BIM技術(shù)在智能建造中的應(yīng)用
——以新建常熟市工人文化宮項(xiàng)目為例

李裘鵬 周瑜 殷騰

常熟市恒翔建設(shè)有限公司 江蘇 蘇州 215500

建筑業(yè)因?yàn)轶w量大、周期長、專業(yè)類型多導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)管理難度不斷加大，為滿足建筑業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，建筑信息建模技術(shù)（Building Information Modeling，簡稱BIM技術(shù)）近年來應(yīng)用不斷增多。它是一種通過集成信息模型的三維成像技術(shù)，通過三維可視化的建模以及模型屬性賦予可以詳細(xì)清晰的呈現(xiàn)建筑的各類信息，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性的特點(diǎn)，滿足前期設(shè)計(jì)、方案調(diào)整以及施工管理和后期運(yùn)營的需求。目前對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用逐漸趨于成熟，各類“BIM+”模式不斷推陳出新，本文介紹了BIM技術(shù)在工程實(shí)例中的應(yīng)用，注重描寫“BIM+AR”的實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明BIM+AR技術(shù)相較于傳統(tǒng)BIM技術(shù)有著一定的優(yōu)勢(shì)，與施工現(xiàn)場(chǎng)可以緊密貼合，有著廣闊的發(fā)展前景。

1 研究現(xiàn)狀

BIM技術(shù)因其可視化能力出眾，得到了工程類項(xiàng)目的青睞。近些年對(duì)BIM技術(shù)的研究不斷深化，可以應(yīng)用的方面也越來越多。同時(shí)隨著科技技術(shù)的發(fā)展，BIM與其他配套軟件的聯(lián)合應(yīng)用也越來越多，這些聯(lián)合應(yīng)用增強(qiáng)了BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了BIM技術(shù)的不足。李建強(qiáng)[1]利用BIM+VR技術(shù)對(duì)地鐵項(xiàng)目進(jìn)行研究，基于fuzor平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)合，分析了項(xiàng)目周邊環(huán)境，闡述了交互式?jīng)_突管理以及沉浸式安全交底的功能，驗(yàn)證了其聯(lián)合應(yīng)用的可行性；吳弦駿[2]利用實(shí)景三維模型與BIM技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)了二者的無縫融合，通過工程實(shí)例探討了三維模型的建模與處理，BIM技術(shù)集成以及信息處理等問題，基于“GIS+BIM+業(yè)務(wù)”的理念，在工程全過程深化應(yīng)用，驗(yàn)證其可行性；胡振中[3]分別從數(shù)據(jù)處理以及挖掘分析兩個(gè)方面對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行總結(jié)歸納，對(duì)BIM技術(shù)與工程瓶頸問題進(jìn)行分析，探討了工程數(shù)字領(lǐng)域、城市信息模型以及工程數(shù)字圖譜三個(gè)發(fā)展方向。目前對(duì)BIM技術(shù)的研究與應(yīng)用已成百花齊放的態(tài)勢(shì)，經(jīng)過各類學(xué)者的研究與探索，“BIM+”模式不斷完善與發(fā)展，成為提升管理水平，降低管理成本，簡化繁瑣操作的重要一環(huán)。

2 工程概況及特點(diǎn)

新建新工人文化官項(xiàng)目位于常福街道深圳路以北、珠海路以西，規(guī)劃用地面積31660m2。該項(xiàng)目為地上六層，地下一層的框架結(jié)構(gòu)，建筑高度39.1m。總建筑面積65640.78m2，其中地上建筑面積47597.43m2、地下建筑面積18043.35m2。屋頂為大跨度弧形鋼梁，單根鋼梁最大跨度為11.4m，屋面板為0.8mm厚鋁鎂錳金屬屋面。外圍為玻璃幕墻和鋁合金幕墻。該工程計(jì)劃申報(bào)國家優(yōu)質(zhì)工程、蘇州BIM示范工地。本次工程全程采用BIM技術(shù)輔助管理，包括圖紙深化、管線優(yōu)化、碰撞檢查、三維漫游、模型平臺(tái)建立等，在實(shí)際施工過程中的應(yīng)用BIM+AR技術(shù)進(jìn)行施工方案調(diào)正、技術(shù)交底以及施工檢查驗(yàn)收等。

3 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

3.1 在項(xiàng)目方案階段的應(yīng)用

方案階段除了設(shè)計(jì)師對(duì)項(xiàng)目總圖的排布和單體內(nèi)每層房間功能的設(shè)定外，還可以借助BIM技術(shù)提供概要模型。利用BIM軟件對(duì)項(xiàng)目的周邊環(huán)境進(jìn)行分析代入，對(duì)項(xiàng)目的物理環(huán)境信息(如采光日照等)、出入口的動(dòng)線流線設(shè)置、主體結(jié)構(gòu)的形式，綠建節(jié)能系統(tǒng)等方面做初步模擬分析，結(jié)合本項(xiàng)目在城北片區(qū)的周邊地理人文環(huán)境，選出最佳方案。

