VDC/BIM技術在浦東美術館項目的應用實踐

應宇墾 張其林 吳雪潔 周 磊

(1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092； 2.上?；壑ńㄔO顧問有限公司，上海 200092； 3.上海陸家嘴金融貿易區聯合發展有限公司，上海 200120)

引言

2001年，美國斯坦福大學CIFE(Center for Integrated Facility Engineering，設施集成化工程)中心首次提出VDC(Virtual Design and Construction，虛擬設計與施工)理念，隨后其理論研究和實踐應用不斷拓展[1]。VDC理念強調將BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術應用于工程項目，通過可視化的模擬旨在提高建筑工程領域的生產和管理效率。CIFE在北美利用其行業影響力推動了VDC的工程實踐。在國內，相關方面的研究和應用也逐步發展起來，2008年王廣斌在建設工程管理領域引入了VDC/BIM理念，李巖松等[2]以上海天文館項目為例，探索研究了VDC在天文館項目設計階段中的應用。徐海峰[3]利用施工模擬軟件進行全過程虛擬可視化施工模擬，最終建立建筑工程可視化管理平臺，通過工程實踐證明基于VDC的可視化管理平臺可以有效改進和提高項目管理效率。

隨著VDC/BIM技術在工程項目領域的應用和推廣，相關研究也不斷細分。國際智慧建造組織(building SMART International)對BIM的定義分為三個層次，建筑信息模型(Building Information Model)、建筑信息模型應用(Building Information Modeling)、建筑信息管理(Building Information Management)。建筑信息模型是一個工程項目物理特征和功能特征的數字化表達，建筑信息模型應用是指創建和利用項目數據在其全生命周期內進行設計、施工和運營的業務過程。建筑信息管理是指通過使用建筑信息模型內的信息支持項目全生命期信息共享的業務流程組織和控制過程[4]。其中，建筑信息管理的目標即充分融合了VDC理念和BIM技術，提升到結合工程項目管理的視角尋求更大的應用價值。

1 VDC/BIM框架

1.1 VDC/BIM的內涵

VDC相關概念提出后，先后經過幾次演變，根據2007年第五版定義為，VDC是在工程建設過程中通過應用多學科多專業集成化的信息技術模型，來準確反映和控制項目建設的過程，使項目建設目標能最好地實現[5]。VDC是基于集成化的管理思想，借助先進的計算機技術手段在工程建設領域的創造性應用?？鐚W科多專業地融合應用使VDC成為工程項目實現集成化設計和施工的重要管理方法。

行業內越來越多的專業承包商使用VDC/BIM技術對項目進行規劃與設計，該領域學者對VDC的研究逐漸延伸到工程項目的各個環節。斯坦福大學CIFE中心的Martin Fischer教授長期致力于對于VDC的研究，在總結了VDC框架基礎上將組織的概念與虛擬設計團隊的內涵進行了整合[6]。Justin Reginato[7]等研究了設計變更對機電承包商虛擬設計和施工性能的影響。一些學者研究了VDC/BIM在工程項目中的運用，Mikkel Toppel等[8]研究了在BIM全生命周期方法中使用VDC理念探索結構化信息的優勢。

1.2 VDC/BIM的POP模型

VDC利用計算機技術構建的信息技術模型，包括產品(Product)模型、組織(Organization)模型和過程(Process)模型，即POP模型。POP模型中這三個子項之間是通過一定的邏輯關系集成在一起的，一旦改變了其中一個子項，集成模型就需要改變相關聯的其他子項[9]。

CIFE中心基于POP模型提出了一種工程項目管理方法。該方法可以用來指導VDC理念在工程建設領域的實踐應用，其框架如圖1所示。其中，產品(P)、組織(O)和過程(P)是指POP模型中的產品模型、組織模型和過程模型。產品模型(P)指的是組織為完成項目而交付的成果，其成果既可以是工程中間的設計，也可以是最終的建筑產品，可以用傳統圖紙或BIM模型來表達。組織模型(O)指的是為完成建筑產品所配備的團隊成員及其相應職責。過程模型(P)指的是組織為完成建筑產品而經歷的流程，是在施工過程中由施工計劃和施工相關活動所構成的。POP模型的每個子項內容都采用功能、形式、行為三個要素進行表達和分析。該框架反映了以功能需求、形式以及行為預期表示的產品、組織及過程，以此來更好地實現建設項目目標。

