【智慧证书】BIM技术在施工阶段的价值导向和应用衍生

BIM技术在施工阶段的价值导向和应

摘要

在建筑业转型升级进程中，BIM技术所具备的可视化、协调性、模拟性、可优化性、参数化、数据化等特性，被公认为有助于建筑业技术进步和组织形式变革。与设计阶段和运维阶段相比较，施工阶段参建方众多，且有着不同利益诉求，需要科学组织来应对管理的复杂性和矛盾性；生产环节上从虚拟到现实，从不确定性到可实施性，对应的技术需求是合理改进、减少错误、降低成本。BIM丰富的技术特性，项目间的差异变化，使用者对BIM技术不同的理解和价值导向，使得BIM技术在施工阶段的应用外延和内容不断衍生且极为丰富。

0引言

刚接触BIM的新手，往往都会思考的一个问题，从事BIM前景如何？即便是熟手也会经常思辩，自己主导的BIM应用在项目究竟有没有落地？“任何有价值的事物都值得等待”。当BIM应用在项目落地之时，也就是BIM价值产生之时。那究竟如何让BIM应用落地。一种方法是，项目在实施之初，在中，会设置BIM应用专篇，罗列好BIM应用点，再到项目实施，这种方式适合去解决技术重难点，属于技术应用。另一种方法是以项目核心管理目标来驱动，以BIM价值为导向，来创新组织和实施模式，这种方式适合改善工作协同模式，属于管理应用。

BIM技术应用是一个递进的过程，不同企业和从业者间由于接受先后和投入深浅，往往在BIM应用能力上产生分化，使得BIM应用价值产生差异。英国NBS机构发布的BIM level评价标准，将BIM的应用水平划分为四等：Level 0 BIM即无协作的工作模式，仍然停留在二维CAD形式展示信息的项目；Level 1 BIM为创建3D模型来辅助工程设计，但数据难以在项目成员中互用，只被承包人管理；Level 2 BIM各方基于通用的文件格式，使任何成员能结合自己的数据，整理出一个集成的BIM模型；Level 3 BIM即基于各种规范下的协作，各方均能完全共享使用同一个BIM模型，消除信息冲突，被称之为“开放式BIM”。英国NBS机构对BIM的应用层次进行划分，并要求2016年后英国政府所有招投标均需要达到Level 2 BIM层次，旨在从价值导向来指引更多项目往高水平BIM应用发展。

美国宾夕法尼亚州大学的计算机集成化施工研究组，对美国建筑市场上BIM应用进行了调查分析，将BIM在建筑全生命周期的中应用划分为规划、设计、施工和运营四个阶段。并总结出美国BIM在施工阶段的常见应用包括三维协调、场地使用规划、施工系统设计、数字化建造及三维控制与规划。在国内也有类似的研究，将BIM在施工阶段的典型应用总结为工程量统计、管线综合、施工进度模拟、施工组织设计、数字化建造、物料跟踪、施工现场配合和竣工模型交付。 

笔者也有幸连续三年担任了几项全国性BIM大赛的评委，从赛事入选作品来看，项目在规划前期都会制定项目BIM应用目标，然后选取虚拟场布、深化设计、碰撞检查、施工模拟和4D进度模拟等BIM应用点来保障该目标得以实现，最后，再以一系列价值来评判BIM应用给项目质量、进度、安全、成本等方面的管理带来的效益。

在施工阶段，从技术应用到管理应用，从单一深化到数据传导，BIM价值按照应用程度呈递增效应。BIM价值导向可以是解决某项工程施工的技术重难点，或是关注项目管理的“质量、安全、工期、成本”等某一环节，亦可为项目的精益化建造和数字化管理，依次再结合项目特点就会衍生出“百花齐放”的BIM应用点。BIM的价值“仁者见仁，智者见智”，只有通过BIM在工程中的实践来进行价值梳理，才有利于推动BIM技术在建筑行业的普及应用，提升BIM应用价值。

1 BIM在施工阶段应用价值导向的四个层次

湖南建工集团有限公司自2014年开始推广应用BIM技术，开展了大量项目层面的应用，并于2017年9月启动BIM与企业信息化管理的结合。对湖南建工460个应用BIM的项目进行分析，可将施工阶段BIM应用分为四类：一是基于BIM模拟性和可视化特性产生的应用，即工具级模拟类应用；二是基于BIM可优化性和参数化特性产生的应用，即岗位级深化类应用；三是基于BIM数据化和协同化特性产生的应用，即项目级协同类应用；四是基于BIM数据链特性的项目集群管理类的应用，即公司级治理类应用。

