基于BIM技术的大型改复建项目智能建造管理

随着信息化技术的发展，建筑信息模型（BIM）因其可视化、动态化、协调性、模拟性等优点，已被工程项目建设人员所接受，BIM技术的应用价值也逐渐引起建筑行业的重视。本文以华东勘测设计研究院有限公司（以下简称“华东院”）三墩基地改复建项目为背景，探讨如何在实际工程中系统地应用基于BIM的智能建造管理技术。

1　工程概况

华东院三墩基地改复建项目是建设满足高效、宜人且具有一定文化底蕴要求的科研设计办公类综合建筑，项目占地总面积19 820.70 ㎡，总建筑面积90 536 ㎡，其中地上建筑面积54 630 ㎡，地下建筑面积35 906 ㎡，主要功能为设计办公和科研实验等建筑及会议室、报告厅、职工食堂、宿舍等各类配套设施用房。该工程区地处杭州市三墩镇，属亚热带季风气候区，四季交替明显，雨量充沛，日照充足，属东南季风剧烈活动地带，全年有两个明显的降水期，场地属湖沼积平原地貌单元，地块东邻自然景观河道、北邻已建成住宅区、南、西两侧为在建住宅小区（图1）。

图 1　场地道路及周边概况

2　基于BIM的智能建造管理技术应用关键点

2.1　施工重点与难点

本项目体量大，工期紧，风险源多，安全隐患大，协调管理难度大，质量安全文明标准高，在质量控制和安全管理方面的难点如下。

（1）工程体量大，地下室为地下2层（局部3层），基础施工工期长；受季节施工影响工期管理难度大，受疫情对施工的影响工程进度压力陡增。

（2）受群塔作业、交叉作业、高支模施工等风险源影响，施工安全隐患大，如何应用新技术解决以上问题是本工程的重点。

（3）周边环境复杂，施工场地狭小，参建单位和人员多，交叉作业面广，对现场物资管理和平面协调要求高，传统管理手段难以满足组织规划与管理要求。

（4）本项目在企业层面有较高影响力和关注度，检查及考察量大，质量安全文明要求高，增加了项目质量控制和安全管理难度。

2.2　基于BIM技术的智能建造管理技术应用关键点

针对上述难点，结合以物联网为主的现代信息化技术，应用基于BIM技术的智能建造管理技术，具体的关键点如图2所示。

图 2　智能建造管理技术应用流程

图2中智能施工管理主要进行三维施工场地布置、四维施工进度模拟，以及基于BIM技术的可视化交底。智能安全管理主要包括BIM+RFID的材料安全管理、BIM+物联网的人员安全管理和针对群塔作业、高支模施工的风险源控制。基于BIM、物联网和云计算技术搭建智慧管理平台用于项目质量控制、安全管理和绿色施工管理的全过程。

3　基于BIM技术的智能施工管理

3.1　BIM技术三维施工场地布置

本项目具有场地狭小，参建单位和人数多，交叉施工面广、大型机械设施多、材料种类多、数量大、集中使用、周边环境复杂等特点，合理布设施工道路、临时水电、大型机械作业区、材料堆放及加工场地、库房、试验间、安全文明标牌难度大。为此，应用BIM模型技术和施工过程模拟技术制作三维场地布置模型和动画，将各功能区场地范围精确地布设在BIM模型中（图3），根据不同施工阶段的场地需求及场外环境变化，综合统筹合理布置，充分合理利用场地空间，以减少不必要的拆改。因每个构件均为仿真建立的高清或矢量模型，施工现场布置图显得美观且有真实感。将构件放入三维施工场地可直接观察到是否会与周围的临时设施发生位置冲突。对临时水电管道网的三维布设，也可以降低管理人员的工作难度，节省人力物力。施工过程中将BIM技术三维施工场地布置图和二维码相结合，运送材料的司机扫描场区入口处的二维码即可显示各种材料的堆放区位置及进出场路线，避免材料乱堆乱卸、散乱无序现象。应用BIM技术可减少拆改量，有利于道路人车分流，料场整洁，节能环保，实现安全绿色文明施工。

