BIM技術在被動式建筑施工過程中的應用

(中建八局第二建設有限公司，濟南 250014)

引言

被動式建筑是建筑利用自身的空間形態、結構形式、建筑材料與構造的設計來達到低能耗的環保型建筑。相比普通建筑，被動式建筑不用依賴太多外部能源就可以達到良好運轉的效果。

BIM(Building Information Modeling)技術是2002年以來全球范圍內在建筑行業、信息行業及軟件研發等領域迅速發展起來的一項新技術。

近年來，隨著BIM技術的快速發展，在工期優化、成本優化、管理提升、質量管控等方面已成熟運用于工程建設全過程，并總結出了BIM技術在項目施工中的工作模式及流程。但BIM技術在特殊要求繁多的被動式建筑中，針對性應用較少，缺少系統性的成果總結。

本文以山東省委黨校新校區建設項目二期工程為載體，對比被動式建筑與常規建筑施工區別，分析被動式建筑施工技術重難點，探索BIM技術在被動式建筑工程施工過程中的應用方向。

1 工程概況

本項目位于山東省濟南市，建筑面積5.47萬m2，主要包括綜合培訓樓、車庫、餐廳等。其中綜合培訓樓地下1層，地上12層，被列入國家和山東省被動式超低能耗綠色建筑示范工程。建成后，將成為我國目前面積最大、結構最復雜、功能最全的被動式超低能耗綠色節能公共建筑。

較傳統施工相比，被動式建筑外窗外掛施工、屋面干法施工、增加透氣膜和防水膜以提高建筑整體氣密性等新技術的應用，使外墻保溫、屋面等節點施工復雜。

2 項目策劃階段BIM技術應用

2.1 實景建模

利用無人機傾斜攝影測量可獲取選址區域多角度的高分辨率影像，生成實景三維模型。實施過程中，便于我們從宏觀和微觀兩個方面對選址地點進行視察，可以通過影像數據視察選址地周邊的每一個細節，使建設項目與周邊環境的關系更加清晰，對項目的選址提供了有效輔助。

與傳統攝影測量相比，節省80%的時間，測繪精度達到厘米級；通過與實際測量相比，準確度達到97%。

2.2 場地布置優化

利用BIM技術建立三維場地模型，進行有效的模擬驗證，預先發現方案中的問題，并協調相關單位進行調整，確保施工的順利進行。

本工程位于山坡之上，場地狹窄，在進場之前，充分利用BIM技術對施工場地進行布置策劃，合理規劃臨建、塔吊、材料堆場、加工廠等位置。

通過與相關單位的溝通協調，先后對施工場地經過三次優化，減少了土方開挖平整量，充分利用有效空間。

項目策劃完成后，對場地進行綠化及渲染，為項目實現“花園式”建筑工地提供有力支撐。通過BIM全面地場地策劃，確保了土地利用最大化，最大程度避免了二次搬運的發生； 可直接出具計劃投入量，讓投入更合理，實現了最小的投入、最大的產出。

通過BIM軟件對場布模型進行二次設計，對生活區所有設施及宣傳欄進行美化，導出美化效果，交付廣告公司直接生產，現場工人參照效果直接安裝施工。

2.3 圖紙會審

通過BIM模型，對圖紙進行直觀反饋，提前發現圖紙問題并提出圖紙疑問，邀請設計院等相關單位召開圖紙會審會議、及時解決問題。

被動式建筑復雜節點多、涉及專業廣，各專業易發生沖突，造成返工和工期延誤， 提前創建BIM模型，在每個專業的建模過程中，共發現157條錯、漏、碰、缺等問題，通過對工程圖紙的輔助會審，與傳統的工程圖紙會審相比，工程圖紙所存在的問題清晰可見，節省了35%的時間。

2.4 分析模擬

(1)道路車輛行駛模擬

項目現場場地狹小，通過Vehicle Tracking軟件設定車輛的幾何尺寸及最小轉彎半徑，模擬車輛行駛路徑，合理安排道路兩側構筑物，在保證車輛正常通行的前提下規劃出最優路線。

(2)臨建光照分析

BIM前期策劃做出臨建方案以后，進行自然和人工光照分析，通過調整模型做出方案比選，最終選擇最優方案。通過光照分析，為辦公和住宿提供最舒適環境，以提高工人的工作效率及幸福指數。

(3)安全疏散模擬

基于BIM模型運用Pathfinder軟件，以餐廳為例，對人員安全疏散全過程進行仿真模擬， 當人數達到200人時，餐廳右側出口門寬度不能滿足要求，通過優化建議后，設計單位對該位置進行了加寬變更。

