BIM技术在大型改复建项目中的应用

智能建造是一种极具创新性的建筑业建造方式，将BIM技术、物联网技术、3D打印技术及人工智能技术等高新科技创新性等融合进了建筑建造过程中。智能建造的实质是以物理信息技术为基础，从动态配置的生产方式实现施工现场智能化建设，并与设计和管理相结合，实现施工模式的变革和升级。建筑行业数字化是目前研究的重点，也是未来建筑行业的趋势。

对于智能建造关键技术在项目中的应用，已有学者进行研究。在设计阶段，张社荣等以数字孪生为基础应用架构，利用正向设计和精益建造模式，解决了水电工程设计施工一体化过程中设计优化效率低、设计施工信息互馈过程繁琐、智能化建造水平不高等问题。在施工阶段，刘占省等基于BIM技术进行了预制装配式风塔架的建模，得到了在参数变化驱动下结构整体形变和应力分布的状态，为结构施工提供了可靠的依据。Fang等将深度学习目标监测算法应用在施工现场智能监测中，可以自动预警危险，自动识别没有佩戴安全帽的工作人员。在运维阶段，刘占省等提出了一种数字孪生驱动的消防疏散动态引导方法，应用在冬奥场馆中，解决了目前建筑物安全疏散表达方式以二维为主，疏散路径规划不能根据火灾的发展态势实时动态地进行，且不能考虑人员的位置因素等问题。

1　工程概况

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位于浙江省杭州市西湖区三墩镇华东院三墩老基地内，该项目东侧为徐家门河和厚诚路，北侧为灯彩街，西侧为嘉仁路（图1）。

图1　华东院三墩基地位置示意

本项目占地面积约19 000 m²，建筑总面积90 536 m²，主要功能是科研实验中心、办公场所、各类配套设施等用房及地下车库，拟定质量目标为项目整体争创“钱江杯”优质工程，创造出宜人、宜居、富有文化底蕴的科研设计办公环境，在最大限度上实现建筑与环境的融合，成为周边区域标志性建筑。

2　BIM技术应用关键点

2.1　大型改建项目重难点分析

目前，我国经济发展的主要动力来源和重要支撑来自建筑行业。但是，当前建筑行业的工业化和信息化水平，远远满足不了我国经济高质量发展和人民对美好生活环境的需求。因此，我国建筑行业迫切需要制订工业化、信息化与智能化相融合的智能建造发展战略，彻底改变目前碎片化、粗放式的建筑建造形式。本项目作为大型改复建项目工程，工程体量巨大，工期紧张，项目重难点较多，结合本项目的施工特点，可大致总结为以下4点。

（1）场地狭小、场外环境复杂，施工机械、设备、材料投入大。现场场地面积狭窄，不易安排材料和机械。尤其是在地下室施工阶段，东、南、北周边几乎没有施工场地，现场中所有人、材料、机械须随到随用，机具、模板的使用基本不能离开工作面。另外，本项目附近民居较多，施工时需格外注意环保和降噪。

（2）施工条件较差。本工程地处亚热带季风气候区域，四季交替明显，全年中：4~6月为梅雨期，7月下旬~10月上旬为台风雨期，常有暴雨或大雨发生。季节性施工时间相对较长，对施工影响大。

（3）基础结构复杂且建筑内部空间狭小，设备管线密集。需深化设计的分项工程较多，设计人员工作量大，各专业设计人员需及时沟通处理设计问题。

（4）整体情况复杂，设计施工难点较多，对于应用智能建造技术成为对企业智能建造技术水平的考验。

2.2　基于BIM的智能建造技术应用关键点

基于上节对于大型改复建项目的重难点分析，结合基于BIM的智能建造关键技术，分析大型改复建项目中智能建造技术的应用，其关键技术应用流程如图2所示。

图2　智能建造技术应用流程

（1）基于施工图纸建立相关BIM三维模型，如场地布置模型、建筑模型、机电模型和结构模型等。利用BIM模型向设计院反馈图纸问题，及时作出改正，并进行深化设计，主要阶段有图纸会审、管线综合、结构节点和工程量统计。

（2）用BIM 4D技术进行施工方案设计、进度计划模拟及关键施工技术AR可视化交底。通过应用BIM技术进行施工现场交底，让现场工人通过相关模型直观感受施工流程。

（3）运用VR设备、三维扫描等技术进行工程施工管理，包括进度管理、质量管理、安全管理和成本管理。

2.3　基于BIM的智能建造技术应用价值

2.3.1　专业间协同工作

大型改复建项目中，不同专业设计之间需要相互协作。BIM技术可有效连接不同专业设计数据、过程和资源，全面支持各专业间协同设计工作。例如设计参数和相关信息可从各专业设计的信息模型中获得，不需重新输入，避免了数据冗余、歧义和错误。某设计人员修改其设计的模型时，其他专业设计中的模型也会同时修改。使设计师和工程师可对各种建筑信息做出恰当反应，实现不同专业设计师之间的信息共享，为协同工作提供基础。

2.3.2　施工信息管理

BIM是一种创建、管理和共享信息的数字化方式，借助BIM技术，可使整个项目在规划、设计、施工、维护等阶段高效地创建计划，达到降低安全风险、节约能源、节约成本、减少污染物排放及提高效率的目的。应用BIM技术实现项目管理的全新理念，提高建筑业信息化水平，引领建筑业向更高层次发展。

2.3.3　关键工艺展示

在施工过程应用，BIM技术体现出三维可视化的优势。应用BIM技术可显著提高施工过程的整体质量和效率。大型改复建项目施工过程复杂，且各施工环节均具有关联性，对施工人员技术要求较高，因需对关键工艺流程进行合理规划和展示。例如应用BIM技术对方柱加固施工进行模拟，可论证加固方案的可行性，用于指导施工。

