文/北京城建亞泰建設(shè)集團(tuán)有限公司 付勇攀 張東蛟 馬祎斌 武鳳濤 董佳節(jié) 費(fèi) 愷 李 萌

0 引言

在我國(guó)，BIM最初主要應(yīng)用在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，以實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化、專業(yè)協(xié)同等功能。隨著BIM技術(shù)的成熟與應(yīng)用，其在建筑運(yùn)維階段及全生命周期管理等方面也表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)。

BIM集成了所有幾何模型信息功能要求及構(gòu)件性能，利用獨(dú)立的建筑信息模型涵蓋建筑項(xiàng)目全生命期內(nèi)的所有信息，采用BIM技術(shù)可使整個(gè)工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等階段有效實(shí)現(xiàn)資源計(jì)劃建立、資金風(fēng)險(xiǎn)控制、能源與成本節(jié)約、污染降低和效率提升。應(yīng)用BIM技術(shù)能改變傳統(tǒng)項(xiàng)目管理理念，引領(lǐng)建筑信息技術(shù)向更高層次邁進(jìn)，從而大大提高建筑管理集成化程度。

本文以城奧大廈工程為例，闡述BIM技術(shù)從項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)等階段的全生命期應(yīng)用，探討B(tài)IM技術(shù)在提高施工效率、節(jié)約時(shí)間與成本等方面的作用。

1 城奧大廈項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

城奧大廈位于北京市朝陽(yáng)區(qū)奧體南區(qū)中央公園東北角，毗鄰2022年冬奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員村。總建筑面積69929m2，建筑高度95m，地上19層。建筑整體造型獨(dú)特，外框結(jié)構(gòu)呈類圓、非線性、雙曲面、大拇指形狀，主體采用鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。

1.2 工程重難點(diǎn)

城奧大廈外形神似豎起的“大拇指”，是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的非線性復(fù)雜地標(biāo)性建筑，內(nèi)部中庭，邊庭挑空，空間靈動(dòng)，從設(shè)計(jì)到施工整個(gè)階段采用參數(shù)化設(shè)計(jì)模式進(jìn)行控制，在形體建造上依靠計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（CAM），力求達(dá)到國(guó)際水準(zhǔn)并成為復(fù)雜建筑的設(shè)計(jì)典范（見圖1）。

1.2.1 異形鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜

本工程含轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)、V形柱、弧形梁、齒形板等眾多異形鋼構(gòu)件，且構(gòu)件截面尺寸較大。邊庭結(jié)構(gòu)由弧形箱形構(gòu)件、弧形組合水平桁架等組成，整體外形逐漸內(nèi)傾，跨度較大，且內(nèi)部設(shè)置2條空間曲形坡道。邊庭結(jié)構(gòu)整體通過三角骨架、拉索與主體結(jié)構(gòu)相連接。結(jié)構(gòu)頂部設(shè)計(jì)為雙層不規(guī)則球形穹頂，最大跨度33m，由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間位置無(wú)標(biāo)準(zhǔn)形式，復(fù)雜的外形決定了其施工難度大。

1.2.2 幕墻體系多且復(fù)雜

城奧大廈幕墻體系設(shè)計(jì)新穎，主要分內(nèi)外2個(gè)幕墻區(qū)，涉及標(biāo)準(zhǔn)垂直、斜向幕墻，屋頂斜幕墻、邊庭幕墻、屋蓋金屬幕墻等10余種，加工及安裝要求高。

1.2.3 機(jī)電管綜工程量大

建筑平面與結(jié)構(gòu)梁柱關(guān)系變化較大，機(jī)電布置每層平面均不相同，弧形排布機(jī)電管綜工程量大，施工難度增加。

1.3 采用BIM技術(shù)的必要性

1）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，異形構(gòu)件多，每根柱的傾斜角度均不同，使用BIM技術(shù)可對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行精確定位，保證施工精度。

2）復(fù)雜節(jié)點(diǎn)較多，采用BIM技術(shù)進(jìn)行加工、制作，并進(jìn)行工藝視頻模擬，效果直觀。

3）幕墻體系復(fù)雜，無(wú)標(biāo)準(zhǔn)形式，可結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)建模和施工深化。

4）機(jī)電系統(tǒng)復(fù)雜，均為不規(guī)則弧形布置，排布、安裝難度大，運(yùn)用BIM技術(shù)可進(jìn)行管綜調(diào)整并指導(dǎo)施工。

2 城奧大廈BIM技術(shù)全生命周期應(yīng)用

2.1 BIM全生命周期應(yīng)用策劃

城奧大廈項(xiàng)目BIM團(tuán)隊(duì)由建設(shè)方、設(shè)計(jì)方及施工方共同組建，分3級(jí)管理。各方選派專人進(jìn)行BIM管理，管理員穩(wěn)定在14人，并配備1個(gè)3人組成的專業(yè)BIM運(yùn)行日常維護(hù)管理部，同時(shí)對(duì)實(shí)施過程中的需求進(jìn)行填補(bǔ)。

