BIM技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)與施工階段的應(yīng)用分析

吳 浩

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司東北分院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

建筑工程的建設(shè)過程包含多個(gè)步驟，例如項(xiàng)目規(guī)劃、勘測(cè)設(shè)計(jì)、土木施工、管線施工、內(nèi)外裝修、竣工驗(yàn)收等，由于建筑工程的施工環(huán)節(jié)、施工單位較多，所以各個(gè)部門之間的溝通和信息傳遞常存在不及時(shí)的情況，從而導(dǎo)致工期和工程的質(zhì)量受到影響[1]。

建筑信息模型（BIM）技術(shù)以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，集成了建筑項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的各種信息，為各方參與者提供了一個(gè)協(xié)同工作的平臺(tái)。通過應(yīng)用BIM技術(shù)，可有效完成建筑工程整個(gè)生命周期（設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)）的信息共享和交互[2]，能夠在各個(gè)單位和企業(yè)中實(shí)現(xiàn)溝通和協(xié)同，以此提升建筑的施工效率、降低施工成本、縮短施工工期[3]。本文以辦公建筑項(xiàng)目為例，研究BIM技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)和施工階段中的應(yīng)用，分析其應(yīng)用價(jià)值，為同行提供參考。

1 工程概況

某辦公建筑工程項(xiàng)目整體為9 層設(shè)計(jì)，建筑總面積為4068.25m2，樓梯總高度為28m，屬于剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為3 級(jí)，建筑的使用年限為50a，耐火等級(jí)為2級(jí)，屋面防水等級(jí)為I級(jí)。

2 基于BIM技術(shù)的應(yīng)用總體框架

建筑工程設(shè)計(jì)和施工管理是工程建設(shè)中的重要工作。當(dāng)前的建筑設(shè)計(jì)通常是對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行拆分和深化設(shè)計(jì)，當(dāng)裝配精細(xì)化程度較高時(shí)，傳統(tǒng)的管理方式無法保證建筑信息的共享，會(huì)嚴(yán)重影響建筑的施工效率和施工質(zhì)量[4]。該工程采用BIM 技術(shù)進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)方式，在優(yōu)化工程各部位設(shè)計(jì)的同時(shí)，較好地完成各部位設(shè)計(jì)流程的串聯(lián)。基于BIM 技術(shù)的工程設(shè)計(jì)和施工階段的應(yīng)用框架如圖1所示。

圖1 案例工程設(shè)計(jì)和施工階段的BIM技術(shù)應(yīng)用框架

在該工程的BIM 技術(shù)總體應(yīng)用框架中，利用BIM軟件Revit 進(jìn)行建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和實(shí)時(shí)溝通，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。利用PKPM-BIM、HiBIM 和Navisworks-HiBIM 進(jìn)行碰撞檢測(cè)、施工模擬和進(jìn)度預(yù)測(cè)等，其可以與Revit 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，進(jìn)行施工模擬和優(yōu)化，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的沖突和問題，避免施工中的變更和返工，實(shí)現(xiàn)施工資源的合理配置和動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過BIM 軟件的參數(shù)化建模功能，可有效完成建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等各專業(yè)模型的快速創(chuàng)建和修改，實(shí)現(xiàn)其在施工階段的具體應(yīng)用。

以該工程的初始設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)，構(gòu)建工程對(duì)應(yīng)BIM模型，結(jié)果如圖2所示。

完成該工程的模型構(gòu)建后，對(duì)其設(shè)計(jì)、施工、管線布置以及工程量統(tǒng)計(jì)等步驟進(jìn)行優(yōu)化。通過BIM 模型的可視化模擬和自動(dòng)模擬功能，可實(shí)現(xiàn)該工程的整體可視化和復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工自動(dòng)模擬，呈現(xiàn)出整體的設(shè)計(jì)施工情況，有利于該工程不同施工部位的進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、工程安全管理、成本管理以及建筑信息管理。

