基于BIM的虚拟设计技术在北京坊项目中的实践

2014-08-08潘多忠

土木建筑工程信息技术 2014年3期

潘多忠

(深圳市首嘉工程顾问有限公司，深圳518054)

1 前言

随着信息化时代的到来，工程建设行业(Architecture、Engineering and Construction，简称 AEC)经历了图板和计算机辅助设计时代(Computer Aided Design，简称CAD)。CAD的迅速普及，让建筑师、工程师们甩掉了画图板，从传统的手工绘图、设计和计算中解放出来，提高了建筑设计效率，缩短了建筑工程周期。

传统CAD二维设计时代存在不可避免的缺陷。由CAD绘图所得的图形本质上还是二维的点、线、面等简单图元信息，难以表达建筑构件间的关联及构件属性信息等方面的内容，且建筑设计方案应业主要求不断进行优化、更改，造成CAD图纸表达的设计方案与实际要求不符，设计上极易出现重大失误。传统建筑设计过程完全基于CAD二维图纸，而建筑物本质上是一种三维实体。进入施工阶段后，二维图纸承载的设计信息必须在工地现场以三维形式施工展现，这种情况下，必将考验工程施工相关人员二维到三维的空间思维能力，且施工图纸极难避免错、漏、碰、缺的问题，比如:设备管线碰撞打架、图纸中未完全标明预留孔洞、孔洞的位置和尺寸标错、遗漏管线、管道贯穿承重柱等等，不仅影响建筑的美观，损伤结构承载构件，反复拆卸安装还影响工期，增加了建造成本。

当前我国正逢“十二五”规划时期[1]，我国已成为世界上最大的建筑市场之一，同时也是世界上对资源需求和消耗量最多的国家之一。城镇建设高速发展，工程建设领域作为我国支柱产业之一，自建国以来一直依靠投资驱动和规模扩张而实现，与可持续发展的战略大局相悖。可持续发展要求不能损害后代子孙谋取幸福的权利，而目前由建筑物造成的温室气体排放占到了全球总排放量的三分之一[2]，每年建筑物所消耗的能源占全球能源的30% ～40%[3]。改变工程建设行业这种粗放型的生产管理模式，实现协同作业、自动化以及数字化管理已迫在眉睫。BIM(建筑信息模型)的提出，使得建筑工程项目的可视化、质量控制、协同以及降低成本等方面成为了可能。BIM技术以3D建筑信息模型为共享信息源，使建筑业产业链上各参与单位信息创建、收集和整理的重复工作量降至最低。BIM对于设计方法、设计标准和设计流程带来了新的机遇和挑战，运用虚拟现实技术，BIM使我们能够更加自信地进行非现场预制，从而向集约化、工业化生产迈出重大的一步。

2 BIM与虚拟设计技术

BIM技术运用于工程项目，它贯穿了项目规划、设计、施工、运维管理及后续的改造和拆除阶段。30多年前，美国乔治亚技术学院与计算机专业的查克·伊斯曼博士[4]就提出了“基于BIM技术所创建的虚拟建筑模型”(图1)。通过该模型可以实现建筑物全生命周期中信息共享。模型中不仅包含了大量建筑材料、建筑构造、工艺等信息，还有建造一个建筑所需的各种组成部分，包括建筑设计、结构设计、设备管理、工程量统计、成本计算、物业管理等各阶段信息。

众所周知，设计决定了建筑成本的70%，设计阶段的造价控制至关重要。理想的工程项目开展过程，应在施工前解决工程中遇到的一切问题，而不是在施工中解决[5]。图2是项目决策时机影响曲线:曲线1表示成本对项目投资的影响，前期对成本影响率高，后期对成本的影响小;曲线2表示工程项目实际成本随项目实施不断增加;综合曲线1和曲线2，项目成本控制的最佳时机为前期，后期处于失控状态;曲线3对应我们现在的工程项目开发模式，即大量时间花在施工阶段，已经错过了最佳成本控制时机。采用BIM，最重要的一个功能之一，就是把曲线3的成本控制峰值从施工阶段移到曲线4的概念设计阶段和初步设计阶段，以实现对项目成本可控。

图1 虚拟建筑模型

图2 项目决策时机(The M acLeam y curve)

当前，工程建设项目在全生命周期内无法有效进行信息沟通。通常情况下，建筑项目都有成百上千份文件，建筑图(平面图、立面图、剖面图、总平面等等)、结构图、设备机电图、建筑模型、规范和技术说明等每份文件都是一个个独立的信息孤岛，单纯依靠二维平面图极难解读这些孤立的文件所表达的准确信息，难以保证各专业间进行高效、正确的协同。协同(图3)不是购买某个软件，是一个设计全流程的梳理和改革，涵盖协同的研究、档案的研究、标准的研究、流程的研究、知识和质量管理研究的整合。

