BIM技术在超高层建筑工程全生命周期中的应用

引言
BuildingInformationModeling（简称BIM）建筑信息模型，以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点。自20世纪90年代开始，BIM技术已经在欧美国家开始兴起，且主要应用于制造业，更多的使用在汽车、飞机、船舶等的设计中。起初的技术受限于辅助工具的不完善，发展较缓慢。随着3D工程辅助绘图软件的出现，BIM技术取得了突飞猛进的进步，使得工程界人士看到了建筑产业再一次改革的曙光。建筑项目信息在规划、设计、施工和运行全生命周期全过程中起到了决定性的作用，加快了建筑业技术和管理水平的提升进步[1]。
我国在BIM技术的应用方面起步较晚，在建筑业的引进更是较缓慢。在“十二五”规划中，明确了要加快BIM技术在工程中的应用，这为推动建筑业信息建设指明了方向。同时，该技术在建筑产业多方协调方面展现出来的强大优势已经成为业内人士的共识。例如，BIM建筑信息模型可在建筑物建造前期对各专业的碰撞问题进行协调，生成协调数据，提供出来；同时，通过对设计、施工过程的模拟功能，可以提高并优化设计水平、降低施工风险；BIM模型提供了建筑物的实际存在的完整信息，在BIM的基础上可以做更好的设计和施工过程的优化等。因此推广BIM技术在建筑业企业中应用，进而实现企业技术和管理升级是建筑企业的必然选择。
纵观近阶段BIM技术在我国建筑工程上的应用，主要集中在大型体育场馆，以及多层和高层建筑中的应用，但在超高层中的应用比较少。本文则以兰州国际商贸中心这一超高层建筑群建设中BIM技术的应用为例，比较全面的介绍了该技术的实际应用过程。本项目中由于施工场地小，场地布置难度大，交叉作业范围大，钢结构、高支模、超高层砼泵送、大体量综合，机电管线排布复杂，施工图纸变更频繁，工程量核算复杂等。为保证工程顺利进行，该项目引入BIM技术，提前规划、重点模拟、化繁为简、减少返工，同时将BIM应用于工程建设全周期中。
1工程概况
兰州国际商贸中心工程（以下简称兰州中心），位于甘肃省兰州市七里河区西站商圈内，是集零售、餐饮、酒店、娱乐、金融、商务、住宅、文化休闲等综合为一体的大型建筑。项目占地面积约111亩，总建筑面积：604215.63m2，其中地上建筑面积429796.37m2，地下建筑面积174419.26m2，建成后将是兰州规模最大、档次最高、业态最全、生态环境优、功能配套齐全的国际一流城市综合体。项目主要由裙房及3栋超高层兰州中心（180m）、兰州希尔顿酒店（140.15m）、兰州Soho（144.15m）组成。兰州中心BIM信息整体模型（见图1）。


项目主要由裙房及3栋超高层兰州中心（180m）、兰州希尔顿酒店（140.15m）、兰州Soho（144.15m）组成。兰州中心BIM信息整体模型（见图1）。
2图纸会审
本项目的图纸会审与传统的会审稍有不同，主要进行了以下工作：本次图纸会审由建设单位负责召开，建设单位、设计单位、监理单位、施工单位（土建及安装）等都派了有关单位派代表参加（成员有各项目负责人、技术负责人、各专业工程师等）[2]。综合各专业提出的问题及最后商定的处理意见，各单位做了详细的记录，由施工总承包单位在会后整理形成了成正式文件，即《图纸会审记录》。
与此同时，本项目部BIM团队通过设计院提供的二维CAD图纸翻建三维BIM模型，利用该技术对图纸进行会审。其中主要包括：土建图纸会审和机电图纸会审。
在建模过程中发现问题，从而反馈给设计方，对图纸做进一步的修改，力求将问题解决在施工之前。本项目BIM图纸会审发现的问题主要有：同一轴网上下层不一致、地下部分与地上部分柱子错位、梁上起墩、主次梁交接不合理、图纸标注错误、楼梯与结构梁净空不足、坡道净空不足、型钢深化不合理等问题、通风口与外幕墙竖向龙骨冲突等。
3施工场地布置
在图纸会审完成的基础之上，利用BIM技术进行施工场地布置的模拟。由于施工场地非常有限、体量太大，现场群塔作业繁忙，为了避免出现施工安全事故，建立BIM信息模型，对群塔之间高低差、覆盖范围进行直观、预先模拟运行分析，从而更加合理布置，安全有效运行；对现场未施工区域拟建造民工生活区，由于此部位结构形式复杂，普通二维图纸不能直观体现出结构之间的关系。通过建立BIM模型，找出布置板房的合理位置，发现洞井，提前做好安全防护，合理规划现场通道；由于现场施工单层作业面为6.6万m2，划分为58个施工流水段，通过建立BIM模型，在模型当中划分流水段。改变以有手工算量，填写混凝土生产预约单，做到了精确算量，严格控制浪费，节约成本。现场三维平面施工布置（见图2），按施工流水合理划分施工流水段（见图3）。




