BIM技術在土木工程施工領域的應用分析

張志敏，肖燕武

（廣州城市職業學院，廣東 廣州 510405）

0 引言

建筑信息模型（簡稱BIM）是一個建筑全生命周期各種信息、數據的集合，是一種新興數據化工具，目前在建筑學、工程學、土木工程等領域得到了廣泛應用。BIM技術以信息技術為支撐，在土木工程活動中發揮著可視化、模擬性、協調性等作用，將圖紙變為三維模型，實現施工過程的模擬分析，可有效節約時間、資源成本，提高施工效率、質量，本文就BIM技術在土木工程施工領域的應用展開具體分析。

1 BIM定義及其在我國發展現狀

1.1 BIM定義

BIM，即為“Building Information Modeling（建筑信息模型）”，此概念可追溯至1974年，原卡內基梅隆大學Chuck Eastman提出了“Building Description System（建筑描述系統）”這一理念，但是受到當時技術水平的限制，此理念未能夠真正實現。隨著現代信息技術的不斷發展，1982年Graphisoft公司提出了“VBM（Virtual Building Model，虛擬建筑模型）”理念，并于1984年推出了首款建筑專業的三維設計軟件Archi CAD。直至2002年，Autodesk發布了一份名為“建筑信息模型”的白皮書，“Building Information Modeling（BIM）”這一術語得到了廣泛應用。

2010年開始，國際上各大著名建筑軟件公司開始大力推廣各自的BIM軟件，包括Autodesk、Bentley、Graphisoft等，至此BIM技術開始大規模應用。在2007年第一版美國國家BIM標準（NBIMS）中，BIM定義分為三層：①一個建設項目物理、功能特性的數字化表達的；②一個共享的知識資源；③不同相關方通過BIM插入、提取、更新、修改信息，支持和反映各自職責的協同作業。BIM技術最初的提出，是為了實現各專業的數據互通，切實解決信息孤島問題，目前隨著數據共享需求的不斷增大，2015年第三版本NBIMS新增了相關內容，包括6項信息交換內容、11項參考標準介紹等。

1.2 BIM在我國發展現狀

現階段，我國土木工程領域中，BIM技術已經得到了廣泛的應用，包括幾何信息、建筑信息等方面，前者諸如三維建模、虛擬仿真、碰撞檢查等，后者為多方數據集成、管理與應用，提高數據交互效率。基于此背景下，有條件的企業均開始BIM技術的應用研究，建立基于BIM的項目管理信息系統。對于各大施工企業而言，通過BIM技術的研究與投入應用，可提高項目綜合效益，如：減少工程變更、優化施工方案，實現復雜施工節點的三維技術交底與實時項目成本動態控制，增強企業自身競爭力。目前BIM技術在我國的應用主要包括三大模式，分別為全外包模式（圖1）、混合模式（圖2）、全自建模式（圖3），滿足了不同企業發展情況，為推進BIM技術提供了多種思路。

圖1 全外包模式

圖2 混合模式

圖3 全自建模式

1.3 BIM技術應用的硬件、軟件條件

值得注意的是，BIM技術的硬件、軟件條件直接影響和制約其應用和發展，在土木工程實踐中還需進一步完善BIM硬件、軟件。

硬件配置需在保證BIM技術正常使用基礎上，合理控制實際投資，包括：服務器（如：BIM中心關口服務器、Revit server服務器、項目部數據庫服務器、文件管理服務器、Web服務器、BIM中心文件服務器以及數據網關服務器）；NAS存儲設備；供電設施（如UPS）；圖形工作站等的選擇和布局。

在BIM軟件配置方面，表1列出了可參考的幾類BIM軟件。

表1 BIM軟件類型

2 BIM技術特征及其在土木工程施工中的應用要點

2.1 BIM技術特征

隨著現代土木工程的發展，信息化、智能化、精細化是一個重要方向，BIM技術憑借著自身的可視化、協調性以及模擬性等諸多特征，獲得了廣泛的應用。基于BIM技術在土木工程施工中的應用，可有效破解土木工程施工進步與轉型痛點，提高工程整體施工水平，獲得更佳的綜合效益。

針對土木工程施工階段任務需求，BIM技術特征主要體現如下：

（1）BIM提供了一個富含工程信息的數據庫，可真實提供工程量計算所需物理、空間信息，由此實現各個構件快速統計分析，有效避免人工煩瑣的計算操作與潛在錯誤，提高工作效率與準確性。

（2）BIM實現了項目虛擬場景漫游，由此完成施工組織方案論證、現場環境模擬分析與施工重要環節可視化分析等，有利于實現工程質量的可靠控制。

（3）BIM涵蓋了建筑物圖形、非圖形屬性，可提供虛擬現場模型，以此為平臺可整合發展為帶有時間屬性的4D、成本屬性的5D模型，及時解決施工中存在的各類問題，實現土木工程施工進度、成本管理。

