB/T51235-2017

圖2 世園會生活體驗館BIM建模與模型應用工作流程

4 模型應用

4.1 BIM綜合應用

BIM模型的施工應用解決施工與設計、施工各專業間的工作協調問題；復雜與疑難技術的交底問題；質量控制問題、生產進度管控以及資料收集、整理與共享的問題[12-13]。

(1)基于BIM模型的設計對接

項目通過建立BIM施工圖模型來審查設計提供的施工圖，將施工圖中的疑點、難點及表達不清晰的節點以可視化虛擬建造的方式呈現，并與設計溝通予以解決(表2)。以此為依據形成圖紙會審書面文件，輔助圖紙會審工作。

(2)利用BIM施工模擬實現可視化交底

為解決項目施工場地狹小和建筑造型結構繁瑣的問題，利用BIM可視化的特點制作施工組織、施工工序模擬視頻和虛擬樣板，輔助提升施工組織合理性和施工技術質量。

表2 BIM施工圖模型審查重要問題匯總

(續表)

在鋼結構吊裝工程中，施工場地有限，土質松軟無支撐點，通過現場踩點后選擇了塔吊停放位置并進行施工模擬(圖3)，模擬吊車進出場與起重安裝方式，確定了將鋼梁改為地上焊接后整體吊裝的方案，并且對鋼結構的安裝工藝(圖4)以及復雜節點的安裝順序進行施工模擬(圖5)，實現可視化交底。

圖3 鋼結構吊裝進出場及汽車吊位置模擬

圖4 鋼結構安裝工藝模擬

圖5 鋼結構復雜節點安裝工序

在機電安裝工程中，1#展館地下一層管線排布密集，經過設計優化后對管線安裝順序進行相應調整。基于現場施工模型、施工計劃、機電安裝相關規范和安裝工藝資料制作安裝工序模擬，實現可視化交底(圖6)。

圖6 機電安裝工藝模擬

(3)利用施工管理平臺實現多部門協同工作

作為總包，項目部負責從基礎到裝飾裝修、園林景觀施工的項目管理工作，并涉及鋼結構、機電、消防、幕墻、裝飾裝修、園林等多家分包單位，因此導致信息交換延遲、遺漏和多專業施工交叉協調組織難等問題。選擇適用的BIM管理平臺軟件為依托實現項目協同管理，提升協同管理工作的效率[14]。

根據項目對信息交換、整合、施工組織協調和竣工交付的需求，本工程選用廣聯達BIM5D平臺，利用模型整合、質量管理、安全管理、生產進度、構建跟蹤、資料云等功能實現項目進度管理、質量安全管理和項目資料與信息管理(表3)[15]。

表3 BIM5D協同管理平臺工作

(4)基于BIM的資料管理

項目信息與資料的管理是項目文件管理的核心，也是項目BIM管理能否實現的最重要的步驟。基于BIM將《建筑工程資料管理規程》DB11/T695-2017中規定的資料內容多維化，以模型為主體載入項目信息，通過分享、應用，使項目施工過程、技術、問題以直觀、完整和便利的方式儲存和共享。使用BIM5D平臺進行資料管理時，將業主方、設計方、施工方等參建方所產生或提供的資料進行統一管理，按照資料出處、資料類型和應用部門來編制資料存儲結構，通過云端管理，實現各部門資料有效共享、精準查看。同時，設置資料權限，保證程項目資料的安全性以及工程項目交付資料的完整性[16]。

4.2 BIM輔助雙曲面弧形屋面系統施工方案選擇與管控

生活體驗館建筑屋面為雙曲面弧形屋面造型。屋面原設計結構形式為基于木模板盤扣架體系的現澆混凝土屋面。由于施工計劃在冬季且2017年底結構必須封頂，冬季施工的混凝土質量很難控制，并且冬施投入較大。為保證施工質量、安全和工期，通過與設計溝通，將原結構方案改為基于鋼筋桁架樓承板體系的現澆混凝土屋面，并利用BIM對兩方案的經濟性進行對比，輔助確定屋面結構方案(表4)。

首先利用BIM輔助完成木模板盤構架體系的經營測算。使用Revit建立木模板體系方案模型后，通過品茗軟件驗證其可行性，方案調整完成后提取工程量，計算出木模板盤扣架體系需投入527.06萬元。之后，以同樣的方式對鋼筋桁架樓承板體系進行經營測算。使用Revit建立樓承板模型，模型方案確定并調整后統計用量，計算出鋼筋桁架樓承板體系需投入319.93萬元，較原方案節省207.13萬元，因此選定鋼筋桁架樓承板屋面作為最終的屋面結構方案。

