基于 BIM 技術(shù)的建筑工程設(shè)計施工一體化應(yīng)用研究

李夢辰，廖燦燦，馬 驍

（中煤科工重慶設(shè)計研究院（集團）有限公司，重慶 400042）

0 引言

設(shè)計施工一體化是當前國際上通用的建造方式，我國自 20 世紀 50 年代引入蘇聯(lián)建造模式后，受當時國家經(jīng)濟條件制約和體制上的原因，形成了設(shè)計與施工分離的建造模式并沿用至今，帶來了建造組織方式落后、建設(shè)主體彼此分割、建造方式粗放、建筑質(zhì)量和品質(zhì)不高、行業(yè)效益低下等一系列問題。為解決這些問題，需要再次打破隔閡，連接設(shè)計、施工之間的信息傳遞渠道，解決設(shè)計施工脫節(jié)問題，促使設(shè)計施工達到一體化的效果［1］。

如今，BIM 技術(shù)憑借自身強大的信息存儲和傳遞的功能在設(shè)計和施工中得到了廣泛應(yīng)用。在設(shè)計方面，利用 BIM 技術(shù)可以打通設(shè)計上下游的信息傳遞阻礙［2］；通過施工方在項目開展前期提前介入項目設(shè)計標準、設(shè)計樣板的制定等以解決施工階段可能發(fā)生的沖突問題；滿足各專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計以便整個設(shè)計模型數(shù)據(jù)的同步更新等。在施工方面，利用 BIM 技術(shù)的可視化性能完成虛擬施工，分析、優(yōu)化與模擬項目施工方案，盡可能減少安全問題、材料浪費問題、返工問題以及工期過長問題；利用 BIM 模型數(shù)據(jù)實時調(diào)整現(xiàn)場條件從而使資金效益得到最大限度的發(fā)揮等。BIM 技術(shù)促進了項目信息處理過程的整合以及基于 BIM 的設(shè)計和施工的集成，極大程度地推動了設(shè)計施工的一體化進程。

因此，為了加快設(shè)計施工一體化的實施進度，國家及地方主管部門出臺了多項政策文件，如《中共中央國務(wù)院關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》、《關(guān)于促進建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》（國辦發(fā)〔2017〕19 號）、《2020 年綠色建筑與建筑節(jié)能的工作要點》（渝綠建〔2020〕2 號）等，均指出要大力推動綠色建造發(fā)展，推動 BIM 技術(shù)在工程建設(shè)全過程的集成應(yīng)用，為建筑行業(yè)的發(fā)展指明了方向，也為加快推進設(shè)計施工一體化提供了有力的時機。

1 設(shè)計施工一體化的發(fā)展現(xiàn)狀

當前，項目各參與方各自為政，導(dǎo)致設(shè)計環(huán)節(jié)與施工環(huán)節(jié)脫節(jié)嚴重，項目的進度、質(zhì)量和資金都受到嚴重影響［3］。剖析其原因主要有以下幾個方面。

1）設(shè)計與施工無法做到持續(xù)溝通。設(shè)計、施工獨立招標，設(shè)計單位以方案創(chuàng)作為工作中心、圖紙文件為工作成果，與施工單位的溝通不及時甚至缺失，故而二維出圖常常不滿足施工單位的具體要求，特別是專業(yè)性強的項目，如消防工程、幕墻工程等。

2）設(shè)計與施工的評價體系和規(guī)范要求不同。設(shè)計與施工都有各自的標準規(guī)范，使得項目信息的傳遞無法上下游暢通，導(dǎo)致兩者的工作徹底割裂開來，在工程項目中出現(xiàn)頻繁變更，重復(fù)工作并錯漏不斷。

3）設(shè)計施工協(xié)同流程未保持一致。要做到設(shè)計施工一體化就應(yīng)該進行項目整體的全過程流轉(zhuǎn)，這個流程中，需要將項目前期、設(shè)計環(huán)節(jié)，以及后續(xù)的施工、移交等各環(huán)節(jié)納入到統(tǒng)一的計劃控制中［4］。

綜合上述原因，當前設(shè)計施工一體化發(fā)展主要是信息協(xié)同管理和技術(shù)兩方面的問題，造成了設(shè)計階段與施工階段的脫節(jié)，其具體情況如圖 1 所示。