圖1 VDC-POP集成框架

在VDC的具體實施過程中，產品、組織和流程三個子項需要工具和軟件的廣泛支持，才能有效應用于設計、施工以及運維等各階段任務。因此，VDC需要開發許多數字化工具和軟件，如產品可視化工具、產品過程模型及其可視化工具、組織過程模型工具以及在線協同工具等。

1.3 VDC/BIM的實施過程

VDC框架的應用分為可視化建模、模型集成化和自動化應用三個不同深度的階段。

(1)可視化建模階段：先創建三維的BIM產品模型，再創建組織模型用于設計、施工和運維各階段，最后創建BIM過程模型進行施工過程追蹤。對產品、組織和流程進行建模和可視化分析，以及對實際項目進行配合與指導。

(2)模型集成化階段：將產品、組織、過程模型進行整合、不同專業之間進行集成，形成集成的POP集成模型。為保證不同模型和不同應用軟件之間數據信息共享的可靠性和交互過程的順利，要使用統一的信息交換標準[10]。

(3)自動化應用階段：以可視化和集成化為基礎，利用自動化的工具方法實現項目的自動化設計、施工模擬等，也可延伸到工廠構建預制的自動化[11]。

2 案例應用

2.1 案例背景

浦東美術館項目位于上海黃浦江畔，緊鄰東方明珠和國際會議中心。該項目于2016年開工，2020年年底竣工交付。建筑占地約13 000m2，總建筑面積為40 590m2，其中地上4層，地下2層，建筑高度約30m。項目內部的建筑空間布局復雜，對凈高控制要求高，裝飾造型復雜、機電管線繁多，項目設計和施工難度很大。另外，項目周邊重要建筑群聚，地面交通和地下管線錯綜復雜，施工環境較差。

浦東美術館項目設計和施工階段全過程采用了VDC/BIM技術，實現項目管理過程中的重難點控制。項目基于VDC/BIM框架的產品模型、組織模型、流程模型三個子項，定義了項目的全過程建筑模型的虛擬應用。本項目在VDC/BIM框架下，通過科學地組織和架構實現了虛擬設計和施工的場景應用，取得較好的效果。

2.2 VDC框架的子項

2.2.1 產品模型

浦東美術館項目的設計團隊運用可視化軟件(如Revit、Navisworks等)根據建筑、結構、機電、幕墻各專業圖紙以及建模標準構建三維產品模型，如圖2所示。

圖2 各專業產品模型

為加快速度，設計團隊和BIM團隊高效配合。在施工圖后期，有效利用BIM建模，直接利用模型導出圖紙，在工作流中形成了局部的BIM半正向化，提高了深化效率，縮短了設計周期。

2.2.2 組織模型

浦東美術館項目由業主方主導，聘請BIM顧問作為項目的總協調方，并要求設計單位、總承包單位、專業分包單位和供應商根據要求組建自身BIM團隊形成BIM應用能力。由BIM顧問制定項目標準與管控措施，統籌和管理整個BIM團隊。圖3為本項目的BIM團隊組織架構。

圖3 項目組織架構圖

2.2.3 流程模型

浦東美術館項目的總體工作流程如圖4所示。業主BIM團隊負責BIM成果應用； BIM顧問團隊負責整個BIM的質量、進度和數據安全的把控管理； 各個參與方BIM團隊依據圖紙和建模標準構建相應的BIM產品模型，解決各階段實施過程中遇到的工程項目問題。

