BIM 在既有建筑綠色改造中的應(yīng)用研究

潘 星，劉 赟

（甘肅省建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展、世界人口的不斷增長(zhǎng)、自然資源匱乏、緊缺等環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，各行各業(yè)包括建筑業(yè)、工業(yè)等可持續(xù)發(fā)展成為了未來(lái)一個(gè)重要的發(fā)展方向。改革開(kāi)放以來(lái)由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，帶動(dòng)了房地產(chǎn)業(yè)的迅速壯大，到目前為止我國(guó)既有建筑面積存量龐大。由于城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程的加快，導(dǎo)致大量拆除老舊建筑與新建新建建筑，在這個(gè)過(guò)程中造成資源的大量消耗與浪費(fèi)。在這個(gè)大背景下既有建筑的改造和可持續(xù)發(fā)展成為了當(dāng)前建筑業(yè)的重要發(fā)展方向之一。將 BIM 技術(shù)應(yīng)用于既有建筑改造過(guò)程中，充分發(fā)揮其全流程智能控制、全流程協(xié)同工作的優(yōu)勢(shì)，最大限度地節(jié)省資源，達(dá)到既有建筑的有效保護(hù)、改造與再利用，最終達(dá)到既能保護(hù)既有建筑又能夠保證與環(huán)境和諧共生的目的。

1 BIM 技術(shù)的應(yīng)用

1.1 BIM 技術(shù)的發(fā)展及優(yōu)勢(shì)

1.1.1 BIM 技術(shù)的發(fā)展

BIM 的概念最早是由查克伊士曼（Chuck Eastman，Ph.D.）在 1975 年提出；同時(shí)期英國(guó)也在研究與開(kāi)發(fā)類似于 BIM 的工作，而英國(guó)等歐洲國(guó)家把它定義為“產(chǎn)品信息模型（Product Information Model）”，而美國(guó)定義為“建筑產(chǎn)品信息模型（Building Product Model）”。今天被廣泛使用的 BIM 技術(shù)以及實(shí)施的相關(guān)技術(shù)基本思想來(lái)源于 1986 年美國(guó)學(xué)者羅伯特.艾什（Robert Aish）發(fā)表的一篇論文，該論文首次使用“Building Information Modeling”一詞。

2000 年以前 BIM 技術(shù)的研究與發(fā)展由于受到當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)軟硬件水平的限制，導(dǎo)致 BIM 技術(shù)只能以學(xué)術(shù)研究的角度來(lái)進(jìn)行，根本沒(méi)有辦法在實(shí)際的工程實(shí)例應(yīng)用中發(fā)揮其作用。2000 年以后，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、計(jì)算機(jī)軟硬件水平的快速發(fā)展以及人們對(duì)建筑全生命周期的深入理解，BIM 技術(shù)迎來(lái)了快速的發(fā)展。

我國(guó)早在 2011 年 5 月，住建部就發(fā)布了《2011 ～2015 建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》的文件，文件中明確指出：要在施工階段開(kāi)始研究和應(yīng)用 BIM 技術(shù)，并不斷地推進(jìn) BIM 技術(shù)從設(shè)計(jì)階段過(guò)渡向施工階段的應(yīng)用延伸；進(jìn)一步研究怎樣利用 BIM 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) 4D 項(xiàng)目信息管理系統(tǒng)在各大型、復(fù)雜和工程難度大的工程施工過(guò)程中的應(yīng)用研究，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑項(xiàng)目進(jìn)行有效的可視化管理。這意味著中國(guó)的建筑業(yè)也開(kāi)始了對(duì) BIM 技術(shù)的應(yīng)用研究。

1.1.2 BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1）BIM 技術(shù)是數(shù)字化的三維模型，能夠集成從項(xiàng)目規(guī)劃階段到運(yùn)維階段整個(gè)建筑生命周期的各種工程數(shù)據(jù)信息模型，是對(duì)具體工程項(xiàng)目建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電以及設(shè)備的實(shí)際信息及功能的數(shù)字化表達(dá)［1］。

2）實(shí)際工程項(xiàng)目的 BIM 模型能夠提供自動(dòng)的計(jì)算、分析、查找、組合以及拆分實(shí)時(shí)的工程數(shù)據(jù)模型，建設(shè)項(xiàng)目各五方主體都可以通過(guò)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)一模多用，提高各方主體之間的工作效率［2］。