2 工具级模拟类应用案例

工具级模拟类应用关注“模型之内”，旨在创建BIM模型，按照施工部署和施工操作对BIM模型相应部位进行模拟，以便分析指导现场施工。这个层次衍生的应用点包括设备安装模拟、工程进度模拟及优化、土建工序模拟、脚手架验算及模拟、三维地质分层模拟、三维场布模拟、碰撞检查、净高验证模拟、大型设备运输路径模拟、吊装模拟、AR装饰模拟及资源计划模拟等。

2.1  施工方案模拟—长沙市生活垃圾深度处理（综合利用）项目

项目总投资25.86亿元，占地面积30万平方米，年处理成活垃圾180万吨，可实现年发电4.14亿kwh。

图2-1 1#厂房设备整体模型

项目锅炉水冷壁安装包含受热面排管、集箱和钢性梁，总重达274.57吨。其中，锅炉受热面单片重量达50余吨，安装高度达35米。传统扁平化的吊装方案编制模式主要依赖于理论上的平面数字计算和技术人员的工程经验，大多流于形式，缺乏科学的分析，导致安全、质量、工期等风险难以把控。

① 项目应用数字化模拟仿真技术，按照焚烧锅炉水冷壁受热面组对顺序，对模型部件单元进行拆分，集成施工措施和机械设备模型，模拟分析模型部件之间的相对空间位置关系，用以确定和优化吊装顺序的合理性。

② 基于模型对滑轮组固定钢构件进行有限元分析，提前采取加固措施和设置适当的水冷壁提升速度以消除钢构件的应力集中，保障结构稳定性。

③ 2台卷扬机滑轮组组对吊装，塔吊辅助旋转的方式进行吊装，需要对两侧水冷壁用卷扬机吊装至垂直状态后旋转90°，才能完成水冷壁安装。

图2-2 水冷壁吊装方案模拟

2.2  4D进度模拟—湖南省醴陵市世界陶瓷艺术城项目

项目总投资7.5亿元，总建筑面积6.1万㎡，结构类型为框架剪力墙+钢结构的形式，外立面多为非线性的异形结构，造型复杂。

图2-3 项目整体模型

项目共包含10栋建筑单体， 施工场地面积达11万㎡，作业面分布广，同步作业任务多达100余项，且建筑、结构、机电、幕墙等专业交叉施工，协调难度极大。

① 建立EPS项目结构分解机制，将项目划分为4个群体单元，结合WBS工作任务分解原理，编制项目施工进度计划，并依据OBS组织分解结构方法关联作业任务责任人。

② 基于施工组织计划拆分模型构件，建立LOD400精度的建筑单体BIM模型，通过项目链接的形式整合项目整体模型。

③ 与模型构件关联进度时间信息建立4D BIM模型，匹配施工组织人、材、机计划，实现项目建造、进度和资源的多维度模拟，提前预判施工组织的合理性和可优化性，保障项目高效运转。

④ 应用BIM进行进度管理，为项目节约工期45天左右，通过实时进度协调管理分包单位和材料供应单位的施工需要、科学合理配置施工资源，为保证项目按合同工期建成。

图2-4  4D进度模拟

3 岗位级深化类应用案例

岗位级深化类应用关注“模型深化”，旨在按照施工规范及设计要求对模型进行分解、细化及模型数据提取，衍生的应用点包括幕墙节点深化、钢结构节点深化、管线综合深化、预留洞口定位、、砌体排布、管线预制加工、钢筋下料及复核、智能化测量及点云扫描等。