圖4 餐廳整體疏散模擬

3 深化設計BIM技術應用

3.1 土建深化設計

(1)模板腳手架深化設計

利用BIM軟件對模架進行參數化精細建模，輔助確定模架施工方案，從而對模架施工進行精細化管理，解決模架在設計施工中存在的前期設計不深入、算量難度大、外架復雜節點設計難等問題。

本工程高支模區域較多，通過品茗模架設計軟件對優化后的模架生成工字鋼平面布置圖、立桿平面布置圖、剖面圖、節點大樣圖等，可快速對于不同搭設方案進行最優化的選擇，并有效輔助高支模方案編制； 通過三維模型生成“高支模匯總表”和“材料統計表”輔助計算模架用量； 采用三維模型，實現施工方案可視化，使專家評審更直觀、快捷。

(2)疊合板深化設計

綜合培訓樓標準層以上為裝配式樓層，在裝配式樓層施工前，利用BIM軟件進行構件拆分，再對拆分后的構件進行鋼筋排布。疊合板深化設計增加管道預留孔及預埋線盒，避免預制板安裝后二次拆改。深化過程中在軟件中設置構件編號，直接輸出施工圖紙與構件明細表。同時生成構件信息二維碼，工人現場掃描二維碼即可獲得構件信息以及安裝施工要求。

圖5 疊合板深化設計

(3)二次結構深化

針對二次結構在設計施工中圖紙描述不清晰以及前期設計不深入等問題，利用BIM模型完成二次結構的優化組合方案、進行施工交底、計算砌體實際用量。

通過Revit軟件建立二次結構模型，更直觀地了解設計意圖，解決圖紙描述不清晰的問題。并利用族構件進行墻體排磚以及構造柱的排布，生成CAD二維圖紙、砌體用量明細表、三維模型，選擇最優方案，做到精細化管理，控制成本。通過砌體排布，樓層砌體材料用量準確率達到95%，減少了材料用量及清理轉移用工量。

與傳統的CAD二次結構深化相比，采用BIM技術工作效率高、準確率高、施工交底更直觀。

圖6 砌體排布

3.2 鋼結構、鋼筋深化

(1)鋼結構深化設計

利用Tekla軟件建模提前發現鋼桁架轉換層，斜鋼梁與水平鋼梁鋼筋過大、過密，導致鋼筋沖突、鋼筋密度大、綁扎與混凝土澆筑困難，利用模型與甲方、設計院及時溝通，提前制定解決方案，通過交界處做加腋處理，避免了工期延誤。

在鋼結構深化設計過程中，導出的施工圖及構件加工圖，有效減小了現場拼裝的誤差，準確指導現場施工。

圖7 鋼結構節點深化模型

圖8 鋼結構節點實施效果

(2)鋼筋深化

利用廣聯達BIM算量軟件對鋼筋進行優化，控制接頭數量，短料再次利用，逐層建立鋼筋模型，并生成下料清單，與廠家定制相應尺寸直條鋼筋，最大限度地減少鋼筋原材的浪費，通過運用BIM指導項目節約鋼筋約90 t。

圖9 廣聯達BIM算量平臺

3.3 被動式節點設計

(1)被動式屋面節點設計

被動式屋面工序繁瑣，利用BIM對該節點進行1： 1繪制、指導，并對雙層保溫、防火隔離帶進行排版，確定分水線、排水溝、落水口精準標高，以精細化深化設計保證被動式屋面成品效果。

圖10 屋面深化模型與樣板

(2)屋面變形縫節點設計

被動式建筑屋面對變形縫要求較為嚴格，傳統變形縫做法無法滿足被動式能耗要求，利用BIM技術深化變形縫做法，滿足能耗要求的前提下，便于技術質量交底，確保成品質量。

圖11 屋面變形縫深化模型

(3)防冷橋節點設計

用防腐木將墻體與安裝件進行隔斷，有效地阻斷墻體與安裝件之間的熱量傳導，極大限度地減少了戶內熱量的損失。

圖12 防冷橋節點設計

(4)被動窗節點設計

被動窗的安裝節點比較復雜，安裝難度較大，在現場施工開始前，創建精細化節點模型，指導現場施工。

圖13 被動窗節點設計

3.4 機電安裝深化設計

(1)管綜優化

機電模型與結構、建筑模型整合，碰撞檢測，共發現碰撞點786處，針對碰撞報告進行管線優化，經過粗略調整進而縮減到355處，再進行精細調整，消除碰撞。

圖14 整合模型

利用Revit對管道布置方案進行了三維演示，并進行了碰撞檢測。根據業主要求篩選出最優方案，在滿足業主需求的前提下，消除管道碰撞，降低施工難度，保證工程按時竣工。

圖15 管道優化排布

(2)凈高優化

通過對管線布局的優化，最大化提升凈空高度，以一層為例，將風機盤管移動至梁窩內，管線可以整體上移360 mm，使凈高由原設計4.20 m達到4.56 m。

圖16 凈高優化

(3)支吊架設計

利用BIM技術建立構件模型，滿足現場施工要求，形成構件信息表，指導生產廠家進行加工和生產。

圖17 支吊架設計

(4)裝配式機房

施工技術員及BIM深化設計人員根據設計圖紙及現場的實際情況，借助模型可視化展示技術，與現場安裝負責人、施工員一起討論裝配式機房實施方案，發現問題并及時修改方案； 通過設計與施工深度相結合，對各機房、泵房的設備及管道系統進行優化排布。

