建設工程機電安裝中的BIM 協同與輕量化應用

王欣亮

(福建省建筑設計研究院有限公司)

在國家大力推進大數據應用的背景下，BIM 技術逐漸被廣泛應用，為提高工程建設的效率、質量及精度，當下大部分項目均要求BIM 技術應用于設計、施工、運維等階段，并對BIM 建模精度、多專業協同深化效果要求高。而現階段BIM 模型的應用較多停留在單專業建模、樣板段建模演示、精細化節點及3D效果圖漫游動畫等，且因軟件安裝繁雜，眾多軟件版權費用高，BIM 軟件對電腦配置要求高等因素，導致BIM 模型建而無用，各專業模型質量不統一，沒有采用協同軟件或者輕量化平臺開展協同。而隨著建筑業的發展，建設工程的復雜性不斷地提高，專業多，綜合體量大，使BIM 模型更加難以把控和應用，這些嚴重阻礙了BIM 技術的發展。本文以BIM 輕量化協同管控的項目應用實例，探討機電工程基于項目BIM 協同+輕量化的應用。

1.BIM 輕量化技術概述

BIM 輕量化技術是指將建筑信息模型進行輕量化處理，以減少數據量和提高計算效率，BIM 輕量化技術是BIM 輕量化引擎產品的核心技術，BIM 輕量化云平臺是集成BIM模型數據分析處理、模型可視化寫實顯示、多終端自由交互、接口二次開發的統一數據環境平臺，采用GPU 虛擬化技術，真正實現BIM 模型的用戶體驗“輕量化”，讓項目多端用戶“感覺很輕”的用戶體驗，即不管BIM 用戶的終端設備配置多么低，都可以多用戶同步并流暢使用大規模BIM 信息模型，且無需安裝任何軟件，避免了BIM 模型建而無用，實現零基礎用模型。

1.1 BIM 輕量化模型轉換的方法

BIM 輕量化模型是在不損失太多細節的情況下，將BIM 模型轉化為可以在瀏覽器中查看的格式。在瀏覽器查看BIM 輕量化模型，有許多軟件可以用來將BIM 模型進行輕量化模型格式的轉換，這些軟件通常會提供一個可導出的輕量化文件格式如.glb 或.gltf，在輕量化軟件中，可以選擇各種模型優化選項，以在保持模型細節和減少文件大小之間找到一個平衡，優化后的BIM 模型將被轉換為可以在瀏覽器中查看的格式，如WebGL 或Three.js，可以將模型導出為一個可以在瀏覽器中打開的文件，通常這個文件是一個.html 或.js 文件，其包含了可以在網頁上加載和查看的3D 模型，最后使用網頁瀏覽器打開導出的文件，即可在無需安裝軟件，網頁上查看和交互式地探索BIM 輕量化模型。

1.2 BIM 輕量化協同的存儲架構

BIM 輕量化模型協同的存儲，需滿足各方同步訪問的需求，因此可以在公有云和私有云中進行架設，可以選擇一家提供BIM 輕量化模型的云服務提供商，這些提供商通常會提供詳細的文檔和指南，以幫助用戶在其平臺上部署和管理BIM 輕量化模型，根據云服務提供商的文檔和指南，將BIM 輕量化模型部署到公有云中，通常這涉及創建一個虛擬機實例，安裝必要的軟件和庫，并將BIM 輕量化模型上傳到云存儲，根據需要配置公有云環境的安全性，設置訪問控制列表、加密通信和數據存儲等。而私有云架設費用與設備維護費用遠大于公有云，本文不過多贅述，無論選擇公有云還是私有云架設方式，都應該考慮安全性、可擴展性、靈活性和成本等因素。另外，一些BIM 輕量化軟件提供商可能提供專門的解決方案，這些解決方案可以簡化在公有云和私有云中部署和管理BIM 輕量化模型的過程。

1.3 BIM 輕量化協同的應用模式

BIM 輕量化協同平臺可以將大型BIM 模型轉化為輕量化格式，使其能夠在瀏覽器中流暢展示，方便各方參與者進行模型瀏覽、分析和討論。通過BIM 輕量化協同平臺，不同專業的工程師可以在同一平臺上進行模型創建、編輯和審核，可以集成多種數據源，對項目數據進行全面管理和分析，支持項目決策和優化。而現國內市場輕量化協同平臺較多，往往設計階段與施工階段因各方各持己見，均使用不同的輕量化協同平臺，導致項目數據無法階段性傳遞，因此輕量化協同管理平臺由建設單位統籌采購，費用由各階段使用單位均攤最為妥當，要求各階段必須沿用指定的輕量化協同平臺，有助于實現統一管理和協調、數據集成和管理、高效溝通和協作、降低成本和提高效益等目標。