圖1 設(shè)計施工脫節(jié)情況示意圖

2 實現(xiàn)設(shè)計施工一體化的核心要素

根據(jù)上文設(shè)計施工一體化發(fā)展現(xiàn)狀可知，要實現(xiàn)設(shè)計施工一體化，必須管理和技術(shù)雙管齊下。BIM 技術(shù)能夠打通設(shè)計上下游的信息傳遞阻礙，促進設(shè)計施工信息的傳遞和流轉(zhuǎn)，是實現(xiàn)設(shè)計施工一體化的關(guān)鍵技術(shù)。在管理層面，需要考慮標準制定、管理機制建立、獎懲策略三方面內(nèi)容，從而為 BIM 技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用提供一個良好的應(yīng)用環(huán)境；在技術(shù)層面上，則要借助 BIM 技術(shù)的優(yōu)勢改變傳統(tǒng)協(xié)同設(shè)計流程，優(yōu)化協(xié)同工作中信息的傳遞和共享［5］。

2.1 管理層面

為了規(guī)范 BIM 項目的實施，BIM 設(shè)計模型數(shù)據(jù)可向下游傳遞，促使 BIM 信息集成與共享達到良好的效果，建立標準體系是 BIM 項目設(shè)計施工一體化實施的首要條件?？紤]到 BIM 模型的創(chuàng)建過程所涉及的協(xié)同要點、項目過程文檔管理以及建模深度等要求，標準體系至少應(yīng)包含 BIM 模型工作標準、BIM 成果交付標準、BIM 數(shù)據(jù)庫三方面內(nèi)容。

其中，BIM 模型工作標準主要為統(tǒng)一實施管理，方便各參與相關(guān)方進行模型的共享和信息傳遞；BIM 成果交付標準是基于國家及地方標準制定設(shè)計、施工各階段的成果交付內(nèi)容及交付格式，保證 BIM 成果交付內(nèi)容、交付格式的一致性和信息的有效傳遞，保障 BIM 實施成果質(zhì)量；建立 BIM 數(shù)據(jù)庫是為了 BIM 數(shù)據(jù)庫用于收集、存儲團隊項目樣板、BIM 構(gòu)件資源等組織過程資產(chǎn)，方便技術(shù)人員對數(shù)據(jù)進行索取與提交，保證數(shù)據(jù)角度的及時性與一致性，并對相關(guān)數(shù)據(jù)的定期備份以及數(shù)據(jù)使用權(quán)限進行控制，保障數(shù)據(jù)的安全。

從管理機制上來看，首先要將設(shè)計和施工進行綜合管理，包括進度計劃、質(zhì)量要求、方案設(shè)計等。項目部門應(yīng)該對設(shè)計團隊的交付進度和交付成果有管控的責(zé)任，同時也應(yīng)該督促施工方更早更好地介入前期設(shè)計中，提出施工方需求和注意事項，從而在源頭避免返工和資源浪費情況，以便更好地實現(xiàn)設(shè)計施工在管理上的融合?，F(xiàn)實中想要做到理想化的資源協(xié)調(diào)，就需要通過業(yè)主方的協(xié)調(diào)作用和制定合同來完成。業(yè)主方在基于 BIM 的工程項目中需要發(fā)揮核心領(lǐng)導(dǎo)作用，通過采取相應(yīng)的措施和管理辦法，推動項目各參與方進行信息交流和傳遞，保證項目目標的實現(xiàn)。同時，在 BIM 合同條款中，需要對 BIM 協(xié)同工作要求、各參與方在項目中的任務(wù)分配、BIM 模型包含內(nèi)容以及模型質(zhì)量等提出詳細的規(guī)定，將有助于工程項目各參與方在 BIM 協(xié)同中對任務(wù)的內(nèi)容理解，從而提高資源的調(diào)集效率。

另外，獎懲策略是幫助各參與方良好合作的手段，分為獎勵制度和懲罰制度兩個方面，其中獎勵制度包括共享機制和過程考核，懲罰制度分為履約懲罰和抽查制度。獎勵制度中的共享機制是為了激勵施工方通過使用 BIM 設(shè)計模型節(jié)約成本或者工期，并予以發(fā)放獎勵；過程考核是對設(shè)計單位在 BIM 應(yīng)用點使用深度、模型深度、效益等方面的評比，并檢查過程資料是否齊全，以實現(xiàn) BIM 設(shè)計模型更好地向施工階段傳遞。懲罰制度中的履約懲罰是簽訂合同方不按合同規(guī)定使用 BIM 技術(shù)的，有權(quán)對其進行履約懲罰。或者若以 BIM 管理平臺為基礎(chǔ)，涉及相關(guān)的資料上傳（包括質(zhì)量、安全、前期數(shù)據(jù)等），以及施工現(xiàn)場問題回復(fù)整改等未按要求上傳資料都將受到相應(yīng)懲罰；抽查制度是檢查設(shè)計、施工方是否使用 BIM 技術(shù)以及 BIM 技術(shù)應(yīng)用深度、是否按照前期制定的 BIM 標準規(guī)范執(zhí)行，如發(fā)現(xiàn)未按照標準執(zhí)行以及未達到項目 BIM 使用深度進行相應(yīng)的懲罰。