3 基于BIM技術(shù)的建筑工程設(shè)計(jì)框架

建筑工程的設(shè)計(jì)直接決定了其合理性以及后期的使用性能[5]。BIM 技術(shù)在該工程建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用框架如圖3所示。

圖3 基于BIM技術(shù)的工程設(shè)計(jì)框架

BIM 技術(shù)能夠完成整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)，確保建筑工程設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)性。在設(shè)計(jì)階段，通過BIM 技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)地分析和方案規(guī)劃設(shè)計(jì)，并構(gòu)建初步模型；然后利用BIM 技術(shù)進(jìn)行施工圖紙的深化設(shè)計(jì)和優(yōu)化，確保施工圖紙的準(zhǔn)確性和可行性；在此基礎(chǔ)上，通過集成設(shè)計(jì)因子及各專業(yè)的協(xié)同，構(gòu)建BIM 交付模型，最終完成BIM技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

4 基于BIM技術(shù)的建筑工程施工進(jìn)度管理

4.1 建筑工程施工進(jìn)度管理

有效的施工進(jìn)度管理對(duì)于建筑工程的施工效率、施工質(zhì)量的提升具有重要意義。通過BIM 建筑模型對(duì)該工程的施工過程進(jìn)行可視化模擬，掌握不同施工內(nèi)容的施工進(jìn)度情況，以便對(duì)各個(gè)施工內(nèi)容進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，以此提升施工效率。該工程基于BIM 技術(shù)的施工進(jìn)度管理流程如圖4所示。

圖4 基于BIM技術(shù)的工程施工進(jìn)度管理流程

在該工程整體施工進(jìn)度管理過程中，主要以構(gòu)建的三維BIM 模型為基礎(chǔ)，引入時(shí)間參數(shù)后形成4D 施工進(jìn)度管理模型，通過該模型完成施工進(jìn)度的實(shí)時(shí)模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況進(jìn)行模型更新，同時(shí)完成更新結(jié)果的可視化展示，從而全面掌握施工階段的詳細(xì)情況。

4.2 施工階段的工期預(yù)測(cè)方法

為進(jìn)一步提升該工程施工進(jìn)度管理階段的精準(zhǔn)掌握程度，在BIM4D模型加入工期預(yù)測(cè)模型，通過二者的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)該工程建設(shè)過程中工期進(jìn)度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

為保證該工程施工進(jìn)度的預(yù)測(cè)精度，采用定量分析法的回歸預(yù)測(cè)模型作為施工進(jìn)度預(yù)測(cè)模型；并在預(yù)測(cè)前，結(jié)合相關(guān)的建筑工程資源數(shù)據(jù)庫以及現(xiàn)場(chǎng)施工的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定施工進(jìn)度的影響因素，其主要分為一級(jí)因素和二級(jí)因素，各個(gè)因素詳情如表1所示。

表1 施工進(jìn)度影響因素

回歸預(yù)測(cè)模型在對(duì)該工程施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，將BIM模型中提供的工程實(shí)際進(jìn)度信息，作為建筑施工工期預(yù)測(cè)所需數(shù)據(jù)，依據(jù)該數(shù)據(jù)完成后續(xù)工序的工期預(yù)測(cè)，分析施工進(jìn)度的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)工期進(jìn)度的偏差進(jìn)行分析，依據(jù)偏差結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。

如果現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，各個(gè)工序的實(shí)際持續(xù)時(shí)間用Ti表示，其中i=1,2,……n；n表示建筑的施工工序數(shù)量，如果影響施工進(jìn)度的因素?cái)?shù)量為m，為保證工期預(yù)測(cè)結(jié)果，將影響因素確定至二級(jí)影響指標(biāo)，測(cè)試工期預(yù)測(cè)回歸模型的公式為：

式中：λi——第i個(gè)影響因素的偏回歸系數(shù)；

μ——隨機(jī)誤差。

通過最小二乘法對(duì)各個(gè)影響因素的λi進(jìn)行計(jì)算，基于此工期的預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算公式為：

