BIM技術在建筑物擴建改造中的應用

張 營

現代化社會發展趨勢下，信息技術與我國建筑事業領域的結合日臻完善，而以信息技術為核心的建筑工程軟件逐漸成為建筑施工及管理中不可缺少的重要組成部分。其中，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術將計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）與計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）相結合，從橫向打通技術信息化與管理信息化的橋梁。回溯歷史可以得知，從1986 年計算機普及至今，BIM 技術日益成熟，逐漸成為建筑行業中的重要支撐技術。

1 BIM 技術概述

20 世紀70 年代，查理·伊斯特曼在《AIA 雜志》中提出“建筑信息模式”的初步構想。建筑信息模型概念在不斷演化，設計技術、管理過程及相關互動策略結合起來，使不同專業在施工過程中互相聯系從而管理整個施工過程[1]。隨著信息技術的不斷發展，對建筑設計的質量要求也不斷提高，建筑信息管理逐步由工程管理轉變為技術管理。BIM 技術的特點如下。

第一，可視化。BIM 技術可為設計人員提供直觀的操作思路，使設計人員能夠將傳統線型圖紙變成三維、立體的實體圖形。傳統建筑行業設計圖紙多委托專業的設計人員完成，但交流與反饋過程中因圖紙為2D，無法直觀體現，對后續施工設計造成諸多影響。在施工過程中，施工人員與設計人員無法進行即時交互，在設計思路與執行方法上可能存在偏差，單元化的二維設計難以滿足施工設計要求。BIM 技術則對施工、設計的各個環節進行了優化，其可視化的結果，不僅可以顯示出效果圖，還可以根據實際的施工環境、施工要求，運用BIM 技術對圖紙進行調整標注，方便各相關人員在設計、施工、運營過程中進行溝通、討論和決策，為后續施工提供保障。

第二，協調性。BIM 技術能夠協調各個專業之間的沖突，并產生協調后的數據。與以往的建筑設計和施工技術相比，BIM 技術將建筑施工活動分為設計和施工2 個環節，在保留各個環節的相對獨立性的同時，設計人員與施工人員可以根據工程要求開展協同作業，解決施工中的信息差問題。其不僅能夠解決不同行業之間的沖突，還可以優化空間布局，對于保障整體施工協調性具有重要意義。

第三，模擬性。BIM 技術不僅可以對建筑進行建模，還可以完成其他方面的模擬工作。在設計階段，BIM 技術可以模擬節能、緊急疏散、日照以及熱傳導等。在招標和建設階段，可進行工程組織設計的4D 仿真（3D 建模+項目開發時間），從而制訂出一套合理的施工計劃。同時，也可進行三維仿真（根據3D 模型進行成本控制）以達到成本控制的目的。在以后的運行階段，可對突發事件進行仿真，如模擬地震人員逃生和消防人員撤離。

2 BIM 技術在建筑擴建及改造中的應用

以SD 醫院門診大樓二期擴建項目為例，該工程地面以上為7 層，地下2 層，部分為地下1 層。基坑支護部分為單承臺預應力混凝土管樁基礎，其形式為封閉式十字樁，地基向外延伸0.05～1.5 m。

2.1 總體改造及擴建應用思路

首先，采用BIM 技術進行信息化管理，可對施工過程中各個環節進行數據記錄及存儲，有效避免圖紙損壞、數據丟失等問題，提高信息管理的工作效率。對于僅有紙質圖紙或沒有圖紙的建筑，可采用三維激光掃描儀進行現場測量與檢驗，并將其用于現場保護，如建筑信息檔案記錄、構件尺寸測量、三維可視化顯示以及反向重構等。值得注意的是，現階段云資料僅包括建筑物空間信息，相關數據還需要在對建筑物進行識別之后進行人工補充[2]。

其次，采用統一數據格式對現有建筑物各個專業、各個階段進行信息共享，提高信息利用率，減少重復勞動。在CAD 中，可視化、參數化設計環境可改善整體改造效率，提升改造效果，其主要體現在以BIM 技術為基礎的可視化、三維動態表達方式，可直觀反映已有建筑的局限性，更好地表達已有建筑的改造效果。BIM 技術在現有建筑方案設計中，采用模擬分析、參數化設計等方法，通過改變結構平面布置及材料，迅速進行方案優化及比較，極大提高建筑整體改造的設計效率。同時，利用BIM 技術可在虛擬環境中進行各個專業的碰撞，實現施工圖深化，減少設計變更及施工返工，并能準確確定需要加固或開孔的已有建筑物。

