基于BIM5D的建筑施工技術優化及工程管控

張丁丁 李 向

（中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

在全球經濟水平不斷提高的勢態下，我國現代化城鎮建設步伐逐漸加快，建筑行業在我國國民經濟中的地位變得越來越重要，迎來了許多新的發展機遇。進入2010 年以來我國建筑行業一直保持著穩健的發展趨勢，生產總值占國內生產總值的10%以上，并且每年的創造均值都在逐年上升，在整個國民經濟的增長中充當著必不可少的重要角色[1]。但近些年來我國建筑工程項目出現的事故越來越多，生產方式仍以傳統作業為主，高成本、低效率和落后的管理模式都間接地影響著整個建筑工程的施工效果，說明傳統建筑業已經無法滿足當下的經濟發展需求，必須改變傳統的建造方式，優化施工技術，對整個建筑工程進行合理管控，以實現高質量低污染的目標。目前不少學者對工程管控方法進行了研究，例如，馬聰聰建立了一個T-C-Q 綜合優化數學模型，并利用改進遺傳算法對工程項目進行多目標綜合優化[2]；鄧子龍等人分析了多目標粒子群算法在工程項目風險管控中的應用，以風險控制成本最小和風險損失最小為目標函數構建了多目標優化模型，從而完成工程風險管控[3]。但以上方法在進行建筑工程管控過程中會出現建筑施工資源價格分析不準確的現象，需要對其進行改進。

BIM 技術可以貫通建筑施工的整體，實現信息共享，為整個建筑施工行業帶來了巨大的轉變。目前國內外已經有無數的成功案例，認可了其技術的應用價值，能夠有效解決施工難度大的問題，減小建筑成本，創造可觀的效益。在這一技術中最重要的就是3D 模型的建立，由于BIM 是一個多維度模型，BIM3D 和BIM4D 技術側重于對建筑的結構及其施工的可行性進行研究，忽略了建筑施工的最終成本，根據調查顯示，工業化建筑施工的平均成本比現場澆筑每平方米要高出200～500 元。因此為了更好地在建筑施工中更好地利用BIM 技術，在閱讀大量文獻和論文的基礎上，了解當前國內BIM 技術在建筑工業施工應用的現狀，分析其技術特點和原理，在BIM 技術下構建5D 模型，優化支護結構，多層次法確定工程評價指標，動態施工跟蹤施工質量安全，完成建筑施工的技術優化和工程管控，最后通過實驗驗證該文所述方法的效果，以期控制工業化建筑成本，減少建筑工程成本預算。

1 基于BIM5D 的建筑施工技術優化和工程管控方法

1.1 BIM 技術構建5D 模型

5D 建筑信息模型是在4D 的基礎上加入了成本維度，將原有的模型和成本要素相結合，能夠快速地了解整個建筑工程中每個構建的成本價，甚至是某個時間段內的項目成本，最大限度地避免出現超出預算的情況。在構建模型前需要選擇一個BIM 軟件，此次運用多種軟件來構建5D建筑信息模型，先對工程內建筑構件的幾何屬性長寬高進行選擇，其次選擇構件結構特征以及建筑材料的物理屬性。以Revit 作為核心建模軟件， NaVisworks 作為進度查詢軟件，魯班作為造價軟件，完成建模的準備工作。選擇好BIM 軟件之后，構建5D 建筑信息模型，分為模型初建、檢查和深化3 步完成建立。將CAD 圖紙導入進BIM 軟件之后，根據建筑構件的參數進行設置，此時可得到一個初步的BIM 模型。其次對構建好的模型的做全方位的檢查，找到不合理之處：第一步，要求初步形成的模型在交付前建筑工期的各個參與方做協同檢查，針對原圖紙中和施工方向做優化處理，將沒有出現或者出錯的地方進行標記，進行統一修改，保證圖紙設計效果。第二步，在NaviSworks軟件等的幫助下對模型內部構件做碰撞檢查，檢查模型是否存在空間上的邏輯錯誤，找到各線路之間是否存在結構矛盾，線路和梁、梁和梁之間是否存在相碰現象[4]。第三步，對建筑構件做高度排查，建筑內部構件的凈高度是否滿足模型運行標準。最后在所有項目檢查完畢后，對初步模型的性能進行分析，將所有錯誤進行優化，分析目前的采光、通風和抗震與節能功效，如果能夠滿足合同要求，即可以將模型進行深化設計，使其能夠滿足后期施工的各種工作。