結(jié)合BIM管理組織架構(gòu)，制定BIM技術(shù)工作指導(dǎo)流程，形成《城奧大廈全生命期BIM應(yīng)用策劃》及《城奧大廈全生命期BIM應(yīng)用實(shí)施方案》等相關(guān)管理指導(dǎo)文件，用于總體把控項(xiàng)目BIM應(yīng)用方向及指導(dǎo)各參與方協(xié)同工作，提高工作效率，完善管理制度。

2.2 BIM在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

2.2.1 BIM平臺(tái)架構(gòu)

前期和中期根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)選取不同操作平臺(tái)進(jìn)行控制，最后統(tǒng)一整合。由于此項(xiàng)目為復(fù)雜非標(biāo)準(zhǔn)建筑，因此方案設(shè)計(jì)過程中采用曲面建模軟件進(jìn)行幾何控制，利用BIM技術(shù)完成所有自由曲線曲面的優(yōu)化工作，隨著方案深入進(jìn)行全三維模型建立。

2.2.2 BIM數(shù)字化建模

通過BIM中心模型理念，將設(shè)計(jì)理念全面滲透到整個(gè)項(xiàng)目周期中，為保證最終完成度，所有模型管理以設(shè)計(jì)方中心模型為初始模型，模型最大重用化為原則，保障BIM模型傳遞的一致性和準(zhǔn)確性。

2.3 BIM在施工階段的應(yīng)用

2.3.1 三維場(chǎng)地布置

現(xiàn)場(chǎng)采用三維動(dòng)態(tài)模擬場(chǎng)地布置（見圖2），按照工程進(jìn)度實(shí)施調(diào)控，科學(xué)調(diào)配材料周轉(zhuǎn)，充分利用場(chǎng)地；同時(shí)做到安全防護(hù)設(shè)施可視化，以便現(xiàn)場(chǎng)管理、落實(shí)。

圖1 城奧大廈外觀效果

圖2 施工場(chǎng)地布置

2.3.2 輔助精細(xì)化施工

2.3.2.1 施工方案模擬

1）吊裝方案模擬 利用BIM技術(shù)進(jìn)行吊裝方案模擬，采用最優(yōu)措施，保證施工質(zhì)量和安全。

2）內(nèi)外穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝模擬 該部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)多次專題會(huì)議研究，確定穹頂封閉施工安裝順序，按照先內(nèi)后外、中心對(duì)稱、協(xié)同安裝的原則進(jìn)行施工，防止整體變形，提高施工質(zhì)量（見圖3）。

3）蛇形坡道鋼結(jié)構(gòu)安裝模擬 建筑南側(cè)蛇形坡道為空間彎扭箱形結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)坡道彎扭箱形構(gòu)件空間位置復(fù)雜、內(nèi)部加勁板縱橫，坡道通過三角形骨架及拉索與主體結(jié)構(gòu)連接固定，施工工藝復(fù)雜，同時(shí)因施工場(chǎng)地限制，需前期進(jìn)行施工方案模擬，以保證施工效率（見圖4）。

4）針對(duì)幕墻封閉方案，利用BIM模型進(jìn)行可視化分析，通過立體建模進(jìn)行腳手架及操作平臺(tái)掛籃搭設(shè)方案選定，并根據(jù)模型方案進(jìn)行實(shí)施（見圖5）。

2.3.2.2 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)工藝模擬

通過BIM技術(shù)應(yīng)用，優(yōu)化勁性結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，確定鋼筋排布與鋼骨定型加工，優(yōu)化混凝土導(dǎo)流、振搗措施，保證施工可行性（見圖6）。

2.3.2.3 機(jī)電深化設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工

針對(duì)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)排布，從管線碰撞檢查開始逐步進(jìn)行管線綜合調(diào)整，同時(shí)通過真人模擬漫游體驗(yàn)管線綜合排布和凈高優(yōu)化效果及機(jī)房管井布置合理性，確定最終模型，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工（見圖7）。

2.3.2.4 VAV空調(diào)系統(tǒng)虛擬調(diào)試

使用MagiCAD針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層VAV空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量平衡進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)校核無(wú)誤后指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.3.3 信息化管理

1）建立數(shù)據(jù)庫(kù) 應(yīng)用BIM技術(shù)通過關(guān)聯(lián)模型構(gòu)件各種信息，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，使參加施工建設(shè)的人員可通過PC端和移動(dòng)客戶端隨時(shí)查看與調(diào)用工程模型信息。

2）模擬進(jìn)度計(jì)劃 將project導(dǎo)入模型，實(shí)現(xiàn)總控進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度的對(duì)比，然后導(dǎo)入沙盤進(jìn)度進(jìn)行模擬，構(gòu)件在不同階段不同狀態(tài)下的現(xiàn)場(chǎng)情況被定義成不同顏色，以實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況（見圖8）。

