李 琰，高佐人，沈慶毅，潘 峰（上海建工五建集團有限公司，上海 200063）

基于角色分析的 BIM 工作模型與實施方法

BIM Working Model and its Application Based on Role Analysis

李 琰，高佐人，沈慶毅，潘 峰（上海建工五建集團有限公司，上海 200063）

為了解決BIM模型在建筑工程現(xiàn)場的落實問題，通過區(qū)分BIM工作流程中決策層和執(zhí)行層的差異，提出了新的工作模型。新模型充分考慮現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)節(jié)的需求，設(shè)計了“全縱剖管線安裝圖”來實現(xiàn)從信息量巨大的完整BIM數(shù)據(jù)集中提煉、過濾、簡化出貼合現(xiàn)場需求的信息。該圖具有信息量完備、準(zhǔn)確、簡潔的特點，實現(xiàn)對全部管線關(guān)鍵信息快速調(diào)用，有效發(fā)揮BIM模型的潛能，提高了施工效率和質(zhì)量。實際工程應(yīng)用驗證表明具有推廣價值。

BIM工作模型；施工組織管理；全縱剖圖

1 問題的提出

BIM 技術(shù)[1]已經(jīng)成為大型復(fù)雜工程常見的技術(shù)手段[2]，尤其是對復(fù)雜管線系統(tǒng)的優(yōu)化[3]，可以在控制風(fēng)險、節(jié)約成本和加快工期等方面發(fā)揮積極作用[4-5]。

然而 BIM 模型在工程中的實際應(yīng)用與理想?yún)s有較大差距，尤其是與管線綜合相關(guān)的應(yīng)用過程中會突出表現(xiàn)在以下方面：

(1) 三維模型擅長發(fā)現(xiàn)和解決復(fù)雜管線系統(tǒng)的相互碰撞，然而過于繁瑣的三維圖紙往往喧賓奪主，導(dǎo)致優(yōu)化成果難以在現(xiàn)場落實；

(2) 復(fù)雜管線系統(tǒng)對精細化建模要求高，從而導(dǎo)致建模速度無法滿足工程進度的要求；

(3) 圖紙上碰撞的消除并不能避免現(xiàn)場問題的有效解決，由于缺乏精確簡明的施工級別的工藝圖和溝通平臺，導(dǎo)致各方協(xié)調(diào)難度大。

這些問題大大削弱了 BIM 的實際效果。本研究針對這些問題，考察了一線工程人員的行為特征，提出了工作模型，并設(shè)計了落實方案，包括自行研發(fā)的軟件工具和新的圖紙標(biāo)準(zhǔn)。

2 傳統(tǒng)BIM在工程應(yīng)用中的瓶頸分析

2.1 信息量冗余導(dǎo)致指導(dǎo)效率不高

BIM 的優(yōu)越性在于在三維模型中承載了海量的建筑信息，然而不可否認，過于繁瑣的三維圖紙同時也包含了海量的冗余信息。對一線工程人員而言，冗余的信息會分散注意力，降低工作效率；而部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)往往被信息淹沒，就需要現(xiàn)場自行推論、驗證，工作強度陡然上升。

因此在施工現(xiàn)場二維圖紙仍然是提升BIM應(yīng)用效果的一個必要手段。

三維模型用于模擬、分析和測試方案，得到優(yōu)化的結(jié)果；而二維圖紙是描述優(yōu)化成果，對三維模型經(jīng)過一定的處理，經(jīng)過提取、過濾、簡化后的二維數(shù)據(jù)視圖更加能夠提高信息傳遞的效率，降低一線工程人員的理解難度和工作強度。

例如，目前常規(guī)的 BIM 圖紙大都難以表現(xiàn)翻彎高度，如圖 1a 所示。此外，對于密集翻繞處的細節(jié)也很難用平面圖加幾個橫斷面的方式來描述。這樣的圖紙有利于決策，但不利于實施。