1.2 優化支護結構

在模型建立好后，利用族構件庫的族群建立和建筑施工相關的建筑族，包含樁和錨索等。根據建筑所在處的地質，在建筑模型中將所有的預制構件對應的放置區域進行重新定義，將所屬空間內的構件指定給某個分區，利用空間構件來優化建筑施工中所需的支護結構。對圈定的建筑構件所在的區域相關信息進行維護，按照熱負荷和冷負荷設置不同的參數值，在空間的構件按照指定順序排列后，根據負荷值大小的變化確定負荷類型[5]。在構建的負荷類型確定完畢后對各層的三維模型進行目測，檢查構件管線和梁柱之間位置關系，對標高不能達到吊頂要求的梁柱，重新優化設計。在模型所處的空間內完成冷熱負荷分析，確定建筑施工所需構件的能量需求，在優化過程中對所在區域留出固定空白位置，計算空洞和墻槽的體積，完善設計圖紙。

1.3 多層次法確定工程評價指標

為了在施工過程中更好地觀測施工進度和效果，需要對建筑工程的各個項目進行指標設定，正確的評價指標能夠更好地對施工工程進行把控[6]。為了尋找到正確的評價指標，該文在指標設定前運用層次分析法針對工程施工的要素進行分類，分配好指標體系的權重值，為了使評價的效率和結果更加準確，在施工整體分工的4 個部分，完成初步一級指標設定。根據選定好的一級指標分化出相對應的二級指標，按照一配三的原則，初步形成12 個二級指標。初步評價指標涵蓋內容如下表1 所示。

表1 初步評價指標涵蓋內容

按照表1 中所示的初步評價指標，通過設計表邀請建筑行業的6 位專家對指標進行打分，從而確定每個級別指標的權重，根據層次分析法對每個專家的分值進行統計，分析每個指標的相對重要程度，按照最低分1 分，最高分10 分為標準，從一般重要到非常重要的程度，讓專家以匿名打分的方式對指標進行排序，根據指標權重計算公式，將指標評分按照較差、中等、良好和優秀分級，將定性指標轉化為定量指標，至此完成指標設計。

1.4 動態施工跟蹤施工質量安全

通過建立好的5D 模型將建筑施工階段，按照流水段進行劃分，并和所建模型進行關聯，對流水段內對應的工程量進行自動化信息提取，布置好施工計劃[7]。根據技術部門制定的施工進度計劃，然后再把總進度的施工計劃進行分解，結合所有施工部門規劃的分屬計劃，把總進度的計劃進行編制。為了確保各施工項目單位能夠將施工進度控制在一定范圍內，在計劃實施前需要將構建的模型同各施工單位進行2～3 次的模擬運行，從而讓不同施工單位的項目負責部門在施工中有清晰的施工邏輯，將部門按照施工的前后順序安排好，一旦某個部門的進度計劃發生改變，需要讓不影響該部門工作的平行進度小組代替，防止整體施工進度發生變化。在BIM5D 模型中進行動態施工的跟蹤管理模塊設定，綜合整理整體項目的信息，將施工過程以可視化形象全方位進行展示，使建筑施工工程的負責人能夠每天實時查看當日施工情況，在施工進展中隨時調整數據，控制整體施工質量，完成施工進度跟蹤計劃[8]。

2 實驗測試與分析

2.1 實驗準備

為了驗證在BIM5D 基礎上優化的施工技術能夠較好地應用在建筑施工工程中，選擇建筑工業化的下部結構基坑作為實驗對象。選擇某市基坑工程，其占地面積約為8600m2，周邊長度約1400m，挖掘深度在7m～20m，地面標高3.2m，承臺間距為10m。根據土壤特性和建筑結構，將基坑劃分為3 個部分：第一部分有6 個區，分別是A 區、B 區、C 區、D區、E 區、F 區，采用樁直徑為1200mm 雙排柱支護；第二部分包括G 區和I 區，用樁直徑為1000mm 灌注樁，一排預應力錨索；第三部分只包含P 區，采用樁直徑為800mm 灌注樁，兩排的預應力錨索，支護樁外圍再設置一排樁直徑為800mm 的攪拌樁，基坑平面圖如圖1 所示。