表4 基于BIM的屋面結構方案經濟性對比

(續表)

為有效控制雙曲面弧形屋面的弧度和屋面瓦鋪設美觀性，團隊將屋面分為鋼筋桁架樓承板、混凝土板、屋面瓦三部分進行控制。

(1)鋼筋桁架樓承板深化

由于雙曲面弧形屋面局部弧度較大，而桁架板自身又具有一定剛度，無法大幅度彎折，因此，利用BIM建模的方式，分析鋼筋桁架樓承板鋪設的關鍵控制點，并在桁架板排版時優化單板的規格(圖7)。

(2)混凝土板質量控制

建筑由14個弧度不同的屋面組成，在設計施工圖中，雙曲面弧形屋面控制點較少，并且控制點未考慮屋面弧度條件，不利于雙曲面弧形屋面進行混凝土澆筑的質量控制。因此，利用BIM建模的方式，重新確定屋面施工的控制點。通過Revit建立屋面模型后，精確排出間隔為1m的標高控制點，再根據不同弧度，選擇最優控制點，生成屋頂施工定位圖(圖8)。并在現場施工時，根據定位圖預留定位插筋對標高進行控制，保證曲面效果。

(3)屋面瓦深化設計

屋頂裝飾面選用灰色陶土瓦鋪設，由于雙曲面弧形屋面造型使屋面瓦的鋪設方式需要反復的研究和嘗試。為便于操作，將Revit模型導入Sketch up進行排布實驗。根據不同的屋面弧度，確定角起排布和邊起排布兩種方案(圖9、圖10)，并進行跳色鋪設排版(圖11)。

圖7 鋼筋桁架樓承板深化

圖8 利用BIM建模選定混凝土板弧形控制點

圖9 屋面瓦角起鋪設方案 圖10 屋面瓦邊起鋪設方案

圖11 屋面瓦邊起鋪設方案

利用模型導出排布圖紙和屋面瓦規格、顏色及用量統計表(表5)。

表5 屋面瓦材料用量統計

5 BIM應用成果總結與分析

BIM是一個系統，它將建筑數字化，以模型的形式表現出來，經過提取有效數據，輔助建筑各個階段的工作應用，提升管理效率，形成可儲存交付的項目成果。

5.1 從BIM模型到信息數據

本工程就實現建筑工程上下游對接和項目施工全過程精益化管理的BIM應用目標，確定在施工中主要應用的BIM模型細度需達到LOD350的標準，隨著施工進度推進，逐漸形成分部工程質量驗收模型，使竣工驗收的必要模型細度達到LOD500的標準。

模型從設計階段進入施工階段并不是所有模型數據都有價值。根據項目施工應用目標——進度、成本、質量、安全統籌管理，提取適用的模型數據(表6)，來完成施工模擬、可視化交底、生產過程管理等工作。

5.2 信息數據下的BIM應用效益分析

每個建筑工程施工的目標都是在保證工程質量安全的前提下追求效益最大化。生活體驗館項目以提高人員工作效率、節省時間、減少窩工返工為主要思路，利用BIM施工信息化管理，通過優化深化設計方案、優化施工技術方案、可視化交底、協同工作等方式提高溝通效率和時間利用率、避免返工造成人員物資的浪費，進而減少資金的投入(表7)。

表6 生活體驗館項目施工階段BIM模型有效數據

表7 生活體驗館項目BIM應用效益

6 總結

BIM常作為技術被提及應用，但BIM更貼切的定位應該是系統。BIM系統運轉的基礎是數據，在儲存大量數據的BIM主干上,施工應用作為其中一束旁支，通過分析施工需求提取有效數據，而應用于具體項目施工過程的具體工作內容又構成了下一級分支，形成施工過程信息，將信息再以數據的形式存儲、共享和交付。

世園會生活體驗館項目通過深挖BIM本質，將BIM應用系統化，施工內容數據化，施工成果信息化。在項目的技術應用、經營把控和管理工作之中融入系統化思維，從系統的角度，分析施工問題，拆分任務，并將BIM應用轉為一種工作模式，通過數據提煉和信息整合，將施工技術可視化、工作流轉協同化、管理工作精益化，進而提升施工管理效率，降低上下游之間的溝通成本。然而項目實際的BIM落地仍存在一些難以解決的問題，而造成這些問題的原因主要是缺少BIM施工應用人才、BIM模式對接與傳輸方式研究、BIM數據庫不完善和軟件適用性差等方面。該如何解決？這是各領域BIMer的共同議題，也是科研單位、建筑企業、軟件廠商以及其他BIM從業者未來深入探索的方向。