2.項目BIM 協同+輕量化應用案例介紹

由于建筑業市場環境嚴峻，施工單位都采用各種精益化管理手段控制成本。如應用好BIM 技術與施工階段結合，統籌規劃以減少較多的返工及不確定性，因此項目在施工準備階段應定制好BIM 實施方案，規劃BIM 的應用方向及目標（流程如圖1 所示）。

圖1 應用目標及流程

項目之初BIM 應用目標就定義了先優化，后深化出圖，所有問題直接呈現在三維空間。以設計模型為基礎模型，開展施工優化，施工交底及施工深化，工程算量提取，形成數據與智能建造融合的管理模式。

2.1 設計階段BIM 傳遞至施工階段的BIM 核查及優化

在傳統項目中，施工準備階段，施工單位各專業負責人通過熟悉圖紙、設計說明、準備圖紙繪審和技術交底，編制特殊過程作業指導書及設備、材料周轉、半成品供應和加工計劃，往往花費大量精力在梳理圖紙中，而且施工階段遇到圖紙問題往往糾集大量項目參與人員召開協調會。因此項目之初為確保落實一套模型貫穿到底的理念，通過BIM 模型核查機電工程設計階段傳遞至施工階段的模型與圖紙一致性，并記錄圖紙有疑問的區域，做好技術交底及問題排查等工作（核查記錄表見圖2）。

圖2 圖模一致性核查記錄

2.2 專項承包商協同管理

依據各專項分包商拆分BIM 模型工作面，實現協同優化（組織結構見圖3）。因維修機庫項目的特殊性，涉及較多的工藝設備廠家，以及眾多甲指甲控的承包商，專項設計均需要在施工階段完成，因此項目在前期就通過模型以工作集形式的拆分，劃分好各區域的工作面，通過BIM 云平臺上的逐步完善更新的BIM 輕量化模型（如圖4 所示），把項目更新的圖紙與相關信息即時呈現給項目所有的參與者。此外可以根據各方的需求，在任何位置提供重要節點的剖面圖和立面圖信息，便于后續專項設計模型繼承至施工深化階段的傳遞，實現同步綜合協同優化的管控。

圖3 協同管理組織結構

2.3 明確各專項承包商BIM 模型交付標準及深度

在各承包商進場前進行約定，要求統一模型建立的標準，如構件命名要求、統一各單體及總平的高程信息、模型提交精度、系統分類原則、系統顏色區分、構件參數信息等（如圖5 所示）。所有構件均有明確詳細、完整規范的幾何信息以及非幾何信息，避免累贅[1]。并要求各供應商提供的BIM 模型到輕量化平臺中構件信息的完整性，需在Revit和輕量化平臺中直接查看到重要的設備屬性信息。要求在Revit 項目模型中能直接選中嵌套共享族的設備模型，查看嵌套設備模型屬性信息；實現設備模型中嵌套族構件與真實產品一一對應。

2.4 輕量化協同綜合模型可視化分析可行性

（1）數據準備

可視化分析需要各方依據工作面拆分的模型數據，專項深化后，作為輸入數據，因此需要確保數據的準確性和完整性。如果數據質量不高或者缺失，可視化分析的結果可能會受到影響，因此根據模型交付標準及深度約定提交模型，總承包單位審核并上傳輕量化平臺作為全專業綜合的依據。

（2）數據分析技能

輕量化協同綜合模型的可視化分析需要具備一定的數據分析技能和工程施工經驗。因此，需要具備相關技能和經驗的人員進行操作和分析，并具備相應的數據準備、模型選擇、可視化工具選擇和數據分析技能等方面的準備。

（3）階段性的模型綜合

不同的輕量化協同綜合模型適用于不同的數據類型和分析任務。因此，需要根據具體的問題選擇對應的專項模型進行可視化分析，施工深化階段的綜合協同一樣需要逐序漸進的進行，依據各專項提交各自工作面的深化時間節點開展綜合分析（如圖6、圖7 所示）。

圖7 工藝設備廠家的專項深化綜合分析

（4）碰撞可視化分析及問題解決方案

通過各專項深化模型的綜合分析后，在輕量化平臺記錄問題點并發起協同流程，并以周例會形式協同討論各方解決方案，優化個專項深化設計的避讓問題。

2.5 輕量化綜合協同與傳統CAD 疊圖工作方式的對比

（1）工作流程

傳統的項目工作模式中DWG、Word、PDF 等文檔需要安裝軟件下載文件后本地電腦查閱。而BIM 輕量化協同平臺，僅需上傳上述文檔，各方均可在網頁端瀏覽、實現多版本DWG 圖紙疊圖對比、圖紙問題反饋等一系列工作。

（2）工作方式

傳統的CAD 疊圖協同方式是通過將多個CAD 文件疊加在一起，形成一個完整的平面圖。而BIM 輕量化協同則是通過多個專項深化模型，以輕量化形式整合至一個模型中，進行三維空間的協同深化。

（3）工作效率

傳統的CAD 疊圖后，各專業各自完成修改，且并不能完全解決問題，往往需要多個環節反復對接，工作效率低下。而輕量化協同可以通過一個整合的模型文件進行多個子模型的輕量化協同優化，工作效率更高。