通過上述預(yù)測(cè)模型即可完成后續(xù)工期的預(yù)測(cè)，結(jié)合該預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際施工所需的人員、材料以及物資需求情況，進(jìn)行相關(guān)資源的調(diào)度和分配，提升施工管理效果，有效縮短施工工期。

4.3 基于BIM技術(shù)的施工進(jìn)度管理效果

為進(jìn)一步分析BIM 技術(shù)在該工程施工進(jìn)度管理中的應(yīng)用效果，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)分析：

依據(jù)式（3）獲取本文方法應(yīng)用后，各工序的施工進(jìn)度預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際工期結(jié)果的吻合情況如圖5所示。

圖5 施工進(jìn)度預(yù)測(cè)結(jié)果

依據(jù)圖5的測(cè)試結(jié)果可知：利用BIM技術(shù)對(duì)建筑工程施工階段工期進(jìn)行預(yù)測(cè)后，預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際施工結(jié)果之間吻合程度較高。這說明上述方法應(yīng)用效果較好，能夠精準(zhǔn)掌握建筑工程施工工期的進(jìn)度情況，為施工階段的管理提供可靠依據(jù)。

5 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)與施工階段的應(yīng)用價(jià)值分析

5.1 設(shè)計(jì)階段

參數(shù)化設(shè)計(jì)：BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，即構(gòu)件的尺寸、形狀等屬性可以通過參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。大大提高了設(shè)計(jì)師的工作效率，使設(shè)計(jì)方案更加靈活和優(yōu)化。

協(xié)同設(shè)計(jì)：BIM 技術(shù)將傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為三維可視化模型，不同專業(yè)的設(shè)計(jì)師可以在同一平臺(tái)上進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)共享。這避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中的信息孤島問題，減少了設(shè)計(jì)沖突和錯(cuò)誤。

碰撞檢測(cè)：BIM 技術(shù)可以進(jìn)行碰撞檢測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的沖突和問題。這有助于設(shè)計(jì)師及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，避免施工階段的變更和返工。

可視化設(shè)計(jì)：BIM技術(shù)可以將設(shè)計(jì)方案以三維可視化的形式展現(xiàn)出來，使設(shè)計(jì)師更加直觀地了解建筑的整體結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系。這有助于設(shè)計(jì)師更好地理解業(yè)主的需求，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

5.2 施工階段

施工模擬：通過BIM 技術(shù)，施工團(tuán)隊(duì)可以在施工前進(jìn)行施工模擬，預(yù)測(cè)施工過程中可能出現(xiàn)的問題，并制定相應(yīng)的解決方案。這有助于優(yōu)化施工方案，提高施工效率和質(zhì)量。

材料設(shè)備管理：BIM模型可以包含材料設(shè)備的詳細(xì)信息，如規(guī)格、型號(hào)、數(shù)量等。施工團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)模型進(jìn)行材料設(shè)備的采購、庫存和領(lǐng)用管理，實(shí)現(xiàn)材料設(shè)備的精細(xì)化管理。

進(jìn)度管理：通過BIM技術(shù)，施工團(tuán)隊(duì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控施工進(jìn)度，并與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比。這有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)度偏差，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整，確保項(xiàng)目按時(shí)完成。

成本控制：BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)施工成本的估算和分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工的成本變化。這有助于施工團(tuán)隊(duì)更好地控制成本，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

本文以辦公建筑工程項(xiàng)目為例，首先構(gòu)建工程設(shè)計(jì)和施工階段的BIM應(yīng)用框架，然后根據(jù)框架構(gòu)建該工程的BIM 三維模型，并在模型中完成工程的建筑規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、施工方案設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)以及建筑工程施工管理；同時(shí)結(jié)合回歸預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)施工工期。實(shí)踐證明：BIM技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)與施工階段中的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提高施工效率和質(zhì)量、降低工程成本和風(fēng)險(xiǎn)等方面。同時(shí)，BIM 技術(shù)還有助于增強(qiáng)各方的溝通和協(xié)作能力，推動(dòng)建筑行業(yè)向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。