2.2 模型速度滯后導(dǎo)致可信度差

可信的模型是所有工作的基礎(chǔ)，而本研究發(fā)現(xiàn)，實際工程中，速度會成為影響可信度的關(guān)鍵因素之一。在實際工程中，設(shè)計圖紙在經(jīng)歷施工圖審圖、消防審圖、圖紙會審等環(huán)節(jié)后，免不了會有修改。如果建模、修改的速度不夠及時，模型就不能準(zhǔn)確反映最新的設(shè)計要求、協(xié)商結(jié)果。一般來說初次建模只有幾周的時間窗口，更新的時間更短至幾天。特別對于醫(yī)院等建筑，管線系統(tǒng)本身異常復(fù)雜，精細化模型的繪制、修改將極大拖慢 BIM 工作，模型一旦跟不上項目節(jié)奏，可信度就無從談起。

2.3 缺少高效溝通平臺導(dǎo)致協(xié)調(diào)難度大

能否快速完成建模和優(yōu)化很大程度上取決于協(xié)調(diào)的效率，本研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng) BIM 并不適合作為快節(jié)奏的交叉反復(fù)討論的平臺。這是因為其軟件、模型對硬件要求高，工程人員難以在普通工作電腦上打開模型；模型過于專業(yè)，不經(jīng)過長時間的培訓(xùn)，難以熟練翻閱模型，查看參數(shù)，進行各項檢測。而在管線工程出現(xiàn)的問題常常要涉及土建、安裝、設(shè)計，在設(shè)計中還有建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖通、電等多個專業(yè)，常常一個問題要征求 3～4 個具體個人的意見，如何高效的描述、探討問題是一個難題，并已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前現(xiàn)場工程管理人員應(yīng)用 BIM 模型的一個“技術(shù)壁壘”。

3 區(qū)分決策層和執(zhí)行層的 BIM 工作模型

本研究發(fā)現(xiàn)，BIM 的工作模型應(yīng)充分考慮“決策層”和“執(zhí)行層”的行為特征差異。所謂“決策層”包括設(shè)計院的設(shè)計師、業(yè)主代表和項目總包方的負責(zé)人，他們的目標(biāo)是“商定最終方案”，工作的難點是綜合各方意見，因此需要在一個一體化、三維化數(shù)據(jù)對象(BIM 模型)中同時或協(xié)同工作，以便更好地發(fā)現(xiàn)和權(quán)衡各種因素。所謂“執(zhí)行層”是指施工一線的工人、工長，他們的目標(biāo)是“按圖施工”，其工作難點是理解意圖、快速執(zhí)行和確保質(zhì)量，對于方案意圖本身沒有優(yōu)化和調(diào)整的義務(wù)。

執(zhí)行層與決策層的分工不同導(dǎo)致了各自需求不同，特別對于現(xiàn)場執(zhí)行層而言，其不需要全面的數(shù)據(jù)、三維化的模型，而是需要簡單直接、一目了然、便于現(xiàn)場攜帶、便于質(zhì)量控制的信息形態(tài)。這種形態(tài)的信息只是全部 BIM 模型信息的某種提取、過濾和簡化，是全數(shù)據(jù)集的一種“2D 視圖”，內(nèi)容源自三維模型，目標(biāo)是簡單高效。

行業(yè)內(nèi)常見的 BIM 工作模型很少重視這種差異，工作模式可以歸納總結(jié)為一種“向心”式模型。在這個模型中無論是設(shè)計的建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備，還是施工的土建、安裝，乃至幕墻、裝修都圍繞著相同的數(shù)據(jù)對象開展工作。這些主體向 BIM 模型提供信息，同時也按 BIM 模型工作。

而本研究提出，向心模型適用于決策層對BIM數(shù)據(jù)的應(yīng)用過程，除此之外，還包括一個“單向”模型，及從完整的 BIM 數(shù)據(jù)集中提煉、過濾、簡化出一個信息視圖。這個過程是單向的，結(jié)果視圖是簡化的，但卻是高效的、個性化的。

提供給不同的執(zhí)行層的內(nèi)容、形態(tài)因為根據(jù)不同執(zhí)行層的特點進行了專項優(yōu)化而可能略有不同，例如提供給安裝一線的是“管線縱剖圖”，而提供在土建一線的是“預(yù)留預(yù)埋圖”(一種橫剖圖)。但它們都來自于統(tǒng)一的 BIM 模型。