图 3　BIM三维场地布置（计算机截图）

3.2　基于BIM的施工进度管控

本工程体量大，工期紧，传统施工管理方法往往存在管理混乱、计划衔接不当、沟通困难等问题，加大施工进度管理的难度，需采用科学先进的方法实现施工进度管控。

应用基于BIM的四维施工模拟技术，可优化流水段划分和工序穿插，满足不同专业交叉作业需求；根据工程量计算人、机、料数量，实现机具设备材料、人员的高效周转。该技术是指应用Navisworks施工动态模拟软件，将项目施工进度计划和BIM模型相结合，在三维可视化施工模拟的基础上添加时空进度信息，将模型实体与时间轴相关联建立四维模型，并对建设全过程中的施工进度及施工工艺展开模拟（图4）。四维施工模拟可预先得知设计中尚存的缺陷及不足，降低开工后的方案改动或工程返工的可能性。

图 4　 四维施工模拟（计算机截图）

应用BIM技术对比当前进度和计划进度，能实时了解材料、人力、资金等多方面的对比情况，从而对施工进度计划进行及时、科学、准确的更新或改动。

3.3　基于BIM技术的可视化交底

传统施工现场采用二维平面图进行交底，无法对施工作业做出全面、立体的表达，本项目使用基于 BIM 的三维可视化交底技术改善了这一不足。例如若用 CAD 绘制脚手架各杆件时，用文字描述各杆件间的间距易使搭设人员看错数据造成杆件间距错误，而应用BIM绘制立体脚手架模型，并将施工方案生成二维码用于安全技术交底，施工人员可从任意角度查看杆件所处位置和杆件间的距离，借助扫描二维码可随时查看方案和4D模拟动画，保证杆件搭设工作高质量完成。

随着科技的快速发展，虚拟现实（VR）技术给施工管理带来了更多可能。BIM与VR技术相结合在工程中的应用，主要是借助虚拟现实引擎来承载 BIM 模型中所有的信息，利用VR技术来呈现BIM的模型效果，使两种技术的优势互补和相互融合。

应用这一技术，施工人员可亲身体验交底内容，明确操作步骤，提高施工交底质量。本项目在钢筋绑扎、设备进场及安装、混凝土灌注等方面也使用了VR技术可视化交底的方法。

BIM+VR技术的可视化交底方法升级了原有的口述或文字形式的安全技术交底方式，能更精准地表达各项施工的具体要求，使作业人员对整个施工工艺流程和质量要求有直观的视觉理解。通过可视化技术的运用，本项目共完成三维可视化交底16次，在保证施工质量的同时提高了管理效率。

4　基于BIM的智能安全管理

4.1　基于BIM和RFID技术的材料安全管理

材料安全管理是施工质量控制的第一步，其质量对项目整体质量有着直接影响，加强材料管理是建筑工程中质量控制的重要途径。基于BIM技术的智能建造管理，将BIM技术和以RFID技术为主的物联网技术相结合，打破了数据和实体及现实和虚拟之间的壁垒，完成了现场材料管理工作。

RFID技术即无线射频识别，又称电子标签，是一种无线通信技术，具有采集数据时不需光学接触、数据读取范围长、数据存储容量大等优点。RFID技术可在动态和非受控环境中自动跟踪组件或材料，且凭借其优越的存储能力将与组件或材料相关的信息提供给使用者。

依照约定协议，使用RFID技术、全球定位系统和红外感应等信息技术手段，可将任意物品连接互联网，进而通过实时通讯和信息交流，实现智能识别、监控、定位和管理。

在本项目材料安全管理中，厂家生产时已在材料中植入RFID 芯片并加密，以确保其来源唯一性，在芯片中输入材料的生产时间、成分、重量、加工信息、注意事项等内容，交给施工单位可明确材料来源，防止因材料被更换导致以次充好的现象。

使用以RFID为主的物联网技术，对材料的运输、验收、储存、发放进行全程监控，可严密管控物资运转，提高对材料的精细化管理水平，节约劳动成本，实现材料安全管理。

4.2　基于BIM和物联网技术的人员安全管理

本项目施工现场人员密集，多工种多单位同时进行交叉作业，运用信息化手段实现高效的人员管理是安全管理工作的重点内容。

4.2.1　人员管理实名制

为对进场人员形成有效监管，施工现场采取封闭式管理措施。现场出入口设置门禁，建立作业人员安全教育信息库和违规行为记录数据库。结合物联网前端摄像头人脸识别，对列入黑名单的作业人员或未接受安全教育的人员限制进入。