（4）BIM提供了土木工程施工中所需的各項資源信息，為各參與方的協作奠定了重要基礎，有利于資源調配管理，最大限度減少庫存，也減少不必要的等待，全面提高施工效率。

（5）BIM實現了危險空間區域劃分，土木工程施工前可做好相應的施工部署，確保施工有序開展、工作人員生命安全；同時，可利用BIM技術制定、優化相關應急預案，如安全出入口設置、機械設備運輸路線與救護路線等。

此外，基于BIM技術在土木工程領域的廣泛應用，各大施工企業已經開始自主組建BIM團隊，設置BIM技術實施流程（圖4），由于BIM技術的設備、軟件、學習培訓需要一定的成本，因此企業必須具有足夠的經濟基礎，同時BIM技術水平的提高也有利于增強自身的施工管理自信。

圖4 BIM技術實施流程

2.2 BIM技術應用要點

基于BIM技術在土木工程施工中的應用價值，下文主要就以下幾個關鍵點展開分析：

2.2.1 土木工程模型構建

土木工程施工領域中，通過BIM技術可進行三維幾何建模，并創建各專業模型，包括主體結構、機電設備、內外裝飾工程等，為后續分析提供可靠基礎。土木工程模型并非是單純的三維模型，還存儲大量的數據，包括非構件對象與構件的相關信息，由此形成與實際設計意圖一致的建筑工程信息庫。

BIM模型建立流程如下：①劃分模型工作集：通過各專業模型工作集的劃分，為數據協同處理提供了可靠基礎，不同工作集以不同顏色標注，具體劃分標準如表2所示；②模型文件命名：通過清晰的文件命名幫助企業更好地運用BIM模型，如：項目簡稱—1區—施工階段—墻—建筑—砌體—1層—14版—修1；③模型精度：根據美國建筑師學會定義的5個級別，模型精度有LOD100（概念）、LOD200（粗模）、LOD300（精模）、LOD400（加工制造，預制及預安裝深度模型）、LOD500（建成竣工，運維深度模型）；④模型更新：為確保BIM模型信息數據的準確有效性，需做好模型更新與維護工作，出具設計變更或是通過其他形式需修改信息的，必須在5d內更新模型；對于發生重大修改的，必須立即更新模型。正常情況下，模型至少60d更新一次。

表2 模型工作集劃分標準

基于BIM土木工程模型，實現了設計方案更為直觀的展現，包括項目基本形狀、空間分布，且模型可任意放大、縮小，實時調整各個部件數量、尺寸、材料，剖析施工中的重點、難點，并引導裝飾、安裝等構件布置。如圖5所示為某建筑施工階段模型圖，此模型中明確展示了施工中所需的各種材料類型，如鋼架結構、玻璃、外墻涂料，通過不同顏色直觀展示，可根據BIM模型明確材料、施工設備的采購與應用，有效避免施工材料的浪費，同時保質保量的完成工程建設，確保項目在規定工期內完工。

圖5 某建筑施工階段模型

2.2.2 土木工程虛擬施工

基于BIM技術開展土木工程施工作業，可創建虛擬施工圖、動態視頻動畫，模擬實際施工過程，指導并優化實際施工操作。同時，利用Synchro4D施工進度模擬軟件，可對土木工程實際任務、場景中模型進行關聯，鏈接BIM與施工進度計劃，形成可視化的、動態化的虛擬施工視頻，減小各部門信息差，模擬并優化施工進度管理。

在土木工程施工過程中，4DBIM模型可動態展現施工各個過程，檢測各專業碰撞，實現工作結構分解，提前經歷施工過程，有利于調整施工方案，避免后期返工浪費；同時，施工過程中，可提供準確的形象進度、過程計量數據，有利于安排實際施工、梳理復雜工序，達到既定的項目工期目標。

2.2.3 土木工程碰撞檢查

對于BIM技術而言，可視化是基本特征，通過三維可視化功能的充分利用可有效解決二維圖紙的各類不足，實現碰撞檢查與碰撞優化，提前發現各專業、結構之間的沖突，適應復雜土木工程實際施工需求。根據土木工程碰撞檢查情況來看，主要由軟件檢查+人工檢查共同完成實際工作。其中，全專業碰撞檢查時，通過BIM模型分析各專業管線數據信息，檢測管線碰撞；碰撞優化時，根據碰撞檢測報告獲得優化后的管線方案，要求準確表達各專業管線標高變化。

