袁利軍，齊從月，王火華，周紅衛(wèi)，龔文韜，謝 輝

（中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）始于美國 19 世紀(jì) 80 年代，喬治亞理工學(xué)院Charles Eastman 教授在其著作《Building Product Models》中首次提出，而后逐步演變?yōu)榻ㄖ椖啃畔⒐芾砥脚_系統(tǒng)，在項目開發(fā)、建設(shè)和運維的全過程階段都能發(fā)揮重要作用，經(jīng)過如今的發(fā)展，特別是在建設(shè)項目施工模擬、項目施工運維管控等領(lǐng)域得到了廣泛且成熟的研究應(yīng)用［1］。相對國際發(fā)展情況，BIM 技術(shù)在我國發(fā)展仍然較為遲緩，到目前為止，大部分建設(shè)項目僅僅局限于 3D 建模、模型漫游展示等初級信息化應(yīng)用階段［2-3］。關(guān)于BIM-5D 探索，仍然處在初級推廣階段，缺乏實踐管理經(jīng)驗，因此，針對大型公共工程建設(shè)，提出一套切實可行的 BIM-5D 應(yīng)用經(jīng)驗十分必要。

1 概述

BIM-3D 模型其本身具有可視化、屬性化、多元化的性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上添加時間維度對項目進行施工模擬管理則發(fā)展為 4D 技術(shù)；隨后將商務(wù)、勞務(wù)、材料、設(shè)備等成本要素加入該模型中，對項目實施全過程進行精細化管控就實現(xiàn)了 BIM-5D［4］。在集成模型中，項目管理人員可以更加直觀地獲取項目的進度、資金消耗等變化情況，安排合理的資源配置及協(xié)調(diào)相應(yīng)資金資源，實現(xiàn)項目精益管理。

大型公共建筑工程往往涉及專業(yè)多，包括土建、機電安裝、智能化、通信、暖通、空調(diào)等系統(tǒng)的集采、施工、試運行工作，往往涉及體量大、專業(yè)交叉繁瑣、排布集中，同時對工序協(xié)調(diào)穿插要求極高，極易導(dǎo)致后期返工的問題。而 BIM-5D 技術(shù)不僅可以模擬現(xiàn)場施工動態(tài)，更可以實現(xiàn)快速核算工程量清單等工作，打破了項目施工管理過程中各種類型信息之間的數(shù)據(jù)孤島效應(yīng)。

當(dāng)前階段，全生命周期的 BIM-5D 應(yīng)用，仍然不能以某一個特定軟件實現(xiàn)，通常是以將各個軟件的信息模型導(dǎo)入某一數(shù)據(jù)集成平臺的方式實現(xiàn)，然而不同的軟件往往具有不同的建模標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致這種不同軟件的之間信息數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)完整交互。本文根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀，對集成信息平臺的數(shù)據(jù)交互原理及問題，和平臺搭建完成后的 5D 應(yīng)用情況進行總結(jié)，對施工各專業(yè)信息構(gòu)件進行相對標(biāo)準(zhǔn)化的歸置提出改進意見，并歸納出 BIM-5D 技術(shù)在大型公建施工工程中的應(yīng)用點。

2 BIM-5D 數(shù)據(jù)交互模式

2.1 數(shù)據(jù)來源

BIM-5D 信息模型集成了項目施工所涉及的各個專業(yè)信息，包含結(jié)構(gòu)、建筑、機電、幕墻、建筑智能化等專業(yè)系統(tǒng)模型，附加上進度計劃及預(yù)算成本信息，并使之匹配項目施工現(xiàn)場實際工況，如圖 1 所示。這種匹配模式是通過多種不同文件格式之間的數(shù)據(jù)傳遞交互來實現(xiàn)。

圖1 BIM-5D 數(shù)據(jù)集成過程

2.2 數(shù)據(jù)傳遞

建筑信息模型中最小可更換的實體圖元稱為“構(gòu)件”。將 3D 模型導(dǎo)入集成信息平臺，除了需要保持各個構(gòu)件之間拓撲幾何學(xué)關(guān)系外，更重要的是精確傳遞構(gòu)件參數(shù)及工程量的過程，圖 2 為模型信息傳遞交互流程圖。

圖2 構(gòu)件信息傳遞交互流程圖

模型中構(gòu)件的屬性可分為幾何屬性和實體屬性。前者是在建模過程中，由建模軟件的標(biāo)準(zhǔn)化分類體系框架下產(chǎn)生的規(guī)定屬性，用以區(qū)分和表達構(gòu)件之間的拓撲幾何學(xué)相互關(guān)系，而后者則是構(gòu)件與現(xiàn)實對應(yīng)的實體構(gòu)件本身所具有的屬性特征，通過將其數(shù)據(jù)化來實現(xiàn)。只有幾何屬性和實體屬性的關(guān)鍵參數(shù)均能夠順利交互傳遞，才能保證 BIM-5D 集成平臺中模型信息的準(zhǔn)確性和可用性［5］。

