BIM技術(shù)在學(xué)校項目設(shè)計與施工階段中的應(yīng)用研究

韓彥彪 曹 樂 郝學(xué)潮 張 凱 梁?？?曹 帥

(中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

引言

學(xué)校建設(shè)事關(guān)百年大計，事關(guān)民生民心，是城鄉(xiāng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)工程。學(xué)校建設(shè)項目有著工程質(zhì)量要求高、結(jié)構(gòu)不規(guī)則、工期要求緊、建設(shè)周期長、功能組成多樣復(fù)雜等的特點，且現(xiàn)代教育基礎(chǔ)建設(shè)提出了以自然為依托生態(tài)建設(shè)的理念，由此便形成了多重地表、錯動層疊、三維立體的動態(tài)平臺，以傳統(tǒng)設(shè)計階段和施工階段的思維路線已無法達到高效性、多維性的建設(shè)要求，因此需要BIM技術(shù)來予以支持。

通過BIM技術(shù)支持設(shè)計階段，能夠產(chǎn)生比人為更精確的控制和分析，設(shè)計完成后，其模型和數(shù)據(jù)又可以支持施工階段，促進設(shè)計和施工過程的整體性，降低成本，縮短工期，獲得更好的建造品質(zhì)[1]。本文以三亞南繁科技城小學(xué)幼兒園項目為載體，研究BIM技術(shù)在學(xué)校建設(shè)項目設(shè)計階段和施工階段中的應(yīng)用，探討B(tài)IM技術(shù)如何在學(xué)校項目管理中構(gòu)建起信息的橋梁，旨在為同類型項目提供參考。

1 項目簡介

三亞南繁科技城小學(xué)幼兒園項目位于海南省三亞市崖州區(qū)崖州灣科技城南繁片區(qū)YK05-03-01/02兩個地塊，甘蔗路和甘農(nóng)北路交叉處西側(cè)。

該學(xué)校項目總用地面積為27 866m2，總建筑面積317 16.5m2，地下室建筑面積為4 121.68m2。項目要建成1棟地上3層幼兒園(1號樓)、1棟地上6層綜合樓(2號樓)、1棟地上4層綜合教學(xué)樓(3號樓)及1個地下一層地下室。

基于生態(tài)建設(shè)的理念，校園內(nèi)部有多處綠坪，在天井區(qū)域存在大面積降板區(qū)域?qū)е碌叵聦咏Y(jié)構(gòu)存在多處錯層，施工難度大，成本較高。同時，項目施工面積相對較大，施工部署繁雜，且機電系統(tǒng)相對較多，尤其地下車庫中設(shè)備機房及管線較為集中，降板區(qū)域給管線的優(yōu)化和調(diào)整造成了一定的難度。

結(jié)合以上特點，項目在設(shè)計施工階段融入BIM技術(shù)貫穿于校園建設(shè)整體主線中，提供更高效的保障,如圖1所示。

圖1 項目效果圖

2 BIM標(biāo)準(zhǔn)方案及工作流程

2.1 實施標(biāo)準(zhǔn)與方案

現(xiàn)階段，關(guān)于學(xué)校項目工程的國家地方BIM標(biāo)準(zhǔn)仍有不完善之處，多數(shù)項目在各項工作環(huán)節(jié)上沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

為了項目參與各方能保證BIM模型的統(tǒng)一性、項目信息的一致性，項目依據(jù)現(xiàn)行國家及行業(yè)建設(shè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[附條文說明]GB/T 51212-2016》等，從文件與構(gòu)件命名格式、建模精度、專業(yè)拆分、系統(tǒng)顏色、模型創(chuàng)建原則、模型交付等方面，統(tǒng)一編制了項目BIM實施標(biāo)準(zhǔn)[2]。同時，項目基于問題預(yù)警、信息橋梁構(gòu)建、生態(tài)建設(shè)等目標(biāo)及經(jīng)驗，編制出一套嚴(yán)謹(jǐn)、完善的BIM實施方案,如圖2所示。

圖2 BIM實施標(biāo)準(zhǔn)與方案

2.2 BIM工作流程

項目結(jié)合矩陣式項目管理的組織形式，強化了在準(zhǔn)備階段、設(shè)計階段、實施階段的BIM工作流程，便于項目實現(xiàn)精細(xì)化管理以及各參與方能夠在協(xié)同平臺的基礎(chǔ)上進行信息呼喚與工作協(xié)調(diào),如圖3所示。