圖4 工作流程圖

在浦東美術館項目的BIM實施中，VDC的三個子項相互作用、形成一體，對于推進和指導浦東美術館項目的BIM應用非常重要。

2.3 設計階段應用

浦東美術館項目在設計過程中以VDC框架為基礎結合BIM技術進行建筑性能模擬和碰撞檢查等，通過可視化的模擬分析，發現設計問題，支持優化設計。

(1)建筑能耗分析。利用Revit+Trace700進行能耗模擬分析，結合冷熱負荷、逐月及全年能耗進行節能設計，通過提高冷熱設備的能效、通風系統和供水系統的變頻控制等節能措施，美術館暖通空調系統的年能耗比參考建筑低6.29%。建筑能耗模擬分析如圖5所示。

圖5 建筑能耗模擬分析圖

(2)日照與人工光源分析。日照與人工光源分析同樣采用產品模型，光學團隊利用BIM軟件進行模擬分析，研究自然光對室內空間的影響，實現人工光與自然光的更好結合，營造更加舒適的展示空間。

(3)碰撞檢查分析

浦東美術館項目的空間結構復雜、機電管線繁多。尤其在設備轉換間的機電管井轉換部分與土建沖突嚴重，屋面設備機房的管線與土建鋼構沖突嚴重。利用建筑、結構及機電的BIM模型進行碰撞檢查，在此基礎上進行討論，有效解決了管線排布優化的問題。圖7所示為機電管綜進行碰撞檢查的結果。

圖7 機電碰撞檢查結果圖

2.4 施工階段應用

(1)施工場地分析

浦東美術館項目的周邊環境復雜，在VDC框架指導下利用BIM技術進行施工場地模擬，為施工決策提供了重要依據。

在這個階段，施工作業BIM產品模型的搭建非常關鍵。土建施工BIM團隊在設計模型的基礎上進行修改，在Navisworks軟件中附加了建造過程、施工順序等信息。在進行施工過程的可視化模擬過程中，幫助項目人員及時發現施工方案中存在的問題，并對方案進行分析和優化，提高方案審核的準確性，實現施工方案的可視化交底，以便更好地指導施工過程，如圖8所示。

(2)大玻璃幕墻安裝模擬分析

浦東美術館面向黃浦江的一側，其外玻璃幕墻采用12m及6m超高雙層“大玻璃”+LED屏系統的特殊設計。玻璃幕墻采用了12m*3m的大規格尺寸，單塊重量達到10t，這給施工安裝及后期更換帶來了巨大挑戰。

幕墻BIM團隊采用了Navisworks軟件進行幕墻大玻璃安裝過程的反復模擬，幫助總包管理團隊和幕墻工程師推敲和尋找施工方案，如圖9所示。通過BIM技術對外玻璃幕墻施工工藝進行預施工、預模擬以及輔助專家評審，最終確定最優的施工方案，順利完成安裝。

圖9 外幕墻超透大玻璃安裝工藝模擬圖

3 結論與展望

在浦東美術館項目中，VDC/BIM框架從數字化頂層設計的高度，指導BIM技術與工程項目進行有機結合。通過案例應用得出，VDC/BIM框架的產品模型、組織模型、流程模型三個POP模型在整個項目的數字化技術應用中是相互耦合的。不同項目參與方構建了不同階段和用途的BIM產品模型，用于錯漏碰缺的設計模型、用于場地模擬的土建施工模型、用于大玻璃安裝的幕墻模擬模型。所有模型在BIM顧問團隊的規劃和管理下流轉，形成了有序高效的工作流程。BIM技術的應用不但輔助解決了項目中遇到的難題，比如室內凈空問題、大玻璃安裝問題，同時也提升了所有團隊的生產和管理效率，這也VDC/BIM在可視化建模應用階段取得的效益。

VDC/BIM框架的應用深度取決于BIM技術在項目的應用能力。目前國內項目，錯漏碰缺核查、施工模擬等可視化建模技術的應用已經取得廣泛的共識； 以信息共享和交互為特征的集成化應用尚在成熟過程中； 在5G技術、人工智能以及大數據等技術的催生下、業內正在積極探索VDC在自動化和智能化階段的更大的應用價值。