BIM技術在建設工程施工管理應用研究

文｜廣州工程總承包集團有限公司 莊智嚴

在國家的“十四五”規(guī)劃中，明確提出將重點推動建筑信息化發(fā)展，助力建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級。應用BIM 技術加強建設工程施工管理，能夠通過建立三維可視化模型實現(xiàn)建筑全生命周期管理，提升工程的施工效率和質(zhì)量，推動建筑向著數(shù)字化、智能化等方向發(fā)展。因此應加強BIM 技術在工程施工管理方面的應用研究，做到有效運用先進技術提高工程管理水平。

1.工程概況

廣州市國家檔案館新館二期工程位于廣州市番禺區(qū)廣州大學城檔案館路33 號，總建筑面積約4.75 萬m2。工程為單體建筑物，長112m，寬65m，高36.8m，采用框架結構，沿著南北走向分布。建筑物地上6層，3～6 層為檔案庫房，其余為展覽廳、技術用房和辦公區(qū)，地下2 層，包含停車庫和人防工程，集檔案存儲、展覽、辦公等功能為一體，屬于大型綜合性現(xiàn)代檔案館。在工程建設期間，需要完成主體結構、建筑機電安裝、幕墻、給排水、裝飾裝修等多個分部分項系統(tǒng)工程施工，具有一定復雜性。為保證工程施工質(zhì)量和效率，引入BIM 技術提高工程施工管理技術水平。

2.工程施工管理

2.1 施工難點

從工程設計情況來看，首先主體結構的錯層較多，建筑整個板面呈現(xiàn)出高低錯落的特點，在施工過程中要求加強標高控制。受結構特殊性影響，需要完成不同施工區(qū)域的立體規(guī)劃，給結構施工帶來一定難度。其次，工程采用了大量的高支模，最高能夠達到27.1m，最大梁截面達到1400×2000mm，施工危險性較大，如未能有效管理施工過程將引發(fā)安全事故，給施工進度、成本等各方面帶來影響。再者，工程外立面采用了玻璃幕墻、石材幕墻、鋁板幕墻等各種飾面，以充分體現(xiàn)建筑的文化特色。但在工程施工期間，各種飾面采取的材料、施工工藝等存在較大差異，節(jié)點處理難度較大，容易引發(fā)質(zhì)量問題。此外，作為現(xiàn)代化的檔案館，配備了大量的機電設備、智能化設施等，造成機電管線密集，現(xiàn)場排布錯綜復雜，也增加了工程施工難度。

2.2 管理重點

2.2.1 主體結構施工

在建筑主體結構施工期間，考慮到不同部位的板面存在較大空間落差，通過輸入相關設計參數(shù)建立結構模型，然后利用Midas 有限元軟件按照結構成型步驟對施工過程進行模擬分析。利用模型對關鍵部位的坐標點進行提取，可以在施工期間采用全站儀進行全程跟蹤，對照模型參數(shù)及時發(fā)現(xiàn)超差問題，通過實時糾正加強各部分結構標高控制[1]。在施工實踐中，可以使用三維激光掃描方式獲得結構點云數(shù)據(jù)，與建立的結構模型進行比較，做到有效進行結構參數(shù)校正。

建筑在各樓板連接位置，采用了較多鋼筋與混凝土組合的骨柱，需要結合不同結構工況狀態(tài)對各階段結構受力情況展開分析，為現(xiàn)場施工提供指導。通過分析發(fā)現(xiàn)，建筑外立面折線柱從地面向結構外傾斜，但在二層樓面則向內(nèi)傾斜，呈現(xiàn)出33°夾角。在鋼柱分段多、傾斜角度不同的情況下，通過預變形分析能夠確認結構整體位形能否達到高精度成型要求。為做到精準測量定位，在柱底設置四條定位線，確認與下節(jié)結構柱保持對齊。建筑檔案庫采用雙墻施工工藝，為實現(xiàn)構造柱精準定位和位置優(yōu)化，需要進行施工過程模擬。根據(jù)模擬分析結果，對砌體連接等位置進行優(yōu)化，保證結構施工取得理想效果。