圖3 BIM工作流程

3 設(shè)計階段BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 BIM模型創(chuàng)建

依據(jù)制定好的BIM實施標(biāo)準(zhǔn)，項目創(chuàng)建了建筑、結(jié)構(gòu)、機電等各專業(yè)模型，通過排查預(yù)警，針對隱蔽工程處及復(fù)雜施工節(jié)點處，提前交底于設(shè)計方和施工方，并通過施工模擬交底的形式，加強作業(yè)人員對施工復(fù)雜節(jié)點的把控，輔助項目管理人員提升項目安全質(zhì)量的管理能力，減少錯誤，提高效率[3],如圖4～6所示。

圖4 建筑模型展示

圖5 結(jié)構(gòu)模型展示

圖6 機電模型展示

3.2 日照分析

學(xué)校建筑日照標(biāo)準(zhǔn)是影響教學(xué)室內(nèi)外區(qū)域環(huán)境舒適性的重要因素之一。建筑布局和太陽方位角的有效結(jié)合，既能保證空間環(huán)境，又能提升日照質(zhì)量。利用日照分析相關(guān)軟件，建立數(shù)學(xué)模型，從幾何和光學(xué)角度，解決建筑方位與造型形成陰影占比不合適的問題，并準(zhǔn)確分析出不同時間下的建筑的光照情況，從而更加科學(xué)地創(chuàng)造出舒適的校園環(huán)境。

項目使用Ecotect Analysis軟件進行日照分析，將優(yōu)化后的方案體量模型導(dǎo)入進Ecotect，分析體量的全年光照輻射數(shù)據(jù)及日平均光照輻射數(shù)據(jù)，并以此輔助設(shè)計建筑方位、布局及門窗尺寸?；诜治鼋Y(jié)果，使自然采光得到最大化利用，不僅為學(xué)生創(chuàng)造良好舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，而且能夠有效地節(jié)約能源,如圖7(a)～7(b)所示。

(a)日照分析整體圖

3.3 空間視野分析

學(xué)校項目中各功能區(qū)域在設(shè)計之初需綜合考慮多方因素，一方面需要提高建筑的利用率，另一方面要邀保證各功能區(qū)域之間能夠滿足校園觀感和人員充分的流動性。從設(shè)計上考量了功能人性化、交互多樣性及藝術(shù)美觀化的需求，使校園室內(nèi)空間與室外空間既能有效地進行功能性劃分，又能融洽地達到聚合的效果[4]。

因此，需要利用BIM技術(shù)在項目落地之前，針對校園中的各空間點進行視野分析； 利用完成的三維模型，進行景觀視點分析，模擬人物在建筑的不同位置，查看校園內(nèi)對景，可對園林景觀方案進行驗證，提前完善不足位置，達到最優(yōu)設(shè)計效果,如圖8所示。

圖8 視野分析效果圖

3.4 綜合協(xié)調(diào)

綜合協(xié)調(diào)也是學(xué)校項目中不可或缺的一項步驟，需要針對二維設(shè)計中不能全面反映的空間關(guān)系、圖紙設(shè)計、各專業(yè)交叉點、各專業(yè)碰撞點等問題，經(jīng)過圖紙審核、碰撞檢查、管綜優(yōu)化、凈高分析、模型復(fù)核一一解決并提供可行性方案[5]。項目BIM咨詢通過BIM模型，對圖紙進行審核，提交圖紙問題報告；然后通過Revit軟件將建筑結(jié)構(gòu)模型鏈接入機電模型，進行模型整合后再進行碰撞檢查，分階段向各專業(yè)提交碰撞報告；最后根據(jù)排布原則，對各專業(yè)模型進行管線綜合優(yōu)化及凈高分析，并組織各專業(yè)經(jīng)過會議協(xié)調(diào)來追蹤解決問題，有效地減少設(shè)計變更和施工返工，從而達到由細(xì)部到全局、再由全局反推細(xì)部綜合協(xié)調(diào)的效果,如圖9所示。