3）質(zhì)量安全管理 參施單位全部使用BIM平臺(tái)協(xié)作管理。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的安全、質(zhì)量問題通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)客戶端建立協(xié)作，定位到點(diǎn)，追蹤責(zé)任人限期及時(shí)處理。

4）變更洽商文檔管理 由各專業(yè)BIM管理員負(fù)責(zé)將簽字確認(rèn)的設(shè)計(jì)變更洽商上傳至平臺(tái)，并與模型構(gòu)件相關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)變更對(duì)應(yīng)的模型修改由設(shè)計(jì)方完成，經(jīng)建設(shè)單位相關(guān)負(fù)責(zé)人會(huì)簽后上傳至平臺(tái)。

圖3 內(nèi)外穹頂鋼結(jié)構(gòu)安裝模擬與現(xiàn)場(chǎng)安裝對(duì)比

圖4 蛇形坡道鋼結(jié)構(gòu)安裝模擬

圖5 幕墻安裝施工方案擬定

圖6 鋼骨柱施工工藝模擬

圖7 機(jī)電管綜調(diào)整與模擬

5）全員參與，數(shù)據(jù)共享 制定BIM應(yīng)用審核標(biāo)準(zhǔn)及BIM周例會(huì)制度，每周召開BIM例會(huì)并安排專人撰寫會(huì)議紀(jì)要，將本工程的BIM應(yīng)用全員參與落到實(shí)處。

2.4 BIM在運(yùn)維階段的應(yīng)用

運(yùn)維階段是在建筑全生命期中時(shí)間最長(zhǎng)、管理成本最高的重要階段。BIM技術(shù)在運(yùn)維階段應(yīng)用的目的是提高管理效率、提升服務(wù)品質(zhì)及降低管理成本，為設(shè)施的保值增值提供可持續(xù)解決方案。

2.4.1 基于BIM建立運(yùn)維模型庫(kù)

城奧大廈模型庫(kù)包括土建模型、機(jī)電深化設(shè)計(jì)模型、幕墻模型及鋼結(jié)構(gòu)模型。其中機(jī)電深化設(shè)計(jì)模型包括管綜模型、暖通系統(tǒng)模型、空調(diào)水模型、給排水模型、消防模型、強(qiáng)電模型及機(jī)房空間優(yōu)化模型等。

模型庫(kù)與工程實(shí)體保持一致，可查看模型中的族、模板及建模標(biāo)準(zhǔn)等，為后續(xù)工程提供參考。

2.4.2 基于BIM建立運(yùn)維平臺(tái)體系

通過BIM平臺(tái)對(duì)集成平臺(tái)上的監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控，獲得系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和文檔資料等，運(yùn)維平臺(tái)通過綜合BIM運(yùn)維系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議、集成系統(tǒng)、集成協(xié)議及弱配電子系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)門禁視頻、能源消耗、照明系統(tǒng)等管理功能，可更好地提升運(yùn)維效果。

2.4.3 基于BIM的運(yùn)維接口協(xié)議

BIM運(yùn)維利用Web Service或OPC提供數(shù)據(jù)，根據(jù)子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的能力采用多種不同的數(shù)據(jù)集成協(xié)議，實(shí)現(xiàn)集成管理和系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)（見圖9）。

2.4.4 基于BIM的能源管理

通過運(yùn)維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)按類別、時(shí)間、樓層進(jìn)行能源消耗統(tǒng)計(jì)。

圖8 模擬進(jìn)度計(jì)劃

圖9 運(yùn)維接口協(xié)議

3 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)在城奧大廈是全生命期、全過程及全員參與的應(yīng)用。其中全生命期是指BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)維階段的應(yīng)用；全過程是指應(yīng)用BIM技術(shù)形成數(shù)據(jù)積累，豐富企業(yè)工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)；全員參與是指項(xiàng)目各參建方人員全員參與。

由建設(shè)單位牽頭推動(dòng)BIM全生命期管理應(yīng)用，加強(qiáng)了各參建方的聯(lián)系，促進(jìn)BIM管理應(yīng)用更有效的落地，有利于BIM管理應(yīng)用的普及；通過BIM管理平臺(tái)明確重大危險(xiǎn)源，做好安全防護(hù)，結(jié)合VR技術(shù)對(duì)施工人員進(jìn)行虛擬體驗(yàn)式安全交底，提高項(xiàng)目管理人員及工人的安全生產(chǎn)意識(shí)，避免發(fā)生重大安全事故。該項(xiàng)目地處奧體核心區(qū)，建設(shè)方采用BIM技術(shù)實(shí)施智慧建造、綠色施工，打造區(qū)域地標(biāo)建筑，并承擔(dān)應(yīng)有的社會(huì)責(zé)任。全生命期BIM技術(shù)應(yīng)用，為城奧大廈的開發(fā)及運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造了巨大的效益，真正實(shí)現(xiàn)了“多、快、好、省”的開發(fā)愿景。