4BIM技术施工模拟
4.1型钢结构与混凝土结构施工工艺模拟
本工程有型钢混凝土组合结构、钢筋混凝土结构、型钢与钢筋混凝土交叉施工。为了使施工作业人员明确施工流程及次序，保证施工精度，建立型钢、钢筋参数模型，现场对各个复杂施工区域进行三维交底。保证施工质量及进度。型钢与混凝土模型（见图4）。


4.2高支模施工节点工艺模拟
本工程高支模部分超过9处，为使高支模施工能够安全有效进行，预先进行3维架体排布、确定安全网铺设位置、混凝土分层浇筑高度、剪刀撑位置及间距、梁柱节点加固方式、顶托自由端超长部位进行调整，最后制作成施工模拟动画对现场作业人员进行模拟交底，明确注意事项。高支模架体参数模型（见图5）。


4.3施工模拟及进度控制分析
通过超前模拟施工，对爬架顶升、塔吊附墙、人货电梯附墙位置及时间进行分析，确定合理的时间及位置，保障施工进度。通过进度模型分析，综合考虑施工流水段施工，确定优先施工区域。根据对模型进度控制明确施工产值；使得形象进度更加可视化、直观化。现场整体进度三维模型（见图6）。


5各部分方案优化及技术交底
通过模型直观可视性对复杂节点的工序排布、施工难点作以优化并进行三维交底。本项目利用BIM技术对一下几个关键方面做了优化后交底。
5.1兰州中心海底世界
兰州中心海底世界标高、预留孔洞、异形构造、混凝土标号均较多，通过建立BIM模型，发现建筑与结构之间的问题，确定异形构造的支模方案及混凝土浇筑方案，通过设置不同标号混凝土颜色方案，更加清晰不同标号混凝土浇筑位置。
5.2消防水池与旋转汽车坡道相结合
希尔顿酒店消防水池结构形式较复杂，为保证混凝土连续浇筑不产生施工冷缝、跑模涨模等不良后果；利用BIM模型对支模体系、混凝土浇筑面内外标高控制、放坡比例、施工次序等进行逐一分析，并利用三维施工模拟进行交底，从而保证施工质量。
5.3泵管布置优化
由于施工现场狭窄，可泵送点选择有限，综合考虑塔吊、场内交通、生活区环境等因素、确定合理的泵送点，明确泵管加固方式及附墙位置。确定裙房泵管分流位置，节约泵管，降低成本。
5.4BIM二次样板砌筑和机电管线排布
通过建立BIM模型，对标准层进行BIM样板砌筑，明确构造柱位置。改变以往CAD排砖，利用三维模型排砖更加真实、可视化。通过建立机电模型，和土建模型整合，完成碰撞调整，综合管道排布，生成管道支架及加工图。BIM样板砌筑模型如图7所示。


5.5塔楼幕墙、裙房网架优化
建立塔楼外幕墙BIM模型，发现幕墙预埋位置偏差，对幕墙效果进行可视化分析。优化最佳效果；本工程裙房网架全为变截面不等高异形，二维图纸指导施工困难较大，且容易出错。通过分析体量建立模型，明确网架结构形式，更加直观地指导施工，且做到了对网架材料的精确算量。针对现场安全防护进行BIM三维交底、做到规范化、标准化、可视化施工，使得现场作业人员更加明确，管理人员交底变的更加简单。裙房网架和幕墙3维模型如图8所示。


6工程量统计分析
利用BIM技术提取各构件信息、便于物资提料、有效控制现场材料使用情况，形成工程材料明细表，然后按模型中划分好的流水段提取砼工程图8裙房网架和幕墙三维模型量和钢筋工程量配合成本完成3算工作。具体实施主要是在BIM模型中快速对现场各段各层各标号的混凝土方量、模板面积、钢筋用量及水电管线数量进行输出，配合成本完成3算。可视化的三维钢筋模型，使得现场质量验收变的更加简单快捷，质检人员只需拿着模型就可以对钢筋锚固长度、搭接位置、钢筋型号、箍筋间距等进行检查验收。改变了以往拿着图集、二维图纸验收。加快了工作效率、提高了工作质量。BIM生成的工程材料明细表（见图9）。