3.1 钢结构智能放样—长沙市梅溪湖城市岛钢结构螺旋体

项目总投资1.7亿，其结构形式为大截面空间弯扭结构，是目前世界上最大的双螺旋体钢结构。高约35米、直径约86米。

图3-1 异形观光平台测量放样准备 

该项目双螺旋体异型钢结构的柱脚锚栓、钢斜立柱、环形通道定位安装及变形控制为主要施工技术难点。对平面定位、高程控制测量及高空拼接的精度要求极高。

① 项目以Revit模型为基础，建立坐标系，在BIM360中创建测量控制点及放样点，将其坐标信息上传至云端，配合TOPCON LN-100智能放样机器人。

② 采用内控外控结合法对异型钢结构空间坐标进行放样，对施工过程中各重要过程进行监控与复测，着重控制拼装过程中节点相对位置精度。

③ 计算桁架预拱值，在桁架拼装上提前考虑变形情况，在高空安装时实现整体精度控制。

④ 确保了各构件的节点安装在空间定位±5mm的预定精度，其顶部钢结构最后安装合龙时，定位测量控制到最后的闭合差仅为10mm。

3.2机电深化—长沙市金鹰大厦前广场改造项目

项目为集停车、交通、人防等功能于一体的下沉式广场，拟建地下三层，地面为城市花园式广场。占地面积100亩，项目总投资约3.5亿元。

图3-2 送排风机房深化模型

为避免安装过程中楼板二次开洞，通过Revit建立建筑、结构及机电模型，并按照施工规范及现场要求进行深化设计，合理布置各专业管线的层高，使模型整齐、大观、有层次感。并布置综合支吊架，通过受力验算，达到承载要求，导出预埋槽布置图。

① 在混凝土浇筑前准确预埋预埋槽位置，供后期支吊架安装，避免后期支架安装用膨胀螺栓固定破坏楼板，影响结构及美观。

② 对项目机房模型进行深化，通过可视化交底以及将模型导入终端设备指导现场施工，使机房设备及管道安装美观、整齐。

3.3 钢结构深化—援塞内加尔竞技摔跤场项目

项目为中国政府援助工程，位于塞内加尔共和国首都达喀尔市，总建筑面积1.8万㎡，其看台为钢筋混凝土结构，屋面为钢结构，是一个集摔跤竞技、赛事转播为一体的大型体育场项目。工程由一道前主拱和一道后拱及若干次桁架组成，整体呈金腰带形状，后部支撑采用16根钢骨柱，支座采用抗震球型钢支座连接，桁架采用全熔透焊连接。所有钢构件在国内加工，再运输到国外定位、安装。

图3-3 竞技场整体模型

① 根据设计图建立Tekla结构模型，综合考虑构件制作、运输及安装等多个环节以及和其他专业的联系与配合，对复杂节点进行深化设计，生成可直接用于工厂加工的深化设计图及构件清单。

② 项目施工人员由中国和塞内加尔两国人员组成，通过对钢结构施工方案、方法、工艺，采用三维可视化交底，降低了工作人员对方案理解的难度，提高了两国之间的沟通效率，为项目顺利实施打下坚实的基础。

图3-4临时支撑柱柱顶节点图

4 项目级协同类应用案例

项目级协同类应用关注“模型之外”，参建方众多是多数项目在建过程中都面临的问题，由此造成的跨方协作管理、通知上传下达等沟通节点都存在滞后性。这个层次的应用旨在利用模型数据结合施工现场实际情况辅助实现项目多个要素的协作目标，衍生的应用点包括商务管理、质量管理、安全管理、进度管理、资料管理及资源管理等。 

4.1 PM管理平台—汕头市苏埃通道工程

汕头市苏埃通道工程起止桩号为 EK2+000~EK8+680，起点位于天山南路与金沙东路交叉口，终点接虎头山隧道，线路总长6.68km，设隧道1座（5300m），互通立交2处，管控中心1处，收费站1处，风塔两座。

图4-1 项目信息统计分析

该项目以Revit模型为基础，构建多方共同参与的BIM项目协同管理云平台，实现项目质量、安全、进度、成本等信息协同监管。

① 将现场施工情况与模型进行挂接，实时反映当前施工进度，提升项目管理效率。

② 基于地质风险点提示模型，实时显示现场盾构机距下一风险点距离，为施工安全提供有效保障

③ 将技术、商务等关键资料实时上传云端，在信息化平台上统一归集、管理，保障各统计周期产值的准确报送及结算资料的完整性；

④ 基于模型匹配进度信息，与现场形象进度比对，实现项目进度高效管控。

图4-2 分工区的进度管理模式

4.2 5D商务管理—永州市金盘世界城商住综合建筑群

项目总建筑面积50万平方米，总投资30亿元，是集大型购物中心、主题商业街区、酒店、商务办公、瞰江住宅群等多种物业类型为一体的大型城市综合体。

图4-3 5D商务管理

项目为施工总承包工程，其参建分包单位包括基础工程、装饰装修、防水工程、机电安装工程、电梯工程、智能建筑系统等众多单位，其项目建设周期长达4年，参与人员众多。

① 利用5D管理平台，建立预算模型，按楼层、部位、构件统计工程量，导出工程量汇总表、定额汇总表、工程量计算书等。

② 在5D管理平台对算量模型、合同预算、成本预算的动态比对，依据工期变化随时获取动态目标成本分析，为实时掌握有效的成本更新数据共计10项，总计核对成本差额80万。

