BIM技術在建筑工程領域的應用

祝鳳丹　黃有文

摘 要：目前，伴隨著我國建筑技術的進步和建筑行業(yè)日益復雜，建筑業(yè)還存在著設計和生產(chǎn)效率低、資源能源消耗大、安全事故頻發(fā)、環(huán)境污染等問題。BIM技術在建筑工程領域的應用已經(jīng)成為一種趨勢，BIM通過創(chuàng)建一個三維數(shù)字模型來集成建筑項目的各個方面，包括設計、施工、運營和維護等，可在虛擬模擬環(huán)境中改進設計施工方案、管線沖突檢測、建筑環(huán)境的可視化等問題。同時BIM還加入了如能源分析、預制裝配式房屋建筑跟蹤管理、工地安全風險識別及能耗分析等功能，因此，BIM技術的應用為建筑工程帶來了更高效、可持續(xù)和協(xié)同的工作方式，使建筑行業(yè)朝著數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。

關鍵詞：BIM；建筑工程；信息化；應用

1 前言

據(jù)《2022年建筑業(yè)發(fā)展統(tǒng)計分析》中顯示，全國建筑施工面積156.45億平方米，竣工面積40.55億平方米，建筑業(yè)總產(chǎn)值311979.84億元[1]，而建筑業(yè)的生產(chǎn)效率并沒有得到顯著提高。與其他行業(yè)相比，建筑業(yè)仍面臨利潤率低、勞動力結構性短缺、勞動力和稅負成本高及業(yè)主要求多樣化等問題，同時又面臨著噪音污染、溫室氣體、灰塵、建筑垃圾和不可再生自然資源的高消耗等問題的加劇，這就要求建筑業(yè)加快轉型升級。我國作為全球最大的建筑市場，正面臨著可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，加快推進建筑業(yè)信息化進程已是必然的選擇。

住房和城鄉(xiāng)建設部《“十四五”工程勘察設計行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出要推動工程勘察設計行業(yè)數(shù)字轉型，提升發(fā)展效能，推進BIM全過程應用[2]。BIM（Building Information Modeling，建筑信息建模）也稱為nD虛擬模型，該技術的應用有望降低項目管理的復雜性和難度，能保證生成信息的質量以及信息流暢傳達。因此，國內建筑業(yè)BIM的應用推廣研究非常重要。

2建筑信息模型的應用范圍及意義

2.1建筑信息模型的應用范圍

越三邊工程、越大型復雜工程、越工程緊成本壓力大的工程，越應該用BIM 技術。BIM 中的 M 就是 Modeling，意味著信息的創(chuàng)建本是一個動態(tài)的過程，不需要一步到位。BIM 軟件提供了一個高效動態(tài)增加、處理信息的平臺，比傳統(tǒng)方法要高效很多。例如一個樓層層高增加50CM，傳統(tǒng)方法要將新的數(shù)十個工程量數(shù)據(jù)重新整理出來，要很長周期（實際項目中往往按月計算），而在 BIM 軟件里，只要調整一個層高參數(shù)，重新計算就行，可能是幾分鐘時間就調整好了，新的一套數(shù)據(jù)就出來了。其中BIM的設計類軟件有 Revit 系列軟件和Bentley系列軟件，BIM的施工類軟件有Navisworks Manage等。

2.2 BIM在建筑項目中應用的意義

2.2.1提高設計效率

BIM可以將建筑設計轉化為數(shù)字模型進行協(xié)同工作。以減少信息傳遞的錯誤和重復，提高設計過程的效率。

2.2.2減少設計錯誤和沖突

BIM可以在三維模型上進行碰撞檢測，及時發(fā)現(xiàn)設計錯誤和沖突，避免在施工過程中產(chǎn)生問題。通過可視化的方式，設計人員可以更好地理解和評估設計方案，減少設計缺陷的出現(xiàn)。

2.2.3提高施工效率

BIM可以用于施工過程中的空間布置、設備定位、線路鋪設等工作。通過BIM，可以準確預測施工過程中可能遇到的問題，并提前解決，從而提高施工效率。

2.2.4方便管理和維護

BIM模型包含了建筑的詳細信息，包括材料、設備、維護手冊等，這使得建筑管理和維護更加方便。維護人員可以從BIM模型中獲取所需的信息，準確快速地進行維護工作。

2.2.5提供決策依據(jù)

BIM模型可以幫助項目相關人員進行各種決策。通過模擬和分析，可以評估不同設計方案的優(yōu)劣，制定合理的施工計劃和預算，并進行風險評估等。

3 BIM技術在建筑工程各領域的應用

3.1在復雜建筑空間和管線碰撞的應用

處理復雜建筑空間設計時，尤其是非歐幾何形體建筑，須借助BIM來實現(xiàn)對各部分的空間表達。可采用Revit和Rhino軟件創(chuàng)建內外部三維模型，確保機電管線高度滿足室內凈高要求和穿梁預留洞口的合理布置，如建筑的通風、給排水、照明等等。