3）BIM 模型可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制通過(guò) BIM 應(yīng)用平臺(tái)來(lái)進(jìn)行工程信息的管理、創(chuàng)建和共享。

4）可視化。BIM 技術(shù)三維模型的可視化性體現(xiàn)了“所見(jiàn)即所得”的概念，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段方便項(xiàng)目各方進(jìn)行討論、溝通與決策。

5）協(xié)調(diào)性。專業(yè)與專業(yè)之間可以通過(guò)協(xié)調(diào)性進(jìn)行項(xiàng)目整體的調(diào)整修改，如管綜碰撞檢測(cè)進(jìn)行管道與建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)之間的協(xié)同，機(jī)電管綜之間的碰撞解決各種管道之間的碰撞問(wèn)題。

6）模擬性。依附于模型進(jìn)行 3D 施工動(dòng)畫模擬，能效、緊急疏散、日照、熱能傳導(dǎo)、4D（時(shí)間信息）等的模擬。

7）優(yōu)化性和可出圖性。

1.2 既有建筑綠色改造采用 BIM 技術(shù)的意義

BIM 技術(shù)應(yīng)用于既有建筑綠色改造的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維階段。在設(shè)計(jì)階段輔助設(shè)計(jì)、裝修改造方案以及工程量統(tǒng)計(jì)及變更復(fù)核，以虛擬建造的方式來(lái)模擬部分墻體、機(jī)電管線、結(jié)構(gòu)構(gòu)件等的拆除與新建，通過(guò)聲環(huán)境模擬提前規(guī)劃既有建筑周邊減聲帶的處理，通過(guò)風(fēng)環(huán)境模擬預(yù)測(cè)既有建筑室外哪些地方可能會(huì)出現(xiàn)旋渦等；改造施工階段輔助施工、協(xié)助工程量變更、輔助隱蔽工程驗(yàn)收，結(jié)合三維模型進(jìn)行集成化的管理，實(shí)現(xiàn)高效的管理模式；建筑綠色改造后的運(yùn)維階段進(jìn)行整個(gè)建筑的能耗監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及協(xié)助物業(yè)管理人員進(jìn)行日常運(yùn)維管理工作［3-5］。

2 既有建筑綠色改造應(yīng)用

國(guó)家層面為了引導(dǎo)、規(guī)范和鼓勵(lì)既有建筑綜合改造的推廣再應(yīng)用，科技部和建設(shè)部早在“十一五”就啟動(dòng)了科技計(jì)劃支撐項(xiàng)目《既有建筑綜合改造關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》。重在推廣既有建筑通過(guò)綜合改造技術(shù)換發(fā)新的活力，從時(shí)間軸的縱向維度拉長(zhǎng)既有建筑的生命周期。在后續(xù)的國(guó)家支撐重點(diǎn)項(xiàng)目《建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》《村鎮(zhèn)小康住宅關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》中也同樣列入了有關(guān)既有建筑改造技術(shù)研究的相關(guān)課題。

本節(jié)從工程實(shí)例的角度具體分析 BIM 技術(shù)在既有建筑綠色改造過(guò)程中的應(yīng)用。

2.1 工程概況

某既有建筑綠色智慧化改造工程，位于甘肅省蘭州市，總建筑面積 1.8 萬(wàn) m2，地下 2 層，地上 12 層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

為了創(chuàng)建綠色、健康、舒適的工作環(huán)境和高效的工作模式，本次既有建筑綠色智慧化改造從一開(kāi)始就定義為打造西北地區(qū)具有代表性的既有建筑改造項(xiàng)目。本項(xiàng)目最終也獲得了綠色建筑三星級(jí)標(biāo)識(shí)、健康建筑二星級(jí)標(biāo)識(shí)和 2020 年度全國(guó)綠色創(chuàng)新獎(jiǎng)建筑。本項(xiàng)目中 BIM 技術(shù)的具體應(yīng)用如圖1 所示。下面將從改造過(guò)程中的各階段來(lái)具體介紹 BIM 技術(shù)的應(yīng)用。

圖1 BIM 技術(shù)應(yīng)用圖

2.2 設(shè)計(jì)階段

既有建筑圖紙現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核：由于本次改造建筑有一部分圖紙和實(shí)際不符，所以圖2 所示是設(shè)計(jì)之前的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸復(fù)核。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)尺寸復(fù)核