2.2 技術(shù)層面

BIM 設(shè)計施工一體化協(xié)同設(shè)計流程應(yīng)該按照項目實際進程，從網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建開始、設(shè)計工作的實施到后期施工配合。在此過程中，應(yīng)著重關(guān)注標準規(guī)范制定、項目樣板、模型搭建、性能化分析、各專業(yè)深化設(shè)計、施工模擬、施工配合、竣工模型這幾個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)的協(xié)同工作流程都需要考慮項目實施過程中影響協(xié)同設(shè)計的因素以及各階段聯(lián)系上下游（上游包括圖紙?zhí)豳Y，下游包括安裝、檢修、專項設(shè)計等）的影響因素。

項目實施前期需要搭建實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)平臺，通過建立網(wǎng)絡(luò)環(huán)境方便設(shè)計人員共享服務(wù)器上的設(shè)計資源。進入項目執(zhí)行準備階段后，主要根據(jù)項目特點、業(yè)主需求、施工方需求，定制指導(dǎo)項目實施全過程的項目標準、項目樣板，此過程首先需對項目重難點及解決方案進行分析制定，便于項目實施團隊成員順利開展項目實施工作；其次基于項目分析結(jié)果，制定適用于該項目的項目標準、項目樣板，項目樣板作為項目標準的載體，為整個項目 BIM 技術(shù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的平臺，便于專業(yè)內(nèi)、專業(yè)間模型傳遞與共享。

待項目執(zhí)行前期工作完成，即可進行后續(xù)項目執(zhí)行工作。首先，各專業(yè)模型搭建依據(jù)各專業(yè)項目樣板和業(yè)主方提資圖紙，嚴格按照定制化的項目標準進行設(shè)計，以免因施工現(xiàn)場工藝、標準的不一致造成的返工；然后，在模型搭建過程中進行可視化設(shè)計，利用 BIM 可視化技術(shù)在模型搭建過程中及時向設(shè)計單位反饋各專業(yè)集成的錯漏碰缺、復(fù)雜節(jié)點的完整性及復(fù)雜節(jié)點隱蔽工程與管線密集區(qū)域信息不全面等缺陷問題，在設(shè)計單位修改后同步更新調(diào)整，及時準確地溝通使設(shè)計更高效，模型優(yōu)化更合理；最后，在施工前提前發(fā)現(xiàn)并解決問題，保證施工方在建造時減少返工、節(jié)約材料、提升效率［6］。

進入各階段深化設(shè)計階段，通常會根據(jù)前述工作中出現(xiàn)的難度大、復(fù)雜的問題，征求業(yè)主方意見，各相關(guān)方基于會議決策修改相應(yīng)圖紙，BIM 顧問團隊將各專業(yè)修改內(nèi)容體現(xiàn)在三維模型中，復(fù)核合理性和可實施性，直至滿足相關(guān)方要求和業(yè)主的交付條件，這樣將施工中可能出現(xiàn)的問題前置，會優(yōu)化整個項目實施效果。

在項目執(zhí)行后期主要是對項目交付成果進行制作，以滿足項目成果交付要求。BIM 顧問團隊需對項目成果與施工人員進行施工交底，使其明白 BIM 設(shè)計意圖，明確各專業(yè)施工工序，有利于更好開展項目施工作業(yè)。有時對于大型復(fù)雜項目，業(yè)主方也會要求 BIM 顧問團隊配合項目施工作業(yè)，直至 BIM 服務(wù)范圍內(nèi)的施工工序全部完成。

3 項目應(yīng)用

本章節(jié)擬用實際項目案例，以 BIM 顧問方角度來闡述利用 BIM 技術(shù)解決設(shè)計階段信息無法有效向施工階段傳遞的問題。由于管理層面的要素和注意事項在上一章已經(jīng)講述明確。本章僅講述 BIM 顧問團隊在項目中對設(shè)計施工一體化問題的解決所采用的方法和技術(shù)。

3.1 項目概況

本項目為大型商業(yè)綜合體項目，項目的整體規(guī)劃如圖 2 所示。BIM 深化設(shè)計范圍為 3# 樓 W 地塊地下車庫、超市、地上商業(yè)部分。項目總用地面積 24 337 m2，總建筑面積 129 884 m2，其中地上 92 866.33 m2，地下 37 016.43 m2。本項目在業(yè)主主導(dǎo)下，設(shè)計、BIM 顧問、施工、裝飾設(shè)計共同參與 BIM 實施工作。