4.2.2　VR技术安全教育

除了VR技术可视化交底外，VR技术还可用于施工人员的安全教育，本项目通过BIM+VR技术将实际施工场地转化为虚拟环境，使施工人员沉浸于VR技术的虚拟世界，感受高空坠落、塌方、施工触电、火灾等“真实”事故场景，使施工人员意识到不规范操作可能引发安全事故，认识到规范施工的重要性，提高其安全防范意识。

4.3　基于BIM技术的风险源控制

传统施工中危险源的辨识往往依赖管理人员的个人经验和主观感受，无法准确识别危险源的类型和危险程度。

本项目通过BIM技术动态施工模拟全面呈现施工流程，让安全管理人员直面施工环境，准确把握危险源，充分了解各施工阶段中可能发生的危险情况，提前对导致危险的不利因素加以管理和控制。通过识别，本项目施工过程中风险源主要为群塔作业、高支模施工和交叉作业等，运用BIM技术对上述风险因素实现了高效管控。

（1）施工前应用BIM技术三维场地布置技术模拟现场塔式起重机的位置、臂长、高度和吊运最不利情况，通过直观显示其回转半径和运行轨迹，可判断塔式起重机布置是否合理。应用群塔可视化防碰撞系统，自动监测塔式起重机顶升过程中是否会与其他塔式起重机或周边建筑物发生碰撞。通过全新智能化塔式起重机的监测和预警技术，可视化防碰撞系统不仅能全面保证包括塔式起重机防碰撞、防倾翻、塔机超载、安全防护及吊钩可视化在内各种功能的安全运行，且可对塔式起重机的不安全运行状态发出预警，必要时会进行自动制动。

（2）本项目1号、2号、3号楼门厅大堂为高支模区域，施工难度大，属施工重大危险源。通过建立BIM高支模模型解决了其计算难、算量难、施工交底难、效率低等问题。借助BIM模型，使施工人员了解高支模施工的关键节点，预知隐患部位提前应对。通过 Navisworks形成4D动画展示高支模施工过程和技术交底，通过现场漫游和碰撞检测，防止高支模支撑体系与柱子或墙体发生碰撞，提高了其施工质量和安全性。

5　智慧管理平台应用

5.1　施工智慧管理平台整体架构

针对项目特点及对质量控制和安全管理的要求，基于BIM技术和信息集成技术，结合物联网智能硬件实时采集相关数据信息，按物理感知层→网络层→数据层→算法层→平台层→功能层的顺序搭建服务于施工过程的智慧管理平台，对施工进度、质量、安全进行智慧管理，践行绿色施工的理念，达成协同互联、智慧监测、科学决策的高效管理模式。智慧管理平台架构如图5所示。 

图 5　智慧管理平台的架构

5.2　平台功能设计

智慧管理平台包括基本信息、智能监控、可视化监测和项目管理4个模块，共18个功能，各模块功能如图6所示。

图 6　智慧管理平台的功能

作为智慧管理平台的核心，项目管理模块基于平台的基本信息、智能监控和可视化监测，实现了对工程质量、进度、安全、劳务、材料和绿色施工的科学、智能、高效管理。

6　结束语

（1）华东院三墩基地改复建项目施工中，借助BIM技术进行三维施工场地布置和四维可视化施工模拟，优化了场地秩序，保证了施工进度，极大地提高了管理效率。

（2）BIM与VR技术相结合，可用于对施工人员进行可视化交底和安全教育，保证施工质量，强化安全意识；与RFID技术、智能安全帽等物联网技术相结合，有利于保证人员安全和材料安全。

（3）使用BIM技术动态施工模拟进行风险源识别，提前对群塔作业和高支模施工进行风险控制，有利于预防安全事故发生，降低安全隐患。

（4）应用智慧管理平台对项目整体进行综合管控，可优化管理模式，提高管理效率，实现安全文明与绿色施工。