圖18 機房模型

(5)標注出圖

管線二次綜合布置采用BIM技術，并提前優化碰撞沖突，避免不必要的返工。根據公司出圖標準及項目實際需求，完成機電各專業出圖，利用深化圖紙指導現場施工。

圖19 標注出圖

4 智慧工地建設

4.1 BIM+VR/AR

利用VR技術進行模型展示、可視化交底、安全教育等。運用AR技術顛覆傳統建筑圖紙的使用方式，通過手機等移動設備掃描圖紙即可得到三維建筑模型，使普通的建筑工人快速看懂圖紙，極大地提高了施工圖讀取效率和準確率，有效推動建筑圖紙走向智能時代。

4.2 項目管理BIM云平臺

公司以自主研發Dbword軟件為BIM數據管控平臺，建立跨地域、跨部門、跨團隊、基于互聯網的協同工作空間，實現企業的無紙化、移動化辦公，以DBword為平臺實現模型的輕量化，以電腦端手機端為依托，實現模型的瀏覽查看。

圖20 BIM+AR

圖21 Dbword管理平臺

4.3 智能應用

(1)雨水回收

根據BIM模型、三維場部模型，結合現場實際情況，按照公司雨水、冷凝水循環利用標準，建立雨水冷凝水收集系統，用于洗車、綠化和降塵。

雨水回收及屋面降溫智能控制系統將收集的雨水經過凈化處理，對現場板房屋頂進行智能噴水降溫，既能有效地降低屋內溫度又可以達到節約水資源的目的。

圖22 屋面降溫

(2)智能監控

根據BIM現場平面規劃，合理布置太陽能路燈、噴淋設備，使用綠色能源進行照明，安裝智能化新型噴霧系統、智能物聯監控系統。

圖23 智能物聯監控系統

(3)智能監測

1)通過BIM模型模擬安裝，輔助智慧工地新型卸料平臺智能監測系統施工；

2)載物重量自動實時監測，增加傳統卸料平臺的超載保護功能；

3)語音與燈光報警功能，給施工作業人員預警報警，避免因超載而引起的坍塌事故；

4)遠程監控平臺記錄、查詢、分析卸料平臺進出料記錄，從而針對性地加強安全教育與培訓。

圖24 BIM模型模擬安裝硬件

4.4 疫情防控策劃

在疫情期間迅速搭建防疫相關模型與相應位置，并依據模型積極有序地開展疫情防控工作，通過人臉識別測溫設備以及積極地消毒、宣傳等措施，保證作業人員的安全。

圖25 防疫相關BIM模型

5 效益分析

(1)項目管理應用BIM技術，提高了項目規劃的可行性，避免了不必要的返工和二次處理，通過施工模擬和方案交底對施工組織設計和專項施工方案提出了20條優化建議，有效地減少了項目施工時間65天；

(2)利用BIM技術進行預先建模設計，嚴格控制工程造價，通過管道綜合和碰撞檢測提供364條優化建議，提前發現設計問題和繪圖錯誤，避免施工返工，減少材料損失，節約工程成本約34萬元；

(3)利用BIM技術針對各專業復雜節點進行深化設計并進行可視化溝通，縮短了溝通時間，減少了溝通成本，減少了因人員變更帶來的風險，減少專項交底會議39場，大幅提高溝通效率；

(4)基于BIM的信息云平臺，協調各參與方和信息共享，實現對現場施工的管理改進和實時控制，從而協調和組織資源； 運用BIM動態管理技術，協調各專業分包工作面管理，提高總包單位的協調組織水平；

(5)利用BIM技術提前溝通解決圖紙問題，通過節點設計優化施工工藝，模擬施工工序，有效提升了工程整體品質。

6 結語

通過BIM指導現場綠色、智慧科技化施工，確立了打造“花園式工地、智慧工地”的安全文明管理目標，多次接受新華網、大眾網、濟南廣播電視臺等多家新聞媒體的采訪報道，并獲得了濟南市住建局領導的高度肯定，為全市“打造花園式工地、創造安全文明工地”營造了良好氛圍。

通過BIM指導被動式建筑高質量建造效果顯著，目前項目已順利通過“山東省建筑工程優質結構”，省市領導多次到現場觀摩調研，對項目的BIM應用給予了充分的肯定與贊賞。