一般情況下，較大的管徑優(yōu)先建模，然后逐漸向較小的管徑過渡。這樣做的好處是可以保證較大的管線得到合理的空間布置，并且較小的管線可以更容易避讓較大的管線。由于橫向的重力排水管較為獨特，需要在其他管線之前進行建模，這是因為該管道通常需要一定的高度和傾斜度，以保證排水流暢。因此，在建模順序中，首先應建模橫向重力排水管的路徑和位置。

3.2工程資料信息化管理

BIM的優(yōu)勢不僅在于促進設計和施工的精確性和一致性，還在于其對環(huán)境保護的積極影響。BIM三維設計的無紙化趨勢以及利用BIM5D平臺進行信息化管理是當前綠色環(huán)保發(fā)展的重要方向之一，這種趨勢符合現(xiàn)代社會對環(huán)保的要求。

傳統(tǒng)的設計過程通常伴隨著大量紙質文件的使用，包括設計圖紙、施工圖紙、合同和文件備案等。然而，這種紙質化的設計過程不僅對環(huán)境造成了不小的負擔，還存在著許多缺點。例如，紙質文件易于損毀、遺失或被錯誤地修改，需要耗費大量時間和空間進行儲存和管理，并且對于設計團隊之間的協(xié)作和溝通也不方便。

BIM三維設計采用無紙化的工作流程，通過電子化的方式管理項目資料。設計團隊可以利用BIM5D平臺在線添加批注，進行文件審閱，方便快捷地溝通和協(xié)作。這不僅可以減少紙質文件的使用，減輕對環(huán)境的負擔，還提高了設計團隊的工作效率。設計團隊成員可以隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)訪問項目文件，避免了傳統(tǒng)設計過程中因物理位置的限制而導致的信息不暢通。

另外，BIM三維設計還具備自動記錄和保留文檔歷史版本的功能。傳統(tǒng)的設計過程中，如果設計團隊需要查閱早期版本的文件，需要耗費大量時間和精力進行整理和查找。而采用BIM平臺進行設計，可以自動記錄和保留每個版本的文檔，方便設計團隊追溯和查閱文檔的歷史信息。這對于項目審查和質量控制非常重要，同時也提高了設計團隊的工作效率。

此外，BIM三維設計的無紙化趨勢還賦予了設計團隊更多的交互與協(xié)作機會。在設計過程中，團隊成員可以通過BIM平臺進行評論、討論和協(xié)作，實現(xiàn)即時的溝通和問題解決。這種在線協(xié)作的方式不僅節(jié)省了時間和資源，還提高了設計團隊的整體效能。

3.3采用BIM建模進行構件精細化制造和施工

利用BIM技術對鋼結構和幕墻單元板塊構件進行電腦預拼裝，可以大幅提高鋼結構和幕墻深化設計和加工效率，降低加工成本。一般鋼牛腿設計、加工、檢測、信息化預拼裝流程如下：首先，導入單元BIM模型文件，從模型摘取實際構件轉化為平面加工圖，然后直接導入設備加工，并對加工件進行測量構件修正調整，利用絕對關節(jié)臂測量儀測量加工件數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)修正，最后通過犀牛Rhino拉伸成牛腿模型，將實測后生成的構件模型導入進行預拼裝機電專業(yè)利用BIM技術進行深化設計、預拼裝。

三維協(xié)同下留洞口并統(tǒng)計成清晰的列表，方便查找，預留洞口圖準確率大大提高，減少了設計缺陷外且便于修改。在土建模型中識別臨邊、洞口等危險源，快速建立安全防護體系并由第三人進行漫游論證；利用模型交底指導現(xiàn)場安全防護布置；管理人員利用移動端對現(xiàn)場危險源逐一檢查，保證對危險源的全面控制；結合施工進度，統(tǒng)計各階段安全防護設施需求計劃，用于現(xiàn)場計量和加工。

3.4 BIM技術在安全施工與管理中的應用

基于BIM的建筑施工安全管理體系的重點和作用如下：其中所應用的BIM技術是數(shù)字化的基礎，虛擬樣機技術、虛擬現(xiàn)實技術、智能監(jiān)控技術都是新的信息技術。

（1）危險因素的識別。BIM系統(tǒng)包含有關建筑部件和施工進度表的信息。該時間表包括所有活動的信息，并形成一個四維模型，可用于識別和標示施工現(xiàn)場的潛在危險，將區(qū)域的危險程度描述為紅、橙、黃、綠，指導施工并明確施工活動，有效地避免安全事故的發(fā)生。此外，BIM還可與各種類型的傳感器相結合，生成塔式起重機導航系統(tǒng)，能夠避免塔式起重機操作時因周圍環(huán)境干擾產(chǎn)生盲點問題。

（2）施工空間沖突管理主要集中在施工現(xiàn)場有限空間內的大量機械、設施、材料和人員上。由于建設項目的復雜性，不同類型工作之間的工作沖突經(jīng)常發(fā)生在同一工作空間中，安全事件頻繁發(fā)生，需制定有效利用現(xiàn)場資源和工作空間的方案，縮短工期，減少成本和浪費，減少安全事故，具有重要意義。