決策層和執(zhí)行層的存在實際上是反映了建筑工程無法工廠化，大量依靠人力勞動的特性。在機械制造領(lǐng)域，執(zhí)行層可能由一系列數(shù)控機床代替。而在建筑工程領(lǐng)域，海量的三維信息需要“解讀”和“簡化”，以方便執(zhí)行層的實際操作。

4 全縱剖管線安裝圖

根據(jù)不同角色的不同行為特征，本研究進一步將重點鎖定在如何使提取的圖紙內(nèi)容最少，同時又是信息完備、使用高效的。在這個過程中，研究人員充分考察了一線工程人員的認識習(xí)慣。在此基礎(chǔ)上設(shè)計出一種全新的圖紙標(biāo)準(zhǔn)——智能全縱剖管線安裝圖( FLP：(Fully Longitudinal Profile )。這種圖紙主要借助對軟件平臺的二次開發(fā)，對建筑內(nèi)的所有部品部件實現(xiàn)“全系統(tǒng)碰撞、自動糾正、自動繪制縱剖”，3D 模型是過程工具，2D “縱剖圖”是最終成果。特別對于復(fù)雜管線系統(tǒng)，“縱剖圖”的信息量大，可以清楚描述每個管段的水平定位、高度定位，每個翻彎的起翻點和翻高；同時充分考慮現(xiàn)場讀圖要求，大幅簡化圖面。用更簡單、更輕松的工作方式“解讀”BIM 模型，從而提高了工程質(zhì)量，降低了返工風(fēng)險。

4.1 繪制標(biāo)準(zhǔn)

全縱剖圖管線安裝圖的構(gòu)成如圖 3a 所示，全圖由“平面圖”、“縱剖圖”和“定位圖”構(gòu)成。平面圖中包括原設(shè)計布局和考慮了安裝間距、凈高等因素后的優(yōu)化布局，用黑色和灰色區(qū)分表示，以便設(shè)計院確認?？v剖圖是沿管線走向剖切的結(jié)果，所有管線沿 X、Y 兩個方向的縱剖詳圖分布在全圖的四周。定位圖是指示本圖所示管線在建筑全部同類管線中的相對位置，常見的類型有給排水、消防、動力橋架、弱電橋架、燃氣、風(fēng)管等。

4.2 特點

本研究提出的 FLP 出圖方案具有如下特點：

(1) 信息精煉完備。該圖定位明確，只用于安裝和驗收，因此可以進行針對性的簡化，實現(xiàn)了信息量最少化且扁平化，使復(fù)雜的管線繞行翻彎方案可以用簡單的二維圖方式呈現(xiàn)。但同時其信息是完備的，管徑、水平、豎向、翻彎定位等一應(yīng)俱全，一線工程人員只需按圖就可施工，并且可以從圖集中獲得任意一段管線的安裝方案。

(2) 時效性強。因為剔除了大量冗余信息，且借助二次開發(fā)實現(xiàn)智能判定和繪制，大大減輕了深化設(shè)計的工作量，經(jīng)過工程驗證，對于 8 萬 m2的大型商業(yè)項目，確定方案之后僅一周即可完成施工工藝圖的繪制。

(3) 可信度高。確保這套圖紙切實有效的前提是 BIM 模型的真實有效，即要反映設(shè)計圖紙的最新更新信息，要體現(xiàn)最嫻熟的管線優(yōu)化策略，要評估與土建施工的交叉影響。這就要求建模、優(yōu)化、更新的速度要快，為此本研究采用了一種基于 AutoCAD 的輕量化BIM平臺，可以在幾周內(nèi)完成上述工作。這種輕量化平臺集合了多個工程的設(shè)計、施工經(jīng)驗，對硬件和操作人員的要求均不高，因此可以在業(yè)主、設(shè)計以及土建、安裝的各個工種的普通電腦和移動終端上安裝運行，使得 BIM 模型成為一種通俗化實用化的工作平臺，加快了各方的意見交換，能充分反映各方的意見、訴求，大大提升了工作效率。