如圖1 所示基坑中含有2 個坑中坑和3 個核心筒。第一個坑中坑是蓄水池，以周長486m，深 7.4m，灌注樁加鋼筋混凝土支撐設計。第二個坑中坑是負二層通道，以深 5.6m，周長245m，雙排 PHC 管樁支護設計。另外3 個核心筒采用新型鋼板樁為支護結構，以60a槽鋼作為鋼圍檁焊接三腳架，加上壁厚為12mm 的301 鋼管作為內支撐。以BIM5D 技術在該基坑項目中的應用流程將整體施工劃分為3 個模塊，如圖2 所示。

圖1 基坑平面圖

圖2 BIM5D 實施流程

由圖1 可知，BIM5D 實施流程主要分為施工前準備階段、建模階段以及施工階段。對于施工前準備階段而言，在該階段需要進行工程預算、計劃進度以及成本計劃的安排分析，為接下來的工作奠定基礎。在完成以上步驟后，就進入建模階段，在建模階段需要完成場地布置以及碰撞檢查2 個步驟；最后進行施工階段的5D 模擬，主要包括施工模擬、質量跟蹤、資源控制、工程計算以及成本統計。在設定好以上實施流程后，對該模型涉及的樁、立柱和錨索等多種特殊族完成自建設定。該工程的基坑支護結構為泥漿護壁成孔灌注樁，由于其鉆孔施工過程中受不同土質層影響，會出現孔洞和塌孔現象，使得樁徑局部增大，導致混凝土實際用量高于計劃用量，增加預算成本，因此為了提高混凝土預算的精準度，根據泥漿護壁鉆孔灌注樁的充盈系數，對常見建筑工程土質進行分類，由此增加樁的半徑長度。在施工現場完成5D 模型的建立，將工程進度計劃和項目清單加以整合。

2.2 實驗結果

將建立好的5D 模型通過NaVisworks 軟件進行檢查，利用模型的可視化功能，將各部件及節點的連接情況進行碰撞檢查，共發現45 處碰撞點，將檢測出的碰撞點進行修復，如圖3 所示。

如圖3 所示最終發現B 區的水平支撐梁與冠梁連接不充分，按照調整冠梁的標高方法增加此處的整體性，避免返工 。在完成各基坑部件的碰撞檢查后，對比中標清單和實際所用資源，分析建筑工程的材料預算，部分資源對比結果如下表2 所示。

圖3 模型碰撞檢查

表2 建筑施工資源價格對比

由表2 中數據可知，利用BIM5D 技術在建筑工程的整體施工中，能夠對所需材料和結構進行多維度的檢查和優化，及時對合同價格和預算價格進行對比，發現成本控制不合理的地方，及時作出調整，降低整體施工成本，完成整體建筑施工工程管控。

為了深入驗證設計方法的效果，將設計方法與文獻[2]、文獻[3]方法進行對比，得出建筑施工資源價格效率對比結果如圖4 所示。

由圖4 可知，與文獻[2]、文獻[3]方法相比，該文方法可以在保證整體建筑施工工程管控效果的基礎上以較高的效率進行資源價格分析，效率總體在95%以上，而文獻[2]、文獻[3]方法的最高效率分別為85%、79%，有效說明了該文方法的效果。證明該文方法可以為工程進行調整留出充足的準備時間，從而保證整體建筑施工工程管控的效率。

圖4 建筑施工資源價格效率對比結果

綜上所述，采用該文方法不僅可以對資源價格進行準確對比，而且還可以保證對比效率，保證建筑工程的成本預算控制在合理范圍內，充分驗證了該文方法的有效性。

3 結語

為有效進行建筑工程的成本預算，減少成本消耗，從而完成整體建筑施工工程管控，該文通過對BIM 技術和建筑施工全過程的研究，結合5D 信息化手段，總結了一套新的建筑施工技術和工程管控方法，并在實際建筑工程施工案例中，將新模式運用在其中進行模擬，不難發現新模式的可行性，能夠有效控制整體建筑施工成本。但由于時間和精力的限制，建筑施工階段的技術和管控模式的多樣性，在該研究中不能全部涉及，只對施工方法做了總結，沒有對一些構件的連接點進行分析研究，完成的內容仍有不足。在后續的研究中，要利用好BIM 技術全周期的特點，對整個建筑生命周期展開研究，實現真正的信息化管理。