（3）在施工現(xiàn)場進行安全控制。將BIM技術應用于現(xiàn)場布局和安全規(guī)劃的模擬中，可以有效避免設備與工作人員之間的工作空間沖突。BIM技術的應用還可以自動檢查施工過程，并評估各施工區(qū)域的墜落風險。在施工開始前，可制定一個安全的施工計劃。何時、何種方式防止建筑安全事故，也適用于模擬建筑物的消防安全疏散過程。

3.5 BIM在預制裝配式房屋建筑中的應用

預制裝配式房屋建筑是一種新的可持續(xù)建設方式，可以減少建筑工地現(xiàn)場的工作量，減少污染，縮短施工時間，并提高安全性。然而，實際生產(chǎn)過程中的許多問題（如預制件的質量檢查、儲存和安裝）主要是由于信息的收集和共享不足造成的。為了更好地監(jiān)控和有效地管理預制過程，將RFID與BIM整合到預制構件上，確保裝配式施工項目各步驟之間有效、即時地信息流通和信息的可追溯性，通過跟蹤生產(chǎn)線上的部件狀態(tài)，實現(xiàn)準確的生產(chǎn)過程記錄。根據(jù)RFID數(shù)據(jù)反映的實時施工進度，動態(tài)更新運輸和倉儲方案，提高施工現(xiàn)場構件安裝效率，在施工和裝配階段實時記錄施工進度，建立高效的預制件運維定位體系，供運維階段使用。

3.6 BIM在建筑綠色節(jié)能方面的應用

BIM在建筑綠色節(jié)能中可以從以下幾方面幫助設計師和建筑師在建筑設計和建設過程中更好地考慮能源效率和環(huán)境保護問題：

（1）有害廢棄物管理

有些材料，如石棉，直到在建筑中使用多年后才被認為是危險的。保存現(xiàn)有建筑物的材料信息記錄至關重要，因為將來可能需要從建筑物中移除含有某些化學物質的材料。在這種情況下，設施管理人員、建筑師和工程師可以使用BIM來了解建筑物中是否存在這些危險材料，并使用BIM的功能（如可視化、計算和分析）來支持危險廢物清除的行動。將危險材料數(shù)據(jù)庫與BIM連接起來，以識別含石棉材料，并為年度減排報告提供相關信息。

（2）能源分析

建筑物的運行效率不高，每年消耗全球能源的30%-40%，BIM可以幫助實現(xiàn)能源分析，可以通過在建模過程中添加能源分析工具來實現(xiàn)。這樣，建筑師和工程師可以根據(jù)建筑的設計和布局來預測其能源消耗情況，并作出相應的調整來減少能源的使用。

（3）模擬裝修材料的性能

BIM可以用來模擬不同的建筑材料，這些材料的性能對建筑節(jié)能有很大的影響。例如，不同的墻體隔熱材料、門窗設計等等都可以通過BIM來模擬和評估，找到最優(yōu)的建筑材料和設計方案。

（4）優(yōu)化機電系統(tǒng)

能源消耗量的很大部分與建筑的機電系統(tǒng)有關。BIM可以幫助優(yōu)化機電系統(tǒng)，例如通過模擬日照和氣流信息來確定最優(yōu)的照明設備和舒適的通風系統(tǒng)。

4 結論

建設行業(yè)優(yōu)化升級行之有效的方法就是借助BIM進行精細化設計，盡管BIM在建筑行業(yè)帶來了許多好處和機會，但在應用過程中仍然面臨一些挑戰(zhàn)。如BIM的有效應用需要大量準確的數(shù)據(jù)，包括建筑信息、材料屬性、設備參數(shù)等。然而，獲取和輸入數(shù)據(jù)的過程中可能存在錯誤和不完整性，影響了模型的準確性和可靠性。BIM通常需要整合多個不同來源和格式的數(shù)據(jù)，包括設計軟件、施工軟件、設備數(shù)據(jù)庫等。數(shù)據(jù)集成的過程中，可能存在不兼容和沖突的問題，需要解決數(shù)據(jù)一致性和完整性的挑戰(zhàn)。BIM的應用需要使用專業(yè)的軟件和工具，對于一些小規(guī)模或資源有限的建筑項目來說，可能面臨技術要求和學習曲線較高的問題，同時，涉及大規(guī)模項目的協(xié)同合作也需要一定的技術支持和培訓。BIM涉及大量敏感的建筑和項目數(shù)據(jù)，如設計方案、技術規(guī)格、成本估算等。保護數(shù)據(jù)的安全和隱私是一個重要的問題，需要確保數(shù)據(jù)的訪問和使用受到適當?shù)臋嘞藓捅Ｗo。通過不斷地技術發(fā)展和經(jīng)驗積累，這些問題可以逐漸得到解決，并促進BIM在建筑領域更廣泛的應用和發(fā)展。

參考文獻

[1]張烈霞，郭靖，程昀.基于BIM技術的超高層型鋼混凝土結構節(jié)點碰撞檢測分析[J].智能建筑與智慧城市，2023（06）：45-48.

[2]郝津.淺論BIM技術在國內發(fā)展的障礙與對策[J].佛山陶瓷，2022，32（12）：69-71.