本次應(yīng)用項目對 Revit 模型中 36 842 個圖元進行導(dǎo)入，平臺識別后，有 27 128 個元件符合嚴(yán)格匹配機制，識別率為 73.63 %。人工識別工程量達 9 713 個，極大降低了模型交互應(yīng)用效率及人員積極性。若能在模型信息交互傳遞過程使用模糊匹配形式，以減少集成平臺未識別構(gòu)件數(shù)量，提升數(shù)據(jù)傳遞效率，則具有更普遍的推廣意義。對于構(gòu)件信息中不能嚴(yán)格滿足信息交互的進行傳遞匹配規(guī)則的構(gòu)件，按照平臺中預(yù)設(shè)的構(gòu)件類型粗略歸類后進行匹配過程稱為模糊匹配。模糊匹配通過識別構(gòu)件名稱、備注等方式篩選出名稱相似、屬性參數(shù)值接近的構(gòu)件，然后通過人工智能批量將此類構(gòu)件屬性參數(shù)與實際工程量清單中的參數(shù)進行交互匹配，最后重新導(dǎo)入。圖 3 為增加模糊匹配的構(gòu)件屬性信息交互匹配流程圖。

圖3 增加模糊匹配的構(gòu)件屬性信息交互匹配流程圖

對于模糊匹配后，仍未識別的圖元，再需通過人工識別判斷，對項目管理無價值的構(gòu)件進行刪除；對失誤等原因造成無法匹配的構(gòu)件，進行手動修改后導(dǎo)入。

3 BIM-5D 在某大型公建工程中的應(yīng)用

3.1 項目概況

南沙建滔廣場項目位于廣州市南沙自貿(mào)區(qū)蕉門河中心區(qū)供電局西側(cè)，毗鄰地鐵 4 號線，由廣州展灜置業(yè)有限公司投資興建?？傆玫孛娣e約 1.26 萬 m2，總建筑面積 11 萬 m2。該工程為雙塔樓連體結(jié)構(gòu)，地下 3 層，北塔地上 34 層，地面以上高度為 149.5 m；南塔地上 25 層，地面以上高度為 104.5 m。

3.2 實施 BIM-5D 的必要性

1）項目施工地形條件復(fù)雜，場地狹小，且周邊水域較多，現(xiàn)場對平面布置要求高。

2）由于項目防排煙和通風(fēng)管密度高，業(yè)主對空間利用要求嚴(yán)格，導(dǎo)致空間狹窄，碰撞率高。

3）項目純混凝土大跨度空中連廊呈“h”型結(jié)構(gòu)，天面泳池、鋼混屋面花架，高層懸挑結(jié)構(gòu)，施工難度較大。

4）項目難點多，各專業(yè)施工流水難以確定，同時施工進度、成本、安全、質(zhì)量、現(xiàn)場勞動、材料、機械布置均需要不同軟件配合工作，無法真正滿足施工過程中一些實時問題，無法實現(xiàn)精細化管理。

3.3 相關(guān)軟件、插件的選用及應(yīng)用

本項目建模軟件選用 Revit2016，鋼結(jié)構(gòu)模型選用Tekla，計價軟件選用廣聯(lián)達 GCL，模型碰撞檢測選用 Navisworks，模型漫游、瀏覽、VR 應(yīng)用選用Lumion、Fuzor 和 3Dmax、結(jié)構(gòu)設(shè)計分析選用 Midas 軟件，具體流程圖如圖 4 所示。

圖4 應(yīng)用流程圖

3.4 基于 BIM-5 D 技術(shù)的精細化基坑開挖模擬

針對本工程毗鄰廣州軌交 4 號線的難點，采用平臺模擬技術(shù)，輔助基坑施工在準(zhǔn)備階段土方開挖方案的制定和優(yōu)化，合理安排施工工序。借助模擬動畫，與市政、地鐵管理方開展三維可視化溝通交流，極大提升了決策效率和管理效率（見圖 5）。

圖5 土方開挖模擬施工

3.5 基于 BIM-5D 技術(shù)的多專業(yè)深化設(shè)計

針對本項目，通過對機電、鋼結(jié)構(gòu)等專業(yè)全部采用 BIM-5D 平臺三維模型來進行深化設(shè)計。在各專業(yè)深化設(shè)計完成后通過 Navisworks 軟件進行多專業(yè)整合碰撞，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題。此階段設(shè)計問題可通過業(yè)主方牽頭協(xié)調(diào)優(yōu)化原設(shè)計方案。在模型修改完善后通過三維模型導(dǎo)出施工圖指導(dǎo)現(xiàn)場施工生產(chǎn)。

其中，南塔樓通過建模+管線綜合多套方案優(yōu)化，提高空間高度 200 mm，提升了凈空舒適度（見圖 6、圖 7）。在解決此問題同時，與結(jié)構(gòu)單位協(xié)調(diào)配合，特殊部位提前處理，優(yōu)化管道預(yù)留和布置，節(jié)省二次加工時間，節(jié)約了大量成本。