2.2.4 土木工程內部空間查看

以BIM技術為基礎，可為項目各參與方提供信息交流與共享的平臺。基于現代科學技術的發展，VR與BIM技術聯合使用成為可能，其增強了土木工程可視性、具象性，可全面展示建筑物內部構造。如圖6所示，BIM+VR技術可通過漫游、模擬、渲染，實現人物進入建筑物游覽的效果，移步換景，真實展現土木工程內部情況；同時，戴上VR頭盔眼鏡后，施工或管理人員可查看各個構件信息屬性，快速瀏覽土木工程施工信息，實現可視化交底、方案論證，效率和效果顯著提高，有效保證各參與方的協同工作質量。在施工階段，通過現場視頻監控系統與BIM技術的聯合應用，可全面獲取、快速準確的傳遞施工信息，在此基礎上最優安排工作與分配資源，最大限度降低時間與成本浪費。

圖6 基于BIM技術的土木工程內部空間查看

3 實例探析BIM技術在土木工程施工領域的應用情況

3.1 工程概況

本文以某大型工程為例，對BIM技術在土木工程施工領域的應用情況展開分析。此項目體量較大，且土建、結構、機電系統復雜，工程施工過程中涉及諸多參建單位，同時工期較緊，存在較多交叉作業。為保證項目順利實施，經綜合考慮后決定在項目中集成使用BIM技術，并委托專業BIM咨詢方輔助BIM工作管理。

3.2 項目組織結構

本項目參與方包括建設方、BIM管理咨詢方、設計方、施工承包單位、材料和設備供應商等，具體組織結構如圖7所示。其中，BIM團隊成員主要包括：BIM經理、BIM模型操作人員、BIM技術協助人員、BIM標準管理人員、BIM系統管理人員、BIM應用開發人員等，具體的職位分類及職責如表3所示。

表3 BIM職位分類及職責

圖7 組織結構

3.3 BIM技術的應用情況

本項目以BIM技術為基礎，為項目各個參與方提供了一個工作協同與信息交流平臺，具體應用情況如下：

（1）項目準備階段：建設方組織編制項目目標規劃、BIM實施規劃，明確各參與方職責、工作目標；BIM咨詢方編制BIM應用統一標準、工作流程，提高各方協作水平；設計方利用BIM技術進行碰撞檢測，及時發現圖紙錯誤，減少因設計所致的不必要的浪費或是工期延誤。

（2）項目建設過程：①基于BIM技術與現場視頻監控系統的聯合使用，準確獲取、傳遞施工信息，并優化工作安排與資源分配，提高工期與成本管理效果；②基于建設對象功能要求特殊性，如施工技術難題的解決，主要采取以下工作流程：施工方提出技術難題，協同管理組協助搜集相關信息；BIM小組將相關信息關聯BIM模型，便于各方了解技術問題的各項信息，并經由會議討論解決方案；BIM小組根據解決方案模擬施工過程，并對各個方案進行對比分析，確定最優解決措施，并將其反饋給項目管理組。

3.4 BIM技術的應用效果

基于建設方的主導下，本項目基于BIM技術的應用實現了工期提前，并達成了項目各項目標。項目建設期間，BIM技術為各方提供了可靠的信息支撐，有利于共同解決各類技術問題，有效減少了工程變更，并提高了項目管理信息化水平。

4 結語

綜上所述，BIM技術是信息技術發展下的重要產物，在促進產業升級、為參建各方帶來效益等方面發揮著重要作用，因此其在土木工程領域的推廣應用成為必然。在土木工程施工領域，BIM技術的應用可通過模型構建、虛擬施工、碰撞檢查、內部空間查看等功能，有效解決專業配合不到位、施工工期有偏差、管理存在缺陷等問題，保證項目按時、保質的完成，提高項目綜合效益。目前，我國BIM技術在土木工程施工領域的應用尚處初級階段，還需在以下幾個方面加大研究力度：

（1）深入挖掘BIM數據的價值，加強數據交換、建造與運維的數據共享等問題研究，探索一種適合中國標準和工程規范的數據組織模式，為基于BIM技術的土木工程全生命周期的協同工作提供解決思路。

（2）加強BIM技術與各種先進技術的結合運用，實現BIM更高科技的發展，如：3D打印機器人，BIM模型直接對接3D打印機器人進行現場施工，完成“無紙化”交付；人工智能技術，基于大量的BIM模型數據化、結構化，結合人工智能與機器學習技術的應用，實現人工智能化設計；大數據技術，通過大數據與BIM技術的結合運用，可為未來BIM設計、施工提供更為可靠的決策支撐。

（3）以BIM技術促進綠色建筑發展，綠色是現代土木工程發展的重要方向，也是國家相關政策的明確要求，借助綠色BIM概念理論與技術，可實現風能、光能的高效利用，對噪聲、能量消耗、污染進行監測改進，實現有機化綠色項目，推動我國土木工程領域的健康、可持續發展。