BIM的核心技术是3D虚拟现实和中央数据库。传统建筑项目历经方案设计阶段、初步设计以及施工图设计阶段，涉及数以百计的公司(包括材料供应商、分包商、建筑公司、建筑设备供应商等)、成百上千个素质参差不齐的施工人员、大量项目文件且文件格式不统一、无数张图纸以及不断变更的建筑设计，传统的绘图方式下进行任意一张图纸的变更都会造成不可预知的工程错误，且建筑构件间的碰撞检测大都依赖于设计人员的三维空间想象能力，几乎不可能靠人工实现项目相关行业及从业人员之间的协同作业。随着BIM信息化时代的到来，运用3D虚拟现实和中央数据库技术，中央数据库(图4)用于管理和保存建筑、结构、水、暖、电等构件的相关信息，包括:基本信息(材质、装饰)、构造信息(几何尺寸、位置、方向、连接方式、节点做法等)、物理信息(安全等级、强度等级、裂缝控制等级、防水等级、防腐等级、防锈等级、抗冻等级、防火等级、热传导、声传导、抗震等级、设计使用年限、耐久性、抗暴性能、抗风等级等)、编码信息、生产信息和用途信息等。项目相关人员对模型进行任意改动，都能即时在中央数据库进行更新，进而更新整个模型，实现了各专业之间协同作业。

三维建筑模型与施工计划的结合，实现了BIM基于时间维度的4D应用。通过虚拟施工过程，模拟各种施工方案，自动选择一种快速、低成本、高质量的施工方案，并随着项目的不断开展，可根据实际情况不断修正施工方案。采用BIM模型指导现场施工(图5)，使得施工人员依据3D模型完成工作成为可能[6]。目前，BIM在我国建筑行业，正逐步得到运用:上海现代建筑设计集团有限公司[7]设计的世博文化中心、世博上海案例馆、世博上汽通用企业馆、世博奥地利馆、湖州喜来登温泉度假酒店、合肥滨湖国际会展中心等[8]。借助于先进的 BIM应用软件 Revit，CCDI中建国际设计[9]先后主持承建并完成了许多大型工程建设项目，其中世博会国家电网馆该工程于2008年底发布建筑设计方案，到2009年4月28日开工建设，2009年12月底完成土建，最终于2010年5月1日正式对外开放。整个工程总建筑面积5 560 m2，却历时短短一年时间，大大缩短了建筑周期。

图5 AutodeskAEC总部大楼BIM模型指导施工

将3D模型和施工进度、项目成本结合起来，实现了5D施工管理，减少或避免设计时的错误，节约了成本。相比传统制造行业，建筑行业始终在生产效率方面无法与之匹敌。据不完全统计:在一个工程项目中有大约30%的施工过程需要返工、60%的劳动力资源被浪费、10%的材料浪费损失现象。不难推算，在庞大的建筑行业中每年都有数以万亿计的资金流失。例如:上海虹桥枢纽工程，光在管线碰撞方面损失就高达5 000多万，如果应用BIM技术则完全可以避免此类失误和损失[10]。

3 案例:大栅栏·北京坊

大栅栏北京坊(图6)项目负载了北京和大栅栏地域文化的商业项目，北起西河沿街，南至廊房二条，西起煤市街，东至珠宝市街，总用地面积约3.74公顷。该项目是基于大栅栏C地块中临街的8个单体建筑组成的建筑集群。八大建筑各具特色，相对独立又相互联系。在建筑的3层设立了空中漫步体系，沟通各休憩空间，使室外空间转换更加丰富。同时，通过大量扶梯、直梯以及步行楼梯的组合使用，形成立体式交通体系，而地下4层还建设了超大容量的车库，解决大栅栏地区停车难问题。大栅栏北京坊整体建筑风格延续民国建筑特色，通过集群设计，恢复了排子胡同等原有的胡同肌理，同时与劝业场、谦祥益等多处文保建筑共融。八大建筑单体以劝业场为中心铺陈展开，谦祥益等文保建筑穿插点缀其间。设计采用了整体和分栋结合的模式，保留东西向主要胡同肌理，建筑外表皮以简约版的民国风格为基调，重点位置和建筑转角恢复部分民国老建筑风貌。沿街建筑高度均以二、三层为主，四层退后。一、二层相对连贯完整，三、四层结合漫步体系分栋组合的空间模式有利于形成独栋式商业，便于灵活经营。院落和转角的组合增加了商业展示面和空间的辨识度。