圖2 項目整體規(guī)劃圖

3.2 項目實際問題解決

商業(yè)綜合體項目結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜、信息量繁雜，施工難以精確定位，傳統(tǒng)二維設(shè)計無法準確對圖紙進行校核，如錯漏碰缺、各專業(yè)圖紙不符、平面圖系統(tǒng)不符等設(shè)計問題很容易過渡到施工階段，造成不必要的返工。而加入 BIM 技術(shù)后，各專業(yè)間上下游信息傳遞通暢，并在設(shè)計中提前考慮了施工現(xiàn)場安裝工藝流程，保證設(shè)計 BIM 模型高效指導(dǎo)現(xiàn)場施工，避免不必要的浪費，降低成本。提取該項目中的協(xié)同設(shè)計中的問題——暖通專業(yè)設(shè)計圖紙問題（案例問題一）和結(jié)構(gòu)專業(yè)（案例問題二）的功能使用問題，闡述 BIM 技術(shù)在設(shè)計工作中的應(yīng)用。

3.2.1 案例問題一

在本項目中，出現(xiàn)了走廊排煙風(fēng)管從 300 mm×900 mm 梁下穿行（見圖 3），導(dǎo)致凈高不足 2 800 mm。原因是設(shè)計師在設(shè)計圖紙時未考慮到梁尺寸過大，風(fēng)管安裝后吊頂凈高不足的情況。BIM 機電工程師在深化設(shè)計中發(fā)現(xiàn)凈高不足會嚴重影響吊頂?shù)氖褂茫?jīng)過暖通設(shè)計復(fù)核后決定將該管線調(diào)整至貨物庫房穿行（見圖 4），并告知設(shè)計方對圖紙進行修改。通過深化設(shè)計提前發(fā)現(xiàn)該問題，以免在現(xiàn)場施工中造成不必要的麻煩，影響施工進度（施工現(xiàn)場管線安裝實景如圖 5 所示）。

圖3 優(yōu)化前圖紙和 BIM 模型圖（單位：mm）

圖4 優(yōu)化后圖紙和 BIM 模型圖

圖5 現(xiàn)場實景圖和 BIM 模型圖

3.2.2 案例問題二

1# 商業(yè)樓負一層3#配電房，發(fā)現(xiàn) 800 mm×200 mm 強電橋架接配電室電纜溝位置管線密集，電纜與配電房門體發(fā)生沖突，且該區(qū)域結(jié)構(gòu)降板后安裝凈高較低，從而導(dǎo)致開關(guān)門位置不合理（見圖 6）。BIM 機電工程師提出調(diào)整電纜溝位置或者調(diào)整配電房門位置的解決方案，經(jīng)過和建設(shè)方及設(shè)計方協(xié)商后決定調(diào)整門體位置，使其向上方樓梯間位置上移 2 000 mm 避開電纜溝及管線密集區(qū)（見圖 7），以期避免在后期施工安裝過程中出現(xiàn)問題，造成不必要的返工。

圖6 優(yōu)化前圖紙和模型圖

圖7 優(yōu)化后圖紙和模型圖

4 結(jié)語

設(shè)計與施工一體化是未來建筑行業(yè)的發(fā)展方向，它是完善工程建設(shè)組織模式必不可缺的一環(huán)也是培養(yǎng)整個過程工程咨詢的紐帶。BIM 作為先進的管理工具，已經(jīng)被企業(yè)廣泛應(yīng)用，利用 BIM 技術(shù)能夠為建筑項目工程設(shè)計和施工帶來技術(shù)沖擊，BIM 技術(shù)與建筑工程協(xié)同設(shè)計是緊密聯(lián)系的統(tǒng)一整體，不但可以提高建筑設(shè)計的效率，還可以對施工進行同步的技術(shù)指導(dǎo)，這促使設(shè)計和施工實現(xiàn)一體化的效果。

本文通過剖析設(shè)計施工脫節(jié)的原因，認為若要實現(xiàn)設(shè)計施工一體化則需要利用 BIM 技術(shù)，從管理和技術(shù)兩方面進行改善。在管理中不僅要考慮項目協(xié)同工作環(huán)境的建立（標準制定和管理機制的建立），還要考慮激勵策略的制定和應(yīng)用。在技術(shù)上思考設(shè)計與施工之間的關(guān)聯(lián)性，最后在案例應(yīng)用中，以 BIM 顧問的角度來闡述如何在 BIM 設(shè)計階段融入施工方的需求，在施工過程考慮 BIM 設(shè)計的建議，充分發(fā)揮 BIM 技術(shù)在信息傳遞上的優(yōu)勢和價值，為解決 BIM 技術(shù)在設(shè)計施工一體化中的應(yīng)用提供一些思考。Q