圖6 管線碰撞檢測

圖7 凈高優(yōu)化（單位：mm）

3.6 基于 BIM-5D 技術(shù)的動態(tài)管理

通過 BIM-5D 平臺進行模型整合（見圖 8），并將施工進度計劃編制安排和資源配置計劃導(dǎo)入集成平臺進行施工模擬，驗證進度計劃合理性即流水段銜接合理性分析及工序穿插合理性分析，從而提前優(yōu)化施工進度，合理調(diào)度資源。

圖8 BIM-5D 平臺任務(wù)狀態(tài)示意圖

借助手持式移動設(shè)備，如手機、ipad，現(xiàn)場管理人員可以實時將現(xiàn)場實際進度反饋到 BIM-5D 管理平臺中，形成數(shù)字孿生映射，使平臺可以動態(tài)模擬現(xiàn)場實際情況，通過與標(biāo)準(zhǔn)進度計劃模型進行對比分析，得出施工進度滯后或超前，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場施工的動態(tài)管理。

3.7 基于 BIM-5D 技術(shù)的成本管控

利用 BIM-5D 應(yīng)用平臺，根據(jù)施工模擬完成的計劃進度內(nèi)資源、材料、設(shè)備、資金的消耗計劃，依據(jù)不同流水區(qū)段進行提取數(shù)據(jù)信息，匯總每一區(qū)段內(nèi)清單工程量，同時與不斷記錄的現(xiàn)場實際資金消耗情況匹配，預(yù)測施工過程中不同時間段資金資源等消耗情況，分析波峰及波谷出現(xiàn)的位置，提前安排資金，并且在施工過程中通過不斷對比分析資金模型，總結(jié)成本投入，以數(shù)據(jù)作為支撐位協(xié)助項目管理人員決策，優(yōu)化資源配置，逐步邁向精細化管理道路，如圖 9 所示。

圖9 計劃資金與實際成本曲線圖

3.8 BIM-5D 效用總結(jié)

3.8.1 效益

1）管理前置化。施工過程存在極大不確定性，而BIM-5D 技術(shù)可實現(xiàn)虛擬建造，方便管理人員對復(fù)雜工序的理解以及流水搭接正確性的檢驗，解決了施工順序安排工作復(fù)雜的問題，有助于管理人員及時發(fā)現(xiàn)和安排不合理施工問題，降低溝通成本，減少返工。

2）管理協(xié)同化。BIM-5D 平臺，可以將三維可視模型與實際施工進度協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)，并可集成場地布置信息，結(jié)合移動端實施動態(tài)管理，提升了項目整體管理工作的協(xié)調(diào)性，便于項目及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、關(guān)閉問題，極大提升了管理效率。

3）成本可視化。通過實時發(fā)生的資源曲線、資金曲線以及物資查詢功能，可對現(xiàn)場的勞動力、材料、機械數(shù)量進行讀取，再依次指定物資及資源儲備計劃、機械進場計劃等，避免了由于圖紙等出現(xiàn)問題導(dǎo)致返工而產(chǎn)生虧損的可能，可以實現(xiàn)限額領(lǐng)料，解決資源短缺及浪費等問題，為成本的精細化管控提供了理論和操作支撐。

3.8.2 難點與不足

1）目前各軟件之間交互設(shè)計機制不成熟，平臺識別率低。可在模型導(dǎo)入過程采用模糊匹配機制，減少人工識別工作。

2）智能二維碼技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)未能使用。

2）移動端數(shù)據(jù)傳遞過程效率低，未達到預(yù)期效果。

3）未能深入 BIM 應(yīng)用全生命周期領(lǐng)域，本工程的應(yīng)用主要圍繞是施工階段展開，如何統(tǒng)一設(shè)計、施工、運維三方標(biāo)準(zhǔn)化，是推進 BIM-5D 技術(shù)的方向。

4 結(jié)語

本文側(cè)重分析了施工過程中 BIM-5D 平臺的數(shù)據(jù)組成及應(yīng)用成功案例，為將來在大型公建施工中實現(xiàn)BIM-5D 管理的企業(yè)提供了設(shè)計和應(yīng)用的方向。

基于我國目前仍長期處于發(fā)展中國家的現(xiàn)狀，其大型公建類項目仍然保持逐年遞增的現(xiàn)狀，而整體管理效率低下、能耗高、信息化率卻仍然處于較低的現(xiàn)狀，隨著 BIM 技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM-5D 軟件不斷完善，其在建筑行業(yè)的應(yīng)用也會日趨成熟，未來的 BIM 技術(shù)也必將朝著nD的維度拓展，以滿足建筑行業(yè)全生命周期協(xié)同化、參數(shù)化、信息化、集成化的更高要求。Q