3.2 在項(xiàng)目初設(shè)論證階段的應(yīng)用

本項(xiàng)目在初設(shè)論證前，設(shè)計(jì)已開始著手建筑與結(jié)構(gòu)的建模，通過BIM軟件對(duì)建筑單體的平面立面剖面進(jìn)行分析核查，初步生成節(jié)點(diǎn)大樣等，在開設(shè)論證會(huì)的時(shí)候，評(píng)審專家可以圍繞設(shè)計(jì)方案的模型進(jìn)行討論、分析并給出結(jié)論，簡化了傳統(tǒng)單一的2D平面的CAD匯報(bào)，配合各場(chǎng)景效果圖可以讓評(píng)審人員對(duì)項(xiàng)目的情況了解的更加直觀。

3.3 施工圖設(shè)計(jì)階段可提供專業(yè)化設(shè)計(jì)保障

目前常熟地區(qū)的各大設(shè)計(jì)單位仍舊采用的是傳統(tǒng)的CAD二維施工圖設(shè)計(jì)模式，此種模式的弊端在項(xiàng)目中往往會(huì)暴露出圖紙冗繁、錯(cuò)誤率高、變更頻繁、協(xié)作溝通困難等問題。考慮本項(xiàng)目單體面積大，內(nèi)部管線構(gòu)造復(fù)雜，外立面幕墻需結(jié)合亮化燈光效果，屋面虛架層為鋼結(jié)構(gòu)弧形梁拼裝等因素，故在設(shè)計(jì)階段采用全專業(yè)BIM模型設(shè)計(jì)以解決上述問題。

通過運(yùn)用三維信息模型的可視化碰撞功能，對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、暖通以及幕墻等專業(yè)進(jìn)行碰撞檢查，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)錯(cuò)漏，優(yōu)化綜合管線，實(shí)現(xiàn)在有限空間里的最優(yōu)管線布置方案。同時(shí)在內(nèi)裝設(shè)計(jì)階段，可以對(duì)各種空間裝修完成的凈高提供檢查數(shù)據(jù)，保證特殊及重點(diǎn)部位的凈高達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提升設(shè)計(jì)品質(zhì)。

4 BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用

4.1 優(yōu)化場(chǎng)地布置

為滿足安全文明施工的要求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工布置方案，創(chuàng)建BIM場(chǎng)區(qū)布置模型并檢查合理性。根據(jù)過程特點(diǎn)、施工條件及施工組織管理需求，利用三維模型檢查和漫游視頻等方式，協(xié)調(diào)解決施工期間所需要的交通運(yùn)輸、物料存放、現(xiàn)場(chǎng)加工、辦公生活組織、水電供給和其他施工設(shè)施的平立面布置。

圖1 BIM場(chǎng)區(qū)布置圖

4.2 優(yōu)化施工方案

利用BIM技術(shù)，根據(jù)施工方案建立施工模擬過程，細(xì)化施工節(jié)點(diǎn)，通過直觀的三維模型進(jìn)行施工前交底，減少施工過程中因理解不充分導(dǎo)致的返工。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)情況與圖紙不一致時(shí)，可以清晰、直觀的顯示不一致的區(qū)域，通過分析產(chǎn)生差異的原因以及系統(tǒng)的碰撞檢查，可以靈活、系統(tǒng)的調(diào)整優(yōu)化施工方案，避免因只調(diào)節(jié)一處節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致與其他節(jié)點(diǎn)構(gòu)件產(chǎn)生脫節(jié)或沖突，減少后續(xù)的施工困難。本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量多，跨距長，重量大，為保證施工質(zhì)量和施工安全，利用BIM技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行模擬，該模型可以展示重要構(gòu)造節(jié)點(diǎn)、施工順序以及完成后的模型，根據(jù)模型展示優(yōu)化修改施工方案，提高管理能效。

4.3 配合AR技術(shù)優(yōu)化施工管理

BIM技術(shù)因其有一定的硬件和技術(shù)要求，相比較已經(jīng)普及的CAD存在一定的門檻，所以目前現(xiàn)場(chǎng)施工管理仍以二維圖紙為主。為了將BIM技術(shù)更好的融入現(xiàn)場(chǎng)施工管理，BIM+VR、BIM+AR、BIM+MR技術(shù)的不斷發(fā)展，成功解決了BIM使用門檻的問題。管理人員僅需通過簡單的操作，少量的設(shè)備，便可以將BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體結(jié)合，為現(xiàn)場(chǎng)管理提供便利。

4.3.1 BIM+AR技術(shù)優(yōu)勢(shì)

①彌補(bǔ)BIM的不足

對(duì)于施工過程管理來說，BIM的問題在于與現(xiàn)場(chǎng)貼合不緊密，BIM建模和使用都在電腦上操作，從業(yè)者查看BIM文件不太方便且需要對(duì)BIM有一定的認(rèn)知，另外一般較大工程模型較為復(fù)雜，對(duì)電腦硬件也有一定的要求，無形中增加了管理成本。而通過AR技術(shù)可以跨越這一障礙，利用云技術(shù)將BIM模型導(dǎo)入AR平臺(tái)中，從業(yè)者僅需手機(jī)或者ipad就可以將三維模型投射至工程實(shí)體，實(shí)時(shí)查看對(duì)比，相對(duì)于圖紙更高效，相對(duì)于CAD更為直觀。