對照模型顯示信息進行施工管理時，需要在柱頂位置的中心和牛腿腳位置設置三個測量控制點，利用模型分析得到空間坐標，然后利用全站儀測量[2]。各節(jié)柱應將地面控制線當成是基準線上引定位軸線，在精準定位后一旦發(fā)現(xiàn)構件傾斜，需要及時校正。此外，工程分布大量墻柱，在施工時需要采取不同的混凝土等級，在精準定位的基礎上還應在模型上用顏色進行區(qū)分，如圖1所示，為加強現(xiàn)場施工管理提供支持。

圖1 結構墻柱三維模型

2.2.2 高支模施工

在高支模施工期間，為加強支撐系統(tǒng)監(jiān)控，需要提前完成三維模型制作，如圖2所示。高支模施工需要使用塔吊等大型機械，安全風險較高。根據(jù)模型進行技術交底，能夠加強施工細節(jié)把控，有效預防安全事故發(fā)生。利用REVIT 軟件創(chuàng)建場地規(guī)劃模擬圖，做好塔吊、運行路線等區(qū)域布置，可以對現(xiàn)場環(huán)境進行模擬，確認機械作業(yè)面和停放位置是否存在碰撞沖突，完成各區(qū)域作業(yè)時間的動態(tài)規(guī)劃。將模型導入到Navisworks 軟件中，生成動畫對施工過程進行模擬，可以從效果圖中確認各時段施工進度。針對高支模建模，包含軸網(wǎng)、扣件族、鋼管族、頂托族等，需要根據(jù)搭設參數(shù)確認各構件位置的邏輯關系[3]。通過輸入支模面積等參數(shù)，可以自動識別高支模施工區(qū)域，然后根據(jù)建筑跨度、外形等因素配置模板，確認架體的搭接順序，直觀顯示桿件搭設距離。為保證支撐體系和模板符合實際情況，需要利用BIM 對體系受力情況進行驗算，根據(jù)結果手動調(diào)整鋼管、立桿等構件參數(shù)，包含模板下料尺寸、鋼管長、連接件位置等等，可以強化項目安全管理。在高支模施工期間，可能因前期未能充分考慮構件空間信息，導致后期出現(xiàn)墻柱與支撐件發(fā)生沖突的情況。應用BIM 技術建立體系模型，然后對構件進行漫游、虛擬檢查，可以在模型中將沖突桿件刪除，重新對結構受力情況進行驗算。通過對支撐體系的安全檢查過程進行模擬，可以保證制定的高支模施工方案準確、可靠，有效降低工程施工的安全風險。

圖2 工程高支模樣板模型

2.2.3 幕墻施工

工程采用的幕墻結構較為復雜，利用BIM 技術在立體空間中對結構支撐框架展開分析，還應完成不同區(qū)域結構參數(shù)分析，導出材料數(shù)量、安裝角度等參數(shù)為工程施工管理提供指導。如在石材幕墻施工期間，利用鋼支托進行幕墻連接，內(nèi)、外層保持800mm 間距，內(nèi)部設置檢修道和LED 照明。在各展開面交接位置，需要采用異形板材施工，在板材大小和切角等存在差異的情況下還應利用BIM 模型深化設計，將施工圖當成是基準，利用Rhino+GH 軟件深化設計，生成高精度深化模型，如圖3所示。從中對各構件坐標點進行提取，可以加強幕墻放線定位，為龍骨位置復核、變形檢測等作業(yè)開展提供指導。在各種幕墻結構施工期間，工程提取了上萬個坐標點，在加強各類型構件數(shù)量統(tǒng)計的同時，生成了預制加工模型，能夠為龍骨、鋁板等各種材料的下料提供依據(jù)，做到準確控制幕墻施工工程量。根據(jù)模型信息進行現(xiàn)場放線和幕墻安裝，能夠在施工時導出構件數(shù)量、安裝角度等參數(shù)，在材料進場后通過及時與模型反饋信息進行比對，能夠保證使用的幕墻構件型號、規(guī)格等各項參數(shù)符合要求。通過強化幕墻施工過程管理，可以確保幕墻安裝施工質(zhì)量和效果，使建筑外立面保持美觀。