3　基于BIM的模型搭建与深化设计

3.1　模型搭建

本项目BIM建模过程中，应用Revit构建高精准的三维BIM模型（图3），使监理单位和施工单位能全面直观地了解设计意图，为图纸审核、深化设计及管线综合排布碰撞检查等工作奠定了基础，并为施工模拟、进度计划和工程量统计等后续工作提供模型，进行全面的管道布置和碰撞试验，施工和进度模拟以及基本模型定量统计。

（a）     （b）

图3　模型塔建（计算机截图）

（a）建筑模型；（b）结构模型

在创建模型的同时，应用BIM技术协同共享的特性，各专业设计人员对BIM模型进行实时更新，保证BIM模型和现场施工一致。竣工验收后可直接将修正后的竣工模型交给运维方，方便后期的运营和维护工作。

3.2　图纸审核与深化设计

针对本项目基础部分结构复杂，问题较多的难点，利用BIM模型精准度高、三维立体、多角度直观的特性，检查建筑、结构及机电专业管线之间搭建完成的模型“错、缺、漏、碰”问题，整理碰撞检查报告，并提出设计优化建议，提高设计单位的图纸质量，减少因后期施工中出现的返工问题而造成工期延误和投资浪费，减少设计变更，提高施工效率。在土建结构的关键节点深化设计阶段，解决了节点钢筋绑扎和顺序问题。

3.3　管线碰撞检查与优化

3.3.1　管线碰撞检查

本项目用于铺设管线的空间狭小，各种管线密集，施工难度大，利用BIM技术手段，在将各专业的Revit模型进行合模，后导入Autodesk Navisworks软件，在Navisworks中设置碰撞检查规则进行碰撞检查，系统可自动查出碰撞部位并出具碰撞检查报告（图4）。

图4　碰撞检查流程

通过管线检测报告提前解决了施工前期的图纸问题，避免了因图纸问题导致的施工冲突而造成的浪费，保证了施工质量，加快了施工进度，节省了成本。本项目应用BIM技术进行碰撞检查，共发现机电专业内问题326余处并及时进行了修改（图5）。

图5　机电管线碰撞检查（计算机截图）

（a）碰撞检查前；（b）碰撞检查后

3.3.2　管线路由和安装空间优化

本项目多种管线密集，安装空间狭小，强弱电桥架、给水、消防、采暖、中水、通风等专业管道同时排布（图6）。

图6　综合管线布置

公共区域的变配电室、换热站、水电设备间等房间狭小，按设计无法安装全部管线。应用BIM技术建模进行综合管线布置，排列管线安装顺序、优化管线路由，并对安装空间进行调整。

3.3.3　结构图纸审核优化

本项目主楼与车库和汽车坡道相连，自行车坡道与车库和主楼相连；车库内功能性房间多，建筑做法不同，结构标高不同；汽车坡道数量多结构复杂且形态各异与车库邻近、相连的主楼基础与车库基础高差达3.1~6.2 m，基础部分结构复杂，问题较多，为此，应用BIM模型发现并解决基础部分的图纸问题37项（图7）。

图7　结构基础BIM图

3.3.4　全专业碰撞检查

本项目集成包括结构、建筑等多专业在内的BIM模型，使用Navisworks软件进行专业间的碰撞检测，提供了检测报告及修改意见，包括建筑专业之间、结构专业与建筑专业、机电专业之间的碰撞检测。根据碰撞检测报告优化碰撞点再次进行碰撞检测，如此循环直至解决所有硬碰撞，及软碰撞应用优化后的BIM模型形成综合平面图和综合管线图，用于指导施工。

4　基于BIM的施工模拟分析

4.1　群塔作业方案优化

本项目因施工需要塔式起重机布置密集，塔式起重机使用量多达16台，相邻之间存在交叉作业区，老塔式起重机在相同时间工作，就有可能发生碰撞事故[5]。群塔方案编制难度大，为此应用BIM技术确定塔式起重机位置和型号，再根据施工进度模拟建筑物与塔式起重机间的空间时间关系确定每台塔式起重机的位置、高度和顶升、附着方案，然后对四维模型进行碰撞检测，逼真地模拟塔式起重机操作，导出的碰撞检测报告可用于指导修改塔式起重机方案，保证了群塔作业方案有良好的可行性（图8）。

图8　群塔作业防碰撞模拟技术流程

4.2　三维可视化演示

本项目应用BIM技术建立悬挑钢梁模型，并与结构模型和铝模深化设计模型“合模”（图9、图10），使用直观立体的三维模型展现悬挑钢梁与结构、铝合金模板的位置关系，精简了悬挑钢梁布设。

图9　悬挑钢梁模型

图10　“合模”模型

应用BIM技术优化悬挑架钢梁布置方案，提高了施工效率、节省了材料，还可避免由CAD图或方案错误造成的碰撞、返工问题，另外，应用BIM技术结合三维模型对管理人员进行施工模型的三维可视化演示，方便管理人员理解和接受，更好地执行方案。

5　结束语

（1）华东院三墩基地改复建项目应用BIM技术创建建筑的三维模型，进行图纸会审和深化设计，实现了各专业设计人员施工中的协同和共享，大幅度提高了设计效率，也保证了施工方案的可行性。

（2）在BIM模型创建的基础上设计群塔施工方案。利用BIM技术通过Timeliner将模型赋予时间轴信息，对四维模型进行碰撞检测，可逼真地模拟操作，导出的碰撞检测报告可用于指导修改方案，应用Navisworks进行管线碰撞检查与优化。

（3）利用BIM技术，将建筑三维模型导入Navisworks进行施工进度模拟，严格把控各施工步骤的连贯性，确保本工程在规定工期内及时竣工。