另外，BIM 技術可有效利用工程建設各個階段的信息，降低工程資料的重復錄入；利用BIM 技術將構件時間信息加入已有建筑信息模型中，可提前發現問題，為安裝工程施工順序安排提供依據；利用BIM 技術可對不同類型建筑物料進行分類統計，并為現場規劃設計與布局提供依據；利用BIM 技術建立成本信息并與其結合，可實時監控及補充現場狀況，從而實現動態進度管控、資源及成本的全面控制，達到全流程的可視化控制效果。

最后，通過建立BIM 模型可快速確定建筑擴建布局、設備機械、暖通、給排水以及電力等設備的具體位置，并能實時傳輸及顯示設備運行管理技術資料，極大提高設備維護的工作效率。利用BIM 技術進行設備管理，使設備實現智能化與人性化，提高設備的運行效率。以BIM 技術為基礎的運營管理可實現施工管理的流程化和標準化；可將BIM 與物聯網等相關技術有機結合，通過對建筑內部空間環境進行實時監控、維護及管理，提高建筑的使用質量。另外，利用BIM 技術建立已有建筑資料，為建筑安全檢測、維修、翻新及擴建等方面提供準確的施工資料和維護資料，提高建筑的可持續發展能力。

2.2 應用優勢

BIM 技術將圖形以立體動畫的形式呈現出來，具有逼真、直觀的視覺效果。建立好的BIM 模型，可以為二次繪制提供幫助，極大提高3D 繪制的準確度和效率，使項目所有者能夠更加直觀進行介紹，從而增加了競標的成功率。BIM 數據庫的建立是通過構建5D 相關數據庫來精確、快捷進行建筑的擴建和改建，提高工程造價的精確性和有效性。

BIM 數據庫具有組件化的數據，能夠迅速為工程管理部門提供支持，提高工程建設管理的效率。對于部分施工過程中可能存在的疏漏問題，或設計中的難點，如管道的整體化模型開發、施工框架設計等，BIM 技術可以給出更具針對性的處理方案。例如，BIM 技術最直接的特征就是三維可視化，通過該技術，早期可以進行碰撞檢測，優化擴建工程，降低施工過程中可能出現的差錯損失和返工的可能性，而且還可以優化空間和管道布置方案。通過碰撞優化后的三維管道設計，施工人員可以進行施工交底和模擬施工，改善施工質量，增強與客戶的交流。

同時，BIM 技術的應用，使各有關部門能夠迅速、準確地獲取擴建項目的基本資料，為建筑企業制訂精準的人才計劃提供了有力支持，極大減少了資源、物流、倉儲等環節的浪費，并為實現限額領料、消耗控制提供了技術支撐。在具體應用中，管理以資料為支撐，管理的基礎是對擴建工程的基本資料管理，及時準確獲取有關的擴建和改建資料，是工程管理的核心能力。BIM 數據庫能夠在任意時間點快速獲得擴建工程的基本資料，通過多項工程合同、計劃與實際工程建設的耗用量、單價、分項合價等數據進行多項比較，可以有效了解項目盈虧、消耗量有無超標以及進貨分包單價有無失控等問題，實現對項目成本風險的有效管控。將BIM 技術與施工方案、施工模擬以及現場監控相結合，極大降低了施工質量和安全隱患，減少了返工和整改次數。

此外，BIM 數據庫中的數據是可量化的，因此大規模擴展和更新相關信息可以為建筑的擴建和改建提供強大的數據支持。BIM 技術的核心在于建筑實體虛擬仿真和工程信息高度集成，從而實現全行業可以信息共享和協同工作的目標，大大提高工作效率和工作質量，節省資源并降低能耗。BIM 項目基礎數據能夠在不同管理單位之間進行協調、共享，并根據空間維度、構件類型等因素進行匯總、分解、對比分析，確保項目基礎數據及時準確，為決策者制定擴建改造造價項目群管理、進度款管理等方面的決策提供依據。

2.3 具體措施

目前，很多建筑都需要進行加固及改建，應在加固前進行測試確保加固的可能性。在建筑工程擴建及改造設計中，運用基于產品庫設計模式進行BIM 技術設計，通過將各種參數輸入系統中，設計者可以根據自身需求選擇合適型號。產品庫中有大量模型，設計者可以從管道形狀及性能參數中，找到類似模型；在BIM 設計中，根據工程擴建及改造的實際需求，選擇合適參數，修改產品模型，并將修改后的模型保存到產品庫中。具體來說，就是將已有模型進行復制，再利用制作工具編輯各個數據，并在必要時調整參數，從而生成新模型[3]。為獲取模型相關資料，可從工程管理檔案中獲取相關資料，再結合其他資料信息，用于實際設計。

