基于復雜性項目建設全過程精細化BIM 模型集成方法

黃珂

（萬達地產集團有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，各種大型、復雜建筑項目越來越多，因此，對工程項目管理模式的要求也越來越高。復雜性項目的組成要素過多，這些要素存在的多樣性也導致了整個建設項目的多種結構之間充滿差異性，而這些差異正是組成整個建設項目的復雜根源。從建設項目的復雜性視角來看，建設項目的結構效果比項目建設規模重要得多。因此，在復雜性項目建設的過程中，實現建設項目的全過程精細化管理是重中之重。

BIM 技術可以將復雜性項目建設過程中各種信息進行集成，從建設最初的方案設計，到實施的開始，再到運營直至施工全過程的完結，均能夠把所有數據集成在構建的三維建模技術系統中，建筑設計人員、施工單位、設備管理單位以及企業的各方工作人員均可通過BIM 進行協同作業，這在有效提升管理水平的同時，也節約了資金和成本，進而達到建筑的可持續開發[1]。但工程實踐中，許多復雜性項目仍使用普通的施工項目管理方法，雖然可以有效控制成本，但在實際操作中協調難度較大[2]。

因此，基于我國當前建筑行業發展情況，要提高復雜性項目建設過程中的整體管理水平，就需要把智能化管理模式運用到建設全過程中去，并在建設中推動BIM 技術發展。然而，在具體應用實踐中，由于分包方式相對較多，很容易出現無實際意義的總包單位，導致各個分包之間的協調工作仍由甲方完成，不利于復雜性項目的建設，亟需構建一種完善的集成方法。因此，本文針對復雜性項目工程的施工建設，構建全過程精細化BIM 模型集成方法，以山東青島東方影都大劇院秀場項目為例，對精細化BIM 模型集成方法進行實例分析與驗證。

1 工程概況

東方影都大劇院的秀場直播項目工程，位于我國山東省青島市黃島區經濟開發區的中心商務區內。該工程所占用段大部分為人工開墾地，北面為城市沿海一路，海濱路段北部為靈山灣，南面為城市沿海四路。該工程屬于復雜性建設項目，主要建設內容由近2000 個特大型企業國際綜合電影、近1480 套秀場直播設施及其相應的附屬用房等構成，其功能重點是成為上海國際電影節的主會場，同時展示海外電影，承辦上海國際電影節開閉幕式、文藝演出以及音樂會等。工程建筑總面積約11.38 萬m2，其中大劇院面積24000m2（地上19300m2，地下4700m2），秀場面積21500m2（地上17100m2，地下4400m2），停車樓及其他的建筑面積68300m2。大劇場鋼結構主要分布于臺塔、觀眾廳和前廳內，總用鋼量1953.7t。而大劇院幕墻設計為以螺旋形上升的復雜面體結構，從設計時就使用了Rihno（犀牛）模型，確保與后續BIM 模型應用的一致性。

2 精細化BIM 模型集成方法

2.1 現場數據采集

在進行模型構建之前，需要對項目進行現場數據的采集。由于大劇院秀場項目施工工期較長，項目建設較為復雜，每天都會產生較多的施工信息，且施工信息會隨著工程進度的推進而發生改變，因此需要及時上傳施工信息，以確保對施工項目進行精細化管理。施工現場管理人員根據現場實際施工進度，將各項應用的構件種類、數量、應用位置、建設情況等信息繪制成工程量清單表格，每天上傳至云平臺，實現施工現場數據的采集。

2.2 精細化BIM 模型構建

精細化BIM 模型的構建，首先需建立一個高精度的BIM 族，主要體現為BIM 部件與BIM 族信息的詳細程度，準確來說就是需要更加具體的項目工程幾何參數、性能信息、定位連接信息、價格信息、供應商信息等。高精度BIM 族適用于對細節要求較高的工程，尤其適用于復雜性項目。

在大劇院秀場項目建設工程深化設計過程中，在對各類場館構件進行三維BIM 建模的同時，還需要將多種機電設備的廠家、閥部件尺寸、技術參數、運維信息、設計圖紙等信息錄入BIM 族，保證族內設備、部件信息與實際信息相吻合，實現精細化管理。