5 對施工模式產(chǎn)生的影響

首先，管線方案的錯誤率大大降低。FLP圖的基礎(chǔ)是全面的三維模型，借助該三維模型可以完成碰撞檢測、間距檢測、管網(wǎng)美化等工作。圖 1 所示的是管網(wǎng)美化的具體效果：密集按類按序擺放，即管線相互靠攏，間距在 150 mm、200 mm 不等，便于使用組合支吊架，同時消防(紅色)、給排水(藍色)、強電(黃色)、弱電(土黃)分組，不相互穿插?？墒褂密浖峁┑摹鞍搭惾旧惫ぞ邫z查管線是否按要求布置。

圖 1 全縱剖管線安裝圖的構(gòu)成

此外，由于 FLP 圖將每個回路的管線的細節(jié)都暴露無遺，因此實現(xiàn)在更深層細節(jié)上的優(yōu)化，實踐表明可優(yōu)化掉大量多余翻彎。在驗證工程中，每萬方可減少 200 處多余翻彎。

其次，F(xiàn)LP 全面實現(xiàn)管線安裝的“按圖施工”，為工業(yè)化加工、裝配創(chuàng)造了條件。通常BIM模型指導(dǎo)下的安裝階段，由于信息不足或者信息滯后，工程人員不得不自己推算缺失的信息，在一些復(fù)雜局部需要自行找出繞行方案，而新的FLP圖紙是完備的，因此不再需要自行考慮，也不再有繞行失敗而返工的風(fēng)險，大大降低了工作強度。另一方面，用于優(yōu)化后的方案高度集成，高度關(guān)聯(lián)，因此也不允許局部改變方案。

第 3，在簡化了施工的同時，F(xiàn)LP 圖由于突出重點，也為驗收提供了更可靠簡便的方案。

第 4，F(xiàn)LP 圖實現(xiàn)了全部管線的覆蓋，因此可以協(xié)助完成工作界面的劃分。

圖 4 密集按類按序擺放

6 結(jié) 語

課題組在上海五建總承包的上海儀電(集團)有限公司虹漕路 41 號工業(yè)研發(fā)樓建設(shè)項目中分析了不同項目角色對BIM 的不同深度的需求，總結(jié)并成功應(yīng)用了FLP方案。該項目地下室面積 2.89 萬方，全部三維優(yōu)化工作消耗人工15人×天，出圖 215 張，實現(xiàn)了管線系統(tǒng)的“高效出圖”，“精準(zhǔn)優(yōu)化”，“全系統(tǒng)覆蓋”和“簡易識圖”。

本研究基于角色行為特征分析，對 BIM 模型如何在一線落實，如何確保實裝與模型一致方面做了有益的探索。通過自行開發(fā)軟件工具，采用自動化的手段，探索并提出了FLP 方案和標(biāo)準(zhǔn)，在效率、質(zhì)量和用戶友好度方面都取得了明顯的成果。在實際項目的使用過程中，得到了參與各方的一致認可，并為下一步管線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、裝配式施工奠定了基礎(chǔ)。

[1] 傅筱. 建筑信息模型帶來的設(shè)計思維和方法的轉(zhuǎn)型[J] 建筑學(xué)報,2009(1):77-80.

[2] 朱建國.BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用策略研究[J]. 建筑施工.2013(07):665-667.

[3] 陳辰,李慶平. 基于BIM技術(shù)的三維管線綜合[J]. 土木建筑工程信息技術(shù),2012(3):83-86.

[4] 張建平,李丁,林佳瑞,顏鋼文.BIM在工程施工中的應(yīng)用[J].施工技術(shù), 2012(16):10-17.

[5] 張洋. 基于BIM的建筑工程信息集成與管理研究[D].北京:清華大學(xué),2009.

TP393.09

A

1674-814X(2017)03-0049-04

“上海市國際科技合作基金項目”(課題編號：14510701200)

2017-03-24

李琰，現(xiàn)供職于上海建工五建集團有限公司，作者通信地址：上海市曹楊路1000號，郵編：201063。