基于BIM技术的建筑性能化分析包含了节能/能耗/热工分析、日照分析、光环境分析、声学分析等内容，涉及的专业有建筑和机电等(图7)。舒适性即居住环境质量主要取决于室内空气质量、热舒适度、噪声水平和照明采光，环境性能分析主要考虑建筑物的节能、节地、节水、节材及排放;结构安全分析包含了结构抗常规荷载、抗震、抗风、抗突发灾害等方面，分析内容包括结构有限元静力/动力分析(动力分析分为隐式和显式)、计算流体动力学(CFD)仿真分析、流固耦合分析、热固耦合分析、屈曲分析等方面，分析的深度包括线性/非线性分析、弹性/弹塑性分析等;基于BIM技术对造价控制、运营管理，实现经济利益最大化。

图6 北京大栅栏项目BIM模型

图7 建筑性能化分析内容

BIM技术运用贯穿了工程项目的整个过程(图8)。在设计阶段，对建筑、结构、水、暖、电等关键构件建立参数化模型，采用BIM软件三维可视化技术，对建筑模型进行所见即所得的虚拟现实展示，弥补了工程相关各方人员因缺乏对传统建筑图纸的理解能力而造成的交流不足，实现工程设计与施工阶段的三维可视化。借助BIM模型，在项目进入施工阶段之前，即可掌控和管理整个工程的施工进度、材料成本和质量，施工企业亦能依此在工程项目投标阶段获得竞标优势。借助BIM对施工过程的模拟，项目管理方能直观地了解整个施工安装环节的时间节点、安装工序，施工方也可对原有安装方案进行优化和改善，并将优化后的结果进行BIM归档，从而为其他相类似工程提供借鉴。

图8 BIM运用

项目在方案设计阶段利用BIM技术对建筑物不同方案的性能做各种分析、模拟、比较，对项目的重点或难点部分进行可建性模拟，按月、日、时进行施工方案的分析优化，从而得到高性能的建筑方案;同时积累的信息不但可以支持建设阶段降低成本、缩短工期、提高质量，而且可以为建成后的运营、销售、维护、改建、扩建、交易、拆除、使用等服务。增设相关人员制定BIM策略、协调项目BIM的使用、确定使用进度、共享活动、质量控制、建模职责并落实到BIM执行计划中、确定各专业设计中的BIM使用，为可施工性研究和现场使用接受或创建BIM模型，确定碰撞检查职责，提高了设备管线综合设计能力和工作效率，优化了管线设计(图9)，及时排除施工环节可能遇到的碰撞冲突，避免了管线碰撞。减少因碰撞冲突导致的变更申请，提高了生产效率，降低由于施工协调造成的成本增长和工期延误。

图9 大栅栏项目管线优化

BIM工作团队把所有图纸和信息通过三维协同等手段统一管理，并进行可视化展现，搭建了业主方、设计方、施工方、监理方、顾问方等多方共同利用的可视化平台，有效地控制设计阶段可能产生的问题，尽可能在设计阶段发现问题、解决问题、合理掌控项目变更行为，形成科学的设计方案，将设计、施工和管理成本尽可能在施工之前加以控制，准确传递了工程建设资料和信息，提高工作效率并保障施工阶段效果。

BIM模型进行施工进度的模拟(图10)，将BIM施工进度管理用于工程项目，真实地展现了整个建筑的施工过程，编制了合理的施工方案，将设计、成本、进度三部分关联起来，节省了建筑项目评估预算所花费的时间，提高了预算准确性，增强了项目预算可控性、施工过程的可预见性，提前发现并解决设计和施工中的问题。

图10 虚拟施工

在二维CAD时代，无法存储自动计算工程量的必要信息，必须依靠人工、CAD的二次开发或者专门的造价计算软件才能实现，不仅需要消耗大量的人工，而且项目设计方案的不断变更及调整模型，计算所得的工程量统计数据也往往落后于最新的设计方案，得到的数据也往往失效。BIM基于共享数据库，根据设计方案可以非常容易地对各类构件进行统计分析，提供真实的工程量信息(图11)。通过BIM获得的工程量统计，可以用于建筑工程的成本估计、在业主预算范围内寻找最优设计方案以及施工开始、进行和完成后的工程量决算。

项目完成后，物业管理部门对建筑物进行运维管理，需要的不只是常规的二维CAD设计图纸，还需要真正反映目前建筑结构、设备安装、材料使用等与运营维护相关的文档和资料。BIM将整个项目相关的建筑构件、设备信息存放于统一的数据库内，从中可以获取完整的建筑物全局信息相关的数据，利于后续的物业管理。发挥BIM模型的三维可视化和数据记录的优势，对关键构件、设备在实际使用过程中进行快速定位、跟踪，合理制定维护计划，分配专项专人进行维护工作，避免建筑物出现突发情况，并对重要部件、设备跟踪维护工作的历史记录，为未来建筑物的翻新、改造、修缮、扩建等过程中提供详尽的历史信息。不仅如此，BIM模型与楼宇自动化系统的结合，可在灾害发生时，实时动态显示建筑物内部紧急状况的方位，规划出合适的营救路线，救援人员由此做出正确的现场判断，提高营救行动的成功率。