在創建BIM 模型中，最基本的內容便是創建結構元素模型，即直接創建最小的結構單元模型。以CAD 底圖為基礎數據，在Autodesk Revit 軟件中制作BIM 模型，而在創建BIM 模型中最主要的部分便是設計模型的基本參數，構成大劇院秀場建筑的所有零件，都需在軟件中設定好一定的種族，以方便選用。而對于在秀場內部的梁、墻以及柱等，根據軟件內部系統中設立的族可以將其原有尺寸修改成實際參數來進行應用，對于其它構成零件也可以在軟件中找到符合要求的形狀從而建立新的族，并對相關參數進行設置，還可將其保存以供后續反復使用[3]。

精細化BIM 模型建立的過程是為了提高模型的精準度，但各個結構之間一定會存在碰撞現象，故需要在模型中增加結構碰撞的檢查。因此，可將BIM 模塊導入Autodesk 的Navisworks Manage軟件中，針對秀場建筑結構質檢的碰撞進行檢測，再通過碰撞檢測的結果來對模型結構進行調整[4]。利用激光打點進行測距，每個測站至多可以形成七千萬個點，并由此也可以產生點云，這就建立了一個基于建筑項目的點云模型。再將點云模型與BIM 模型相互疊加，則可獲取大劇院秀場施工現場全景的掃描圖片[5]。

2.3 預警閾值設定及信息可視化

為了避免秀場內部建筑結構在建設過程中出現異常，需通過建立預警閾值，實現對秀場建筑結構多方面狀態的實時監測，并進行有效預警。在發出警報后，可及時了解異常原因，制定解決措施。在設定預警閾值之前還需對秀場建筑結構動力的性能進行監測，檢測結構的動力性能可以利用模態曲率差來對結構異常的指標進行識別，計算如式（1）所示：

式中：（y）和（y）分別是結構異常之前和之后第x階段模態在第y位置的曲線率。根據得到的動力性能就可以設定預警的閾值，但還需要考慮建設項目當季溫度、風力與結構承載力之間的組合作用，從而計算出秀場建筑結構正常范圍內的極限承受狀態。正常狀態下最不利的情況為該結構的一級預警閾值，最不利狀態下承載能力的最大值為該結構的二級預警閾值，實際承載能力的極限狀態為該結構的三級預警閾值[6]。實際檢測時結構預警閾值對應承載能力的利用率，具體如式（2）所示：

式中：Xa表示可以變化的荷載效應；Xb表示恒載效應；Cn表示材料的強度；η表示強度折減的因子，并且當結構屬于無損狀態時，η=1.0。根據式（2）就可以得到關于預警閾值的計算公式，如式（3）所示：

式中：Y表示運行維護狀態下的預警閾值；Rn表示結構中材料強度變化值；Rm表示恒載狀態下材料變化情況。

數據信息可視化技術能夠把大量的抽象數據通過圖片甚至是視頻的形式表現出來，可以有效顯著減少對數據的掌握困難度。因此，在大劇院秀場項目建設過程中，采用Autodesk Revit 軟件對BIM 模式下的部分模塊和現場施工的有關數據進行大量的數據信息整合，實現建模信息和實際監測數據之間的交互查詢，并在此基礎上表現出了實際監測的大量數據信息。BIM 查詢系統能夠通過網站與移動終端兩種方式來實現查詢，所提供的客戶端可查詢現場全景圖，并與模型進行比對[7]。根據數據信息可視化要求，可以將信息可視化插件分為五個模塊，具體功能如圖1 所示。

圖1 信息可視化模塊分布示意圖

每一種功能都需要增加一個操作按鈕，所有按鈕均處于“附加模塊”中，同時給每個操作按鈕都設計一個小圖標，以更加方便操作。

2.4 基于數據庫的信息集成管理

數據庫結構是把建設項目的需求進行分析之后，再將所得到的新需求轉變成虛擬的信息結構。建立數據庫模型的關鍵就是建立實體-關系圖的模型，通過實體、屬性及其聯系描述實際項目中關于概念的模型，主要為根據自下而上的方法進行設計，先設計關于局部的概念模型，再設計集成后的全局模型，并進行優化，具體數據庫設計結構如圖2 所示。