（4）精度和準確性

傳統的CAD 疊圖方式可能會因為人為操作和文件轉換等因素導致精度和準確性下降。而BIM 輕量化綜合協同模型采用的是與施工圖一致的，按約定要求交付的高精度模型，可以保證模型的精度和準確性。

綜上所述，輕量化協同綜合模型相比于傳統的CAD 疊圖方式具有更高的工作效率和精度、準確度，適用于復雜的項目模型優化。

2.6 全專業協同后的預留預埋BIM 出圖及二維碼分享

通過上述全專業綜合后的BIM 輕量化協同，開展項目的預留預埋出白圖，是指對建筑、結構、機電、消防等專業并結合后續進場的各專項供應商深化的BIM 模型預留后，生成的預留預埋BIM 模型的白圖（見圖8、圖9 所示）。通過對這些信息進行綜合和分析及排布定稿，可以生成預留預埋BIM 模型的白圖，通過BIM 輕量化協同平臺的文件分享功能生成二維碼，粘貼至實施區域，可用于指導實際施工中的預留預埋工作，提高施工效率和質量。

圖8 區域三維剖切圖

圖9 圖紙分享二維碼

2.7 BIM 協同綜合后的管綜出圖及AR 復核實踐

BIM 協同綜合將各個專業的BIM 模型進行集成和協調，管綜出圖是BIM 協同綜合的重要輸出之一，它包含了各個專業的管道綜合布置圖和施工圖紙等信息，通過多個專業會共同協作，對建筑內部的各種管道進行綜合布局和優化，基于預留預埋的管線敷設位置、工藝設備的布置、鋼結構的構件避讓、空間的凈高舒適性、室內空間的美觀性、施工階段的經濟性、施工及檢修的便捷性以確保BIM 模型與現場實際情況保持一致（見圖10 所示）。而結合AR（增強現實）復核則是利用AR 技術對BIM 模型進行現場校核和調整，通過移動端應用程序開啟攝像頭對比現場完成情況（見圖11 所示）。

圖10 管綜出圖

圖11 BIM 結合AR 復核一致性

3.實證研究

由于建設方并未計劃專用資金投入施工BIM 應用，大部分BIM 技術應用都會要求施工單位完成，如軟件采購、培訓、模型繪制、模型修改等，都投入了大量的勞動力及時間周期。經過多個項目應用，證實施工總承包單位在整個BIM 協同管理模式中都無法主導項目進展，現僅停留在BIM 數據框架，運用數據、更新數據、優化協同施工、規劃好各工作面施工進場順序，從而降低成本等。

控制成本的降低主要有兩個方面，一是因為近幾年國家BIM 標準及各地應用要求的統一，設計院均在設計階段提交設計BIM 模型，施工單位依據設計BIM 模型開展會審，提高了圖紙理解、施組編制、物資采購的效率。如本文提到的BIM 全專業綜合出圖應用，是被認為將數據模型輕量化后最實際的應用，既提高了各專業圖紙理解效率，又避免了因各專業沖突導致反復拆改的問題。二是BIM 協同工作模式在搭建模型之后不再需要周期性地計算工程量，而是在已有BIM 數據模型上直接按照形象進度提取模型工程量作為參考[2]。由于參建各方使用的是平臺上的同一數據源，故輸出的施工模型工程量也是和現場一致的，不存在爭議，使項目推進有著明顯的提升。

4.未來發展趨勢和前景

（1）移動端BIM 應用成熟化

在建筑施工領域，參建各方的管理人員將在未來配備這些移動設備，可以在工作現場進行應用及指導，運用手機、平板等功能愈發成熟，如AR、MR 等技術的引入，可快速讓項目參與者理解項目整體的數字化建造過程及工藝工法[3]。

（2）無線傳感器+5G 網絡的普及

將傳感器植入建筑中，可以實時監測建筑的溫度、濕度、光照等參數，為建筑節能及安全等方面提供保障，如智慧工地的普及。

（3）扁平化BIM 協同模式

扁平化協同模式要建設完善的BIM 實施策劃，必須通過制定協同工作流程來保障和協同，使BIM 可以在項目生命周期內實現總價值的最大化[4]。

（4）BIM+精益化管理

在BIM 輕量化協同管理的基礎上增加各自企業的管理流程及審批流程，并提供數據傳遞至企業EPR 系統，實現企業管理的精細化管控[5]。

5.總結

總之，BIM 協同+輕量化應用將會在建筑行業中發揮越來越重要的作用，為建筑行業的可持續發展和企業的核心競爭能力的提升提供更有效的手段。隨著技術的不斷發展和進步，未來BIM 協同將更加注重多方參與和信息共享，輕量化應用將更加注重模型的真實性和操作便捷性，同時BIM 協同與輕量化應用的結合將會為建設工程施工帶來更多的創新和變革。