圖3 異形石材BIM 模型

2.2.4 機電施工

在工程機電施工期間，從全局出發(fā)合理進行電力、給排水、消防、采暖等各種管道的綜合排布，應用BIM 技術實現(xiàn)機電管線的深化設計，保障各種設備得到科學安裝的同時，為后期加強設備運行和維護管理提供足夠空間支持。為此，要求建立的BIM 模型中容納各專業(yè)提交的設備型號、安裝日期等相關數(shù)據(jù)信息，并做到對管線預留孔洞進行精準定位。通過開展碰撞檢查，可以確認各專業(yè)間是否存在管線位置沖突，加強專業(yè)間協(xié)調(diào)溝通，為優(yōu)化管線排布提供有效支持。在BIM 技術應用實踐中，發(fā)現(xiàn)風管尺寸較大，在穿越桁架時容易與周圍構件發(fā)生碰撞，因此需要通過深化設計做到合理拆分風管，確認風量達到設計要求。將模型導入到Fabrication軟件中，可以輸入法蘭等結構件參數(shù)，生成預加工模型進行結構分段、拼裝等過程檢查，確認能否達到設計要求。在完成風管施工調(diào)節(jié)后，利用BIM 技術重新生成綜合排布圖，確認各專業(yè)管線是否存在干涉，并在滿足控高等要求的基礎上緊湊布置管線，確保后續(xù)設備檢修可以獲得足夠空間。在反復確認機電管線排布合理后，生成總體排布圖和各專業(yè)的接線圖，明確羅列預留的孔洞位置、大小等信息，為現(xiàn)場施工管理提供指導，以免后續(xù)因管線問題發(fā)生返工情況，達到有效控制工程施工質(zhì)量的目標。

3.效益分析

通過強化施工過程管理，工程得以如期交付，于2018年6月投入使用。在工程施工期間，通過應用BIM 技術能夠加強項目施工成本控制，以鋼筋和混凝土工程量為例，如表1所示，在BIM 技術支撐下可以明顯減少材料用量。從工程總體建設情況來看，通過加強施工管理約節(jié)省350 萬元成本費用，能夠為工程帶來顯著經(jīng)濟效益。而應用BIM 加強施工質(zhì)量管理，使工程一次性通過了質(zhì)量驗收，獲得了2020～2021年度國家優(yōu)質(zhì)工程獎、2019年度廣州市建設工程優(yōu)質(zhì)獎等諸多獎項，成為了廣州市安全生產(chǎn)文明施工樣板工地和建筑業(yè)新技術應用示范工程，為工程樹立了良好品質(zhì)形象，帶來了一定社會效益。

表1 引進BIM 技術前后樓板工程鋼筋混凝土材料用量比較

4.結論

把握檔案館結構施工難點明確管理重點，引入BIM 技術對施工過程進行模擬分析，能夠根據(jù)實際工況建立模型對不同施工階段結構內(nèi)力及變形情況展開分析，做到科學進行各部分結構施工，保證工程施工質(zhì)量。在工程采用高支模較多的情況下，借助BIM 可視化功能強化施工過程監(jiān)管，做好施工組織設計，嚴格落實施工方案，有效預防安全事故發(fā)生。在機電工程和幕墻工程等分項工程施工階段，應用BIM 技術深化設計和加強放線定位等操作，可以消除施工圖疏漏錯誤，提供施工指導，提高工程施工效率。從總體來看，在大型建設工程項目中應用BIM 技術，能夠帶來顯著效益。