圖2 數據庫結構設計流程圖

數據庫結構設計完成之后，就可以根據數據庫的內部信息與實際項目信息進行管理，其中最主要的部分就是關于運行維護的管理。

將本次大劇院秀場項目的建設信息輸入數據庫中，其中包括各個環節中應用到的產品材料的供應商和材料信息，預制構件的參數、設備參數等。同時，對產品質檢情況與施工現場安裝情況進行記錄，并一同輸入數據庫，關聯至相同的產品模塊中。通過精細化BIM 模型，實現秀場項目建設全過程精細化管理，對秀場建筑構造、輔助工程項目、機械設備工況、構件閥件規格安裝信息、材料供應商等關鍵資料和數據進行整合，可在數據庫中實現查詢與管理，保障大劇院秀場項目的全過程精細化管理控制工作的順利進行[8]。

與此同時，可在秀場建筑施工現場對每個工程設置對應的電子標簽，通過精細化BIM 模型實現對施工現場的監督管理。使用標簽識別設備掃描施工現場各工程項目中的標簽，查詢施工設備的運行狀態，并將采集到的設備信息上傳至數據庫中，實時更新現場施工情況。對秀場建設項目施工現場的施工過程產生的數據信息，全部通過精細化BIM 模型進行管控，并通過精細化BIM 模型對施工進度以及施工過程進行監督，若有不規范施工情況及時進行改正。合理運用施工信息，對秀場項目建設的全過程進行精細化管理，使BIM 真正達到對工程生產整個周期的控制，實現準確、直觀、全面、關聯的工程數據服務與決策支撐，進而使BIM 虛擬工程模塊的數據和真實建筑物數據一致[9]。

3 應用與分析

為了測試提出的方法是否可有效解決傳統項目建設過程中出現的問題，選擇東方影都大劇院秀場項目為實驗對象，通過實驗平臺構建劇院秀場模型來代替真實的劇院秀場，以有效降低成本和不穩定因素。以項目建設過程中的碰撞檢查為例，對劇院秀場模型分別使用傳統施工方法以及本文施工方法進行檢查，通過得到的結果來分析哪種方法更加有效。

實驗測試共采集到500 組數據，其中未產生任何接觸的鋼筋為200 組，剩下300 組則有相互碰撞的情況存在。為了保證實驗結果的準確性，通過5 次對比實驗來進行驗證，表1 為不同方法下鋼筋碰撞檢測的具體測試結果。

表1 不同方法下鋼筋碰撞檢測結果（組）

由表1 可以看出，在復雜性項目建設全過程中使用傳統施工方法，檢測出鋼筋發生碰撞的平均數量為198 組。而使用BIM 技術進行鋼筋碰撞檢測時，可以檢測出的平均數量為290 組，明顯比傳統方法多。可見在進行碰撞檢測時，本文提出的方法效果較好。為了對比在復雜性項目建設全過程中，使用不同方法進行施工建設之后，兩個建筑模型整體工期的時間情況，整理實驗測試結果如圖3 所示。

圖3 建筑施工完成程度示意圖

由圖3 可以看出，在復雜性項目建設全過程中使用傳統施工方法，經過15 個月之后，施工的完成程度只有20%；雖然后期出現逐漸上升的趨勢，但經過30 個月之后，施工的完成程度也只有60%。而使用本文方法進行施工，施工完成度始終呈現出穩步上升的趨勢，在經過30 個月之后，整體建筑的施工可以100%完成。

綜上所述，無論是對碰撞的檢測，還是在施工完成度上的進展，本文所提出的BIM 技術在復雜性項目建設全過程中都有更好的效果，可有效改善傳統方法無法準確檢測碰撞發生的情況，并加快了整體工程的施工進度，施工效率較高。

4 結語

利用精細化BIM 數據模型，將傳統施工流程中彼此獨立的技術數據，通過BIM 系統進行統一整合，各方在施工流程中利用BIM 技術數據，共同協作，真正達到了資源共享及協同工作的效果。BIM 技術數據在項目調整及問題解決中起到了關鍵性的作用，節省了以往設計調整流程中翻查二維圖樣的時間，大幅提升了工程協同的效率。BIM 技術在工程項目中發揮了突出作用，有效輔助處理了工程實施中出現的重難點問題，真正做到了項目可視化控制、精細化控制，可取得較大的經濟和社會效益。