依托BIM 技術進行擴建改造，三維設計的實現能自動生成基于3D 的不同圖表和文件，且與模型邏輯有機結合。在設計階段，所建立的構件之間有一種內在的邏輯關聯，并隨著構件的改變而改變，實現了不同專業間的信息交流。各個專業CAD 系統都能從各種信息模型中提取所需的設計參數和相關信息，無需反復輸入數據，避免了數據冗余、歧義、差錯等問題。利用BIM 技術進行建筑擴建及改造設計，依托三維信息模型將建筑擴建各項數據整合到數據管理系統。進行建筑模型設計時，所有平面圖都是立體形式，具有真實的視覺效果，同時也具有透視功能。擴建及改造的具體參數都可以在圖紙上標注出來，保證不同專業之間的有效溝通。

2.3.1 運用建筑信息模型技術形成三維可視設計圖

建筑擴建設計中，利用BIM 技術，使其具有立體視覺效果。建筑師在觀看設計模型時，可從多個視角觀察建筑設計效果，如建筑周圍環境、建筑完工后的景象，讓人有身臨其境的感覺，同時也能通過透視方式，對建筑內部構造產生直觀認識。BIM 技術在三維可視化設計中也起到技術檢驗的作用，建筑師可利用圖紙查看建筑工程的各項技術，如土建構件、埋件、建筑工程所需鋼筋以及建筑設備等，都可通過建筑信息模型來檢驗，從而使設計方案更加完善，提升建筑設計的質量。

2.3.2 運用建筑信息模型技術分析建筑物性能

目前，建筑項目正逐步向生態方向發展，特別是在建筑擴建中。BIM 技術分析建筑擴建中的各種特性，能夠從環保觀點出發，實現建筑整體的節能與減排。利用BIM 技術建立建筑三維立體圖，可優化地下空間各種設計要素，包括采光、通風以及建筑施工能耗等，從而實現建筑擴建工程最佳運行。對于隱蔽工程來說，具有一定的危險性，若建筑設計不合理，則勢必會造成嚴重的人員傷亡[4]。在建筑擴建設計中，應充分考慮周邊環境，并注重隧道工程的設計。利用BIM技術建立建筑模型，通過計算機軟件進行仿真，整合、擴充所獲取信息，并精確展示建筑整體圖像，為進一步完善工程提供技術支撐。此外，對于裙樓、幕墻、屋頂以及大空間等到處可見的異形設計，雖然在整個建筑中占比不大，但是占投資和工作量的比例卻大得多。這些部位通常施工難度比較大，施工問題比較多，優化其設計施工方案，可以帶來顯著的工期和造價改進效果。

2.3.3 基于BIM 技術的施工及管理

實施一體化工程交付（Integrated Project Delivery，IPD），通過BIM 技術實現虛擬設計、建造、維護和管理，將項目的整個生命周期集中起來，實現4D建筑的動態、集成和可視化。將施工現場三維建模與工程進度關聯起來，結合施工資源、場地布局等信息，構建三維模型。在建筑工程施工階段，實施擴建工程進度、人員、材料、設備、成本和場地布局的動態一體化管理和可視化仿真，實現各個項目的共同參與；通過網絡實現項目各方的信息共享，實現文檔、圖檔的提交、審核和利用；項目各方通過網絡協作，開展改造的洽商、協調，實現對施工質量、安全、成本及進度的管理和監督[5]。在計算機上進行改造工藝，該虛擬模型可以在工程建設前，預測可能存在的問題，如工程方法試驗、施工過程模擬以及施工方案優化等。

3 結語

BIM 技術在建筑設計中得到廣泛應用，不僅促進了建筑業的科技進步，而且為提高工程質量創造了良好的技術環境。我國提倡引入綠色生態觀念，尤其在人口日益增多、各類建筑林立、交通擁擠以及污染嚴重等大環境下，要實現可持續發展，必須合理使用有限的空間。目前，建筑擴建及改造施工逐漸成為行業的熱門話題，但是由于建設規劃不夠系統，建筑設計不夠完善，導致工程質量受到很大影響。而將BIM 技術引入市政建筑設計中，可有效解決建筑擴建設計中出現的一些問題。