基于 BIM-5D 的大型公共建筑工程中的應用研究

袁利軍，齊從月，王火華，周紅衛，龔文韜，謝 輝

（中建三局第三建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）始于美國 19 世紀 80 年代，喬治亞理工學院Charles Eastman 教授在其著作《Building Product Models》中首次提出，而后逐步演變為建筑項目信息管理平臺系統，在項目開發、建設和運維的全過程階段都能發揮重要作用，經過如今的發展，特別是在建設項目施工模擬、項目施工運維管控等領域得到了廣泛且成熟的研究應用［1］。相對國際發展情況，BIM 技術在我國發展仍然較為遲緩，到目前為止，大部分建設項目僅僅局限于 3D 建模、模型漫游展示等初級信息化應用階段［2-3］。關于BIM-5D 探索，仍然處在初級推廣階段，缺乏實踐管理經驗，因此，針對大型公共工程建設，提出一套切實可行的 BIM-5D 應用經驗十分必要。

1 概述

BIM-3D 模型其本身具有可視化、屬性化、多元化的性質。在此基礎上添加時間維度對項目進行施工模擬管理則發展為 4D 技術；隨后將商務、勞務、材料、設備等成本要素加入該模型中，對項目實施全過程進行精細化管控就實現了 BIM-5D［4］。在集成模型中，項目管理人員可以更加直觀地獲取項目的進度、資金消耗等變化情況，安排合理的資源配置及協調相應資金資源，實現項目精益管理。

大型公共建筑工程往往涉及專業多，包括土建、機電安裝、智能化、通信、暖通、空調等系統的集采、施工、試運行工作，往往涉及體量大、專業交叉繁瑣、排布集中，同時對工序協調穿插要求極高，極易導致后期返工的問題。而 BIM-5D 技術不僅可以模擬現場施工動態，更可以實現快速核算工程量清單等工作，打破了項目施工管理過程中各種類型信息之間的數據孤島效應。

當前階段，全生命周期的 BIM-5D 應用，仍然不能以某一個特定軟件實現，通常是以將各個軟件的信息模型導入某一數據集成平臺的方式實現，然而不同的軟件往往具有不同的建模標準，導致這種不同軟件的之間信息數據不能實現完整交互。本文根據應用現狀，對集成信息平臺的數據交互原理及問題，和平臺搭建完成后的 5D 應用情況進行總結，對施工各專業信息構件進行相對標準化的歸置提出改進意見，并歸納出 BIM-5D 技術在大型公建施工工程中的應用點。

2 BIM-5D 數據交互模式

2.1 數據來源

BIM-5D 信息模型集成了項目施工所涉及的各個專業信息，包含結構、建筑、機電、幕墻、建筑智能化等專業系統模型，附加上進度計劃及預算成本信息，并使之匹配項目施工現場實際工況，如圖 1 所示。這種匹配模式是通過多種不同文件格式之間的數據傳遞交互來實現。

圖1 BIM-5D 數據集成過程

2.2 數據傳遞

建筑信息模型中最小可更換的實體圖元稱為“構件”。將 3D 模型導入集成信息平臺，除了需要保持各個構件之間拓撲幾何學關系外，更重要的是精確傳遞構件參數及工程量的過程，圖 2 為模型信息傳遞交互流程圖。

圖2 構件信息傳遞交互流程圖

模型中構件的屬性可分為幾何屬性和實體屬性。前者是在建模過程中，由建模軟件的標準化分類體系框架下產生的規定屬性，用以區分和表達構件之間的拓撲幾何學相互關系，而后者則是構件與現實對應的實體構件本身所具有的屬性特征，通過將其數據化來實現。只有幾何屬性和實體屬性的關鍵參數均能夠順利交互傳遞，才能保證 BIM-5D 集成平臺中模型信息的準確性和可用性［5］。

本次應用項目對 Revit 模型中 36 842 個圖元進行導入，平臺識別后，有 27 128 個元件符合嚴格匹配機制，識別率為 73.63 %。人工識別工程量達 9 713 個，極大降低了模型交互應用效率及人員積極性。若能在模型信息交互傳遞過程使用模糊匹配形式，以減少集成平臺未識別構件數量，提升數據傳遞效率，則具有更普遍的推廣意義。對于構件信息中不能嚴格滿足信息交互的進行傳遞匹配規則的構件，按照平臺中預設的構件類型粗略歸類后進行匹配過程稱為模糊匹配。模糊匹配通過識別構件名稱、備注等方式篩選出名稱相似、屬性參數值接近的構件，然后通過人工智能批量將此類構件屬性參數與實際工程量清單中的參數進行交互匹配，最后重新導入。圖 3 為增加模糊匹配的構件屬性信息交互匹配流程圖。

圖3 增加模糊匹配的構件屬性信息交互匹配流程圖

對于模糊匹配后，仍未識別的圖元，再需通過人工識別判斷，對項目管理無價值的構件進行刪除；對失誤等原因造成無法匹配的構件，進行手動修改后導入。

3 BIM-5D 在某大型公建工程中的應用

3.1 項目概況

南沙建滔廣場項目位于廣州市南沙自貿區蕉門河中心區供電局西側，毗鄰地鐵 4 號線，由廣州展灜置業有限公司投資興建。總用地面積約 1.26 萬 m2，總建筑面積 11 萬 m2。該工程為雙塔樓連體結構，地下 3 層，北塔地上 34 層，地面以上高度為 149.5 m；南塔地上 25 層，地面以上高度為 104.5 m。