7方案优化、管线线路优化设计
利用BIM技术通过对机电模型的建模，与土建进行模型整合，完成管道碰撞检测及调整，通过模型整合后的碰撞检查，及时发现并优化后期可能遇到的管线结构间问题，减少人材机的浪费。经过碰撞检查，就可以发现一些问题。例如，本项目中避难层原设计采暖管道如按设计走向，经三维排管后发现，导致走廊层高安装完成只有1.5m层高，为了满足功能要求，需对管线进行优化排布。通过对复杂机房管道进行排列，发现碰撞问题提前解决，将问题消化在工程前期，节约工期。通过模型直观可视性对复杂节点的工序排布、施工难点作以优化，按照三维图纸对支吊架数量及形式进行统计，形成二维可视化加工图，按照支吊架型号及编号批量进行加工，施工现场按照编号进行安装，最终完成管线布置。
8BIM在本项目应用的的经验总结
BIM技术在项目招投标、项目可施工性、工程算量、各专业协调、施工组织设计及生产计划、预制加工、施工现场生产与管理、交付使用管理、进度管理、项目控制等方面提供了解决方案。本文主要对以下4方面做了总结。
8.1工程算量的精准化
我们利用该技术创建算量模型，在精确的模型基础上是开展BIM工作。在模型中可以精确统计所有材料数量。从而达到现场精细化管理，节约成本，为我们的企业带来效益，但实际操作中存在一些问题[3]。例如，目前国内一些公司开发出了基于Revit的接口进行算量。但是，通过试用我们发现，Revit在导出为其他格式时，有一部分构件不被识别，需要手动修改其类别属性。这需要我们在建模初期，对建模规则进行细化调整。从而实现钢筋算量；本项目中我们实践中发现Navisworks2015具备2D/3D工程算量。我们可以通过编制相对应的计算的规则，实现更加个性化的工程算量，而且具备基于模型变更的算量，使得工程算量更加人性化，做到查缺补漏。
8.2安全管理的可控化
通过应用我们发现，在安全管理方面仍需要我们手动翻看模型查找临边、洞口等安全问题，再建立标准化的防护模型，指导现场三维技术交底。通过研讨，我们提出了开发基于Revit的工具集，这样就可以实现自动防护，减轻了BIM工作人员的负担，提高了工作效率。在以后的应用过程中我们可以开发安全预警模块，由现在人为发现BIM模型中的危险源变为软件自动提醒危险源。
8.3物资管理的便捷化
本项目总结的物资采购阶段BIM应用流程：
建立BIM模型→出构件加工图及零件清单→构件数字化生产加工→编制构件二维码→构件运输→进场二维码扫描→项目BIM信息管理系统。
借鉴集团安装公司物资信息系统管理经验，基于Revit数据库插件，制定项目级物资编码规则，并结合仓库信息管理系统，打印条形码，对进场材料进行质量检查验收的同时进行贴码，从而实现对材料的分类堆码，库存量的实时统计，方便物资管理人员及工程技术人员进行工程决策。
8.4工具集的开放化
在BIM技术工程实践中我们遇到了很多Revit软件无法实现或实现起来困难比较大的问题，比如：梁柱节点不同标号混凝土算量、模板算量、建模速率慢等特点，通过开发小插件这些问题都能得以解决。同时也了解到，中建八局已经有了自己的工具集，在BIM实施应用落地方面起到了很大的作用。建议公司能够在工具集开发方面提供支持。
9结语
近几年BIM技术在国内飞速发展，已有好多企业走在了前面，由最初的2D到3D，现已发展到5D。兰州中心作为分公司BIM试点的先行单位，同时作为分公司BIM运行的载体，已经在BIM5D方面进行了探索应用。目前，我们了解到，基于BIM5D平台的项目综合管理。通过BIM5D平台整合各类资源，从而更好的实现项目精细化管理。BIM5D平台将土建模型、钢筋模型、机电模型、钢结构模型、三维场地模型、模架模型整合在一起，实现现场与模型一致。使得BIM技术在施工现场真正落地[4]。
参考文献：
[1]王凯.国外BIM标准研究[J].土木建筑工程信息技术，2013，5（01）：6-16.
[2]张成双，张洪梅.施工方应如何做好图纸会审[J].科技视界，2012（21）：184-185.
[3]杨震卿，潘朝辉，田丰，等.BIM技术开创混凝土算量工作新模式[J].建筑技术，2015，46（02）：129-131.
[4]龙文志.建筑业应尽快推行建筑信息模型（BIM）技术[J].建筑技术，2011，42（01）：9-14.
（作者：康小军赵潇中铁建工集团有限公司西北分公司，韩彬彬兰州大学土木工程与力学学院）