③ 将GBQ4.0计价文件导入5D管理平台，将商务部分数据输入，对人、材、机等全要素、全过程的实时、准确、真实、完整的监控和管理，实现岗位、项目、企业数据之间的互联互通，协同共享，综合展现。

5 公司级治理类应用案例

公司级治理类应用关注“数据传递”的事情，旨在通过对BIM数据与企业制度及工程标准相结合，达到管理流程闭环，多维度、多层级自动汇总分析，形成指标数据，提高项目精细化管理程度，减少中的资源损耗，衍生的应用点包括业财一体化、基于BIM的集采平台和基于BIM的审计平台等。

5.1 集群管理平台—2018年湖南省易地扶贫搬迁建设工作

易地扶贫是“十三五”期间的重点民生工程，2018年湖南建工集团要完成湖南省13个市、61个县（市、区）、501个安置点的项目建设工作。工程建设工期紧张且项目所在地多地山区地质条件差。项目集群管理平台用以解决项目数据上传时不及时、不准确的问题及梳理业务为需求，规范业务流程。平台预警提醒，达到管理流程闭环，多维度、多层级自动汇总分析，形成指标数据。

平台将IT系统建设与DT数据处理并举。通过主数据总线，将BIM云平台与业务管理系统打通，将BIM数据与业务数据集成。501个项目点的基本信息、BIM模型、工程量信息、预算信息、进度信息、人员信息、财务收支等信息从集团及分（子）公司不同部门、不同系统中进行调取、汇集，在平台中实现信息对称。业务数据与BIM数据集成，使“经验式定性管理”向“指标式定量管理”升级，决策科学性与执行准确性的双效提高，也意味着应对问题时的灵敏性，对于项目数量众多、管理层级复杂、价值意义重大的工程建设集群的统筹管理而言具有重大意义，信息的通达让“集中力量办大事”的优势得以充分发挥。

图5-1 项目集群管理平台大屏端及手机端

设置了“三端一云”的技术架构，满足各层级的人员需求，在施工管理上，通过移动端为项目提供知识共享的信息网络。既可以通过移动端浏览、查看其他项目的管理数据、资料，进行横向对比取长补短；同时，利用微信移动端的特性，直接联系到其他项目管理人员，进行更为广泛的知识与经验交流。云端进行数据存储和计算，通过将项目管理要点进行规则化，后台自动判别项目是否达标，并进行“爆灯”处理，防范管理风险，对项目、参建公司进行排名，达到过程绩效评定。

图5-2 项目排行爆灯榜

6 结语

让成功的BIM应用经验变为方法论，在于梳理BIM的应用层次，形成以价值为导向的BIM应用，让不同的BIM使用者（操作层、管理层、决策层）更清晰明确地展开BIM应用实践。将当前的BIM应用界定为“模拟、深化、协同、治理”四个递进的层次，在于指导由单一技术应用向多维管理应用发展，显而易见的是人的参与程度也越来越深，体现了BIM使用者更高层次的BIM价值诉求。

未来建筑业的“两化融合”是不可改变的趋势，在行业升级进程中BIM的角色地位发展方向值得BIM先行者们思考。数字化建造的基础是数据，数据的核心是BIM，以BIM模型为主数据，集成进度、成本等业务数据，借助新技术、新工艺，实现工程的数字化建造。数字建造发展到一定程度后，将BIM主数据应用到企业层面的设计研发、生产调配、经验营销、运营维护等环节，彼此分割的局面被融合，改变“信息孤岛，集而不团”，提升管理的自动化、智能化程度，催生出新型的企业信息化治理。

“数字化建造，信息化治理”的趋势离不开BIM技术关键支撑，对BIM价值导向进行梳理，有助于总结各类衍生应用点，有助于更密切地结合当前需求和未来趋势，也为BIM技术在行业的发展路线指明了方向。