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圖紙尺寸復(fù)核，結(jié)合 BIM 技術(shù)進(jìn)行模型搭建，如圖3 所示。在模型搭建過(guò)程中嚴(yán)格按照既有建筑實(shí)際尺寸以及實(shí)際功能區(qū)進(jìn)行建模，以保證通過(guò)改造前的實(shí)際模型和改造后的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比，能夠準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出實(shí)際改造的工程量以及后期進(jìn)行準(zhǔn)確地管綜碰撞等工作。

圖3 模型搭建

最終將搭建好的實(shí)際模型結(jié)合既有建筑所在區(qū)域的分布進(jìn)行場(chǎng)地布置，最終通過(guò) BIM 技術(shù)進(jìn)行渲染，圖4 所示。

圖4 場(chǎng)布圖

為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)既有建筑的健康狀態(tài)，在本次改造中引入了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。首先將 BIM 模型導(dǎo)入 PKPM 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，然后根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)、應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置。圖5 所示為具體的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算以及具體的點(diǎn)位分布。

圖5 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

為了能夠打造一個(gè)健康舒適的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)階段利用 BIM 模型對(duì)既有建筑進(jìn)行了周圍環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)壓、日照及噪聲模擬（見(jiàn)圖6）。在環(huán)境模擬的不利因素處采取適當(dāng)?shù)拇胧沟米畲笙薅鹊販p少不利因素給人們的工作和生活帶來(lái)的不便。

圖6 環(huán)境模擬分析

2.3 施工階段

既有建筑施工階段主要針對(duì)改造前的模型和改造后的模型進(jìn)行機(jī)電管線的管綜碰撞檢測(cè)，通過(guò)管綜碰撞檢測(cè)來(lái)分析既有建筑中哪些機(jī)電管線需要拆除，哪些機(jī)電管線需要留用（見(jiàn)圖7、圖8）。圖9 所示為建筑內(nèi)部需要拆除的墻體和另需新建的墻體。

圖7 全專業(yè)合模

圖8 管綜碰撞檢測(cè)

圖9 建筑改造模型

在施工過(guò)程中施工人員可以利用 BIM 技術(shù)的全息三維可視化性很直觀地知道綠色建筑新技術(shù)構(gòu)件的布局與具體施工安裝點(diǎn)位，圖10 所示為具體點(diǎn)位的輔助施工布局。

圖10 綠色建筑新技術(shù)構(gòu)件

施工階段根據(jù)裝修模型進(jìn)行裝修材料的工程量統(tǒng)計(jì)提前預(yù)判施工造價(jià)，根據(jù)三維模型對(duì)施工人員進(jìn)行施工交底，監(jiān)理人員根據(jù)施工模型進(jìn)行隱蔽工程的監(jiān)理等。圖11 為本次既有建筑綠色智慧改造的裝修模型。

圖11 裝修模型

2.4 運(yùn)維階段

將 BIM 模型導(dǎo)入 Unit3D 軟件，然后將本次綠色智慧化改造的各子系統(tǒng)進(jìn)行集成，最終形成一個(gè)集成多項(xiàng)新技術(shù)的綠色智慧辦公建筑。圖12 所示為本次改造后在辦公建筑正常進(jìn)行辦公后的 IBMS 三維可視化智慧運(yùn)維系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)辦公大樓的整體運(yùn)營(yíng)狀態(tài)以及能源消耗狀態(tài)。

圖12 IBMS 三維可視化智慧運(yùn)維系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

BIM 技術(shù)的誕生使得建筑項(xiàng)目更直觀、更簡(jiǎn)單。將 BIM 技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)大量的老舊建筑的改造中，不僅在施工前期預(yù)判整個(gè)工程量的大小、建筑功能區(qū)劃分、輔助施工等節(jié)點(diǎn)，而且能夠充分地發(fā)揮 BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將整個(gè)建筑通過(guò)前期的規(guī)劃處理、模擬預(yù)演，在設(shè)計(jì)和施工階段就規(guī)避掉設(shè)計(jì)階段模擬獲知的不利因素，給人們創(chuàng)造一個(gè)更加放松和舒適的生活環(huán)境。Q