3.2 實施 BIM-5D 的必要性

1）項目施工地形條件復雜，場地狹小，且周邊水域較多，現場對平面布置要求高。

2）由于項目防排煙和通風管密度高，業主對空間利用要求嚴格，導致空間狹窄，碰撞率高。

3）項目純混凝土大跨度空中連廊呈“h”型結構，天面泳池、鋼混屋面花架，高層懸挑結構，施工難度較大。

4）項目難點多，各專業施工流水難以確定，同時施工進度、成本、安全、質量、現場勞動、材料、機械布置均需要不同軟件配合工作，無法真正滿足施工過程中一些實時問題，無法實現精細化管理。

3.3 相關軟件、插件的選用及應用

本項目建模軟件選用 Revit2016，鋼結構模型選用Tekla，計價軟件選用廣聯達 GCL，模型碰撞檢測選用 Navisworks，模型漫游、瀏覽、VR 應用選用Lumion、Fuzor 和 3Dmax、結構設計分析選用 Midas 軟件，具體流程圖如圖 4 所示。

圖4 應用流程圖

3.4 基于 BIM-5 D 技術的精細化基坑開挖模擬

針對本工程毗鄰廣州軌交 4 號線的難點，采用平臺模擬技術，輔助基坑施工在準備階段土方開挖方案的制定和優化，合理安排施工工序。借助模擬動畫，與市政、地鐵管理方開展三維可視化溝通交流，極大提升了決策效率和管理效率（見圖 5）。

圖5 土方開挖模擬施工

3.5 基于 BIM-5D 技術的多專業深化設計

針對本項目，通過對機電、鋼結構等專業全部采用 BIM-5D 平臺三維模型來進行深化設計。在各專業深化設計完成后通過 Navisworks 軟件進行多專業整合碰撞，提前發現潛在問題。此階段設計問題可通過業主方牽頭協調優化原設計方案。在模型修改完善后通過三維模型導出施工圖指導現場施工生產。

其中，南塔樓通過建模+管線綜合多套方案優化，提高空間高度 200 mm，提升了凈空舒適度（見圖 6、圖 7）。在解決此問題同時，與結構單位協調配合，特殊部位提前處理，優化管道預留和布置，節省二次加工時間，節約了大量成本。

圖6 管線碰撞檢測

圖7 凈高優化（單位：mm）

3.6 基于 BIM-5D 技術的動態管理

通過 BIM-5D 平臺進行模型整合（見圖 8），并將施工進度計劃編制安排和資源配置計劃導入集成平臺進行施工模擬，驗證進度計劃合理性即流水段銜接合理性分析及工序穿插合理性分析，從而提前優化施工進度，合理調度資源。

圖8 BIM-5D 平臺任務狀態示意圖

借助手持式移動設備，如手機、ipad，現場管理人員可以實時將現場實際進度反饋到 BIM-5D 管理平臺中，形成數字孿生映射，使平臺可以動態模擬現場實際情況，通過與標準進度計劃模型進行對比分析，得出施工進度滯后或超前，從而實現對現場施工的動態管理。

3.7 基于 BIM-5D 技術的成本管控

利用 BIM-5D 應用平臺，根據施工模擬完成的計劃進度內資源、材料、設備、資金的消耗計劃，依據不同流水區段進行提取數據信息，匯總每一區段內清單工程量，同時與不斷記錄的現場實際資金消耗情況匹配，預測施工過程中不同時間段資金資源等消耗情況，分析波峰及波谷出現的位置，提前安排資金，并且在施工過程中通過不斷對比分析資金模型，總結成本投入，以數據作為支撐位協助項目管理人員決策，優化資源配置，逐步邁向精細化管理道路，如圖 9 所示。

圖9 計劃資金與實際成本曲線圖

3.8 BIM-5D 效用總結

3.8.1 效益

1）管理前置化。施工過程存在極大不確定性，而BIM-5D 技術可實現虛擬建造，方便管理人員對復雜工序的理解以及流水搭接正確性的檢驗，解決了施工順序安排工作復雜的問題，有助于管理人員及時發現和安排不合理施工問題，降低溝通成本，減少返工。

2）管理協同化。BIM-5D 平臺，可以將三維可視模型與實際施工進度協調關聯，并可集成場地布置信息，結合移動端實施動態管理，提升了項目整體管理工作的協調性，便于項目及時發現問題、解決問題、關閉問題，極大提升了管理效率。

3）成本可視化。通過實時發生的資源曲線、資金曲線以及物資查詢功能，可對現場的勞動力、材料、機械數量進行讀取，再依次指定物資及資源儲備計劃、機械進場計劃等，避免了由于圖紙等出現問題導致返工而產生虧損的可能，可以實現限額領料，解決資源短缺及浪費等問題，為成本的精細化管控提供了理論和操作支撐。

3.8.2 難點與不足

1）目前各軟件之間交互設計機制不成熟，平臺識別率低。可在模型導入過程采用模糊匹配機制，減少人工識別工作。

2）智能二維碼技術、區塊鏈技術未能使用。

2）移動端數據傳遞過程效率低，未達到預期效果。

3）未能深入 BIM 應用全生命周期領域，本工程的應用主要圍繞是施工階段展開，如何統一設計、施工、運維三方標準化，是推進 BIM-5D 技術的方向。

4 結語

本文側重分析了施工過程中 BIM-5D 平臺的數據組成及應用成功案例，為將來在大型公建施工中實現BIM-5D 管理的企業提供了設計和應用的方向。

基于我國目前仍長期處于發展中國家的現狀，其大型公建類項目仍然保持逐年遞增的現狀，而整體管理效率低下、能耗高、信息化率卻仍然處于較低的現狀，隨著 BIM 技術的不斷發展，BIM-5D 軟件不斷完善，其在建筑行業的應用也會日趨成熟，未來的 BIM 技術也必將朝著nD的維度拓展，以滿足建筑行業全生命周期協同化、參數化、信息化、集成化的更高要求。Q