② 降低施工成本與提高施工精度

將AR融入BIM模型，現(xiàn)場(chǎng)人員可以將模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物無縫對(duì)接，實(shí)時(shí)糾偏，動(dòng)態(tài)優(yōu)化施工方案，減少返工情況的發(fā)生。同時(shí)可以讓現(xiàn)場(chǎng)施工人員更加直觀理解現(xiàn)場(chǎng)布局，如管線排布，洞口設(shè)置等，方便施工管理，比傳統(tǒng)的施工交底更為高效。

4.3.2 BIM+AR操作步驟

①建立BIM模型，導(dǎo)入AR平臺(tái)

首先需要建立BIM模型，并將模型輕量化，接著上傳至AR平臺(tái)，將模型與實(shí)體的實(shí)際標(biāo)高位置做對(duì)應(yīng)。

②生成二維碼或使用現(xiàn)場(chǎng)角點(diǎn)定位

將生成的二維碼貼于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體，二維碼的標(biāo)高位置需要與在模型中設(shè)置的標(biāo)高位置一致，使用手機(jī)或者平板電腦掃描二維碼即可進(jìn)入AR投影狀態(tài)。當(dāng)二維碼標(biāo)高位置不容易設(shè)定時(shí)，可使用現(xiàn)場(chǎng)定位的方法。在模型中選取二個(gè)點(diǎn)，然后在實(shí)物上利用拍照功能選取對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)，即可進(jìn)行定位投影。

③現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核和驗(yàn)收

相較于圖紙交底，利用AR技術(shù)可以更加直觀，讓施工人員輕松理解管線的布置和走向。同時(shí)，BIM+AR可以讓管理人員方便的校核結(jié)構(gòu)的位置和尺寸偏差，利于后期驗(yàn)收。

4.3.3 實(shí)際應(yīng)用

①施工交底

如圖2所示，分別是地下室實(shí)體以及AR投影后的對(duì)比。可以從AR對(duì)比圖中清楚的看到已完成后的管線走向，施工工人可以利用此圖理解施工用意，配合圖紙完成施工，減少因圖紙理解錯(cuò)誤帶來的返工等損失。

圖2 實(shí)體與AR對(duì)比圖

②施工檢查

利用AR技術(shù)，檢查施工洞口的尺寸大小以及位置偏差是否滿足要求，減少因結(jié)構(gòu)尺寸問題導(dǎo)致的后期安裝困難。圖4顯示利用AR技術(shù)檢查洞口尺寸。同樣，管線的尺寸走向以及布局也可以使用AR來檢查（圖3）。

圖3 洞口檢查

圖4 隱蔽管線檢查

③隱蔽工程檢查

當(dāng)隱蔽工程結(jié)束后，在后期管理中若想知道封閉后管線的具體位置難度較大，往往需要拆開吊頂來確認(rèn)，而利用AR技術(shù)可以輕松解決這一問題，精確定位管道走向，誤差在厘米級(jí)，為后期的管理、交接、運(yùn)營及維修帶來方便（圖4）。

5 技術(shù)發(fā)展與前景展望

BIM技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，它比傳統(tǒng)圖紙更直觀，包含信息更豐富，各專業(yè)聯(lián)系性更強(qiáng)，但目前仍在發(fā)展中，有著不少值得改進(jìn)的地方。

第一，BIM模型在施工中需要添加各類施工信息，隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，模型不斷復(fù)雜化，涉及的專業(yè)越來越多，模型需要硬件配置越來越高。如何將BIM輕量化并推廣，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CAD圖紙，是今后值得研究思考的。

第二，目前BIM建模沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同單位間建模習(xí)慣不相同，因此不同單位建立的模型無法通用，如何建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，值得今后研究。

第三，目前受技術(shù)的制約，AR設(shè)備的陀螺儀定位性能不佳，如果多次晃動(dòng)鏡頭會(huì)導(dǎo)致AR成像與實(shí)體間的偏差增大，因此目前AR使用仍是固定區(qū)域固定地點(diǎn)使用，如何定位更加精確，設(shè)備成像不隨鏡頭移動(dòng)偏差增大，是今后研究的方向。

6 結(jié)論

BIM技術(shù)可以應(yīng)用在項(xiàng)目管理的全過程，它相較于二維圖紙更加直觀，適合項(xiàng)目的精細(xì)化管理，特別是BIM+AR技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，這種技術(shù)可以彌補(bǔ)BIM與現(xiàn)場(chǎng)貼合不緊密的問題，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)需要的設(shè)備少，易攜帶，可以有效降低管理成本。AR成像與實(shí)體結(jié)構(gòu)的對(duì)比，在施工交底、施工檢查、隱蔽工程檢查中有著較大的應(yīng)用前景。