圖9 綜合協(xié)調(diào)流程

3.4.1 圖紙審核與碰撞檢查

項目通過BIM模型的創(chuàng)建及可視化特性，在設(shè)計階段能夠及時地對各版圖紙進行圖紙問題審核檢查(圖紙缺失、圖紙信息缺失、構(gòu)件碰撞沖突、設(shè)計不合理等問題)，然后提出問題報告；設(shè)計單位依據(jù)報告在BIM模型中進行校核，在極大程度上減少了施工階段中因碰撞、返工及設(shè)備材料未選定而造成人、材、機的浪費和工期延誤等問題，整體上減少后續(xù)的設(shè)計變更，提高圖紙審核質(zhì)量和效率。

主要從圖紙缺失、圖紙信息缺失、圖紙繪制錯誤、圖紙不對應(yīng)、洞口問題、構(gòu)件碰撞沖突、設(shè)計不合理位置這七個方面進行問題檢查，如表1、圖10所示。

表1 圖紙問題統(tǒng)計

圖10 圖紙問題統(tǒng)計柱狀圖

3.4.2 管線綜合優(yōu)化

項目BIM咨詢依據(jù)創(chuàng)建好的整體模型，通過進行軟件與人工對管線碰撞檢測，形成碰撞檢測報告，根據(jù)報告找出存在問題的部位。通過BIM技術(shù)形成管線綜合排布的平面圖、三維軸測圖、剖面圖等，根據(jù)實施標(biāo)準(zhǔn)中的排布原則及功能分析，進行便于施工、功能使用維修的管線綜合優(yōu)化，減少現(xiàn)場返工,如圖11所示。

圖11 管線綜合優(yōu)化漫游展示

3.4.3 空間凈高計算分析

作為校園建筑項目，管線相對集中于地庫及管井走廊區(qū)域。而凈高分析是在設(shè)計階段中通過BIM模擬，對這些區(qū)域進行凈高分析，提前發(fā)現(xiàn)不滿足凈高要求功能和美觀需求的部位，減少后期設(shè)計變更，從而縮短工期、節(jié)約成本。整體流程主要是重點驗證受結(jié)構(gòu)影響空間較窄或者較低的區(qū)域以及管線密集交叉等凈高不滿足情況的區(qū)域； 輸出凈高分布圖，用不同顏色表示不同區(qū)域的凈高值，展示不利點并及時作出調(diào)整； 輸出凈高分析報告，具體標(biāo)明不利點問題，便于設(shè)計人員進行優(yōu)化調(diào)整[6],如圖12所示。

圖12 幼兒園1F凈高分布圖

4 施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用

4.1 BIM深化設(shè)計應(yīng)用

深化設(shè)計是學(xué)校項目施工階段中重要的一項環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)的二維深化設(shè)計相對于幕墻、錯層區(qū)、機房區(qū)等節(jié)點復(fù)雜的區(qū)域存在一定的缺陷和難度。 BIM技術(shù)的應(yīng)用對于幕墻的深化設(shè)計、錯層區(qū)域的管線綜合設(shè)計以及機房內(nèi)設(shè)備與大管徑管線的深化設(shè)計都起到了重要的作用，可實現(xiàn)三維可視、精準(zhǔn)定位與合理布局[7]，針對學(xué)校重要的機房設(shè)備參數(shù)及時進行復(fù)核計算，為設(shè)備參數(shù)、管件選型提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

(1)幕墻模型深化設(shè)計

通過建立鋁合金立柱、橫梁、不銹鋼連接件、可開啟窗扇等構(gòu)件來模擬各細(xì)節(jié)構(gòu)件的連接關(guān)系，提前避免了構(gòu)件碰撞、二次測量及二次提料； 模型同時用于輔助加工廠進行構(gòu)件加工生產(chǎn),如圖13～14所示。

圖13 幕墻節(jié)點深化

圖14 幕墻深化后的工藝模擬

(2)降板錯層區(qū)域管線的深化設(shè)計

地庫中各專業(yè)管線縱橫交錯，且管線復(fù)雜，強弱電橋架、給排水消防、噴淋及大管徑排煙管道存在交叉點。根據(jù)各管線的使用功能不同，使其安裝位置協(xié)調(diào)合理，順利完成管線的安裝工作，并保證足夠空間完成管道的檢修和更換工作。利用軟件Revit首先梳理管線平面路由，再結(jié)合剖面視圖進行統(tǒng)一綜合排布，考慮到地下車庫凈高空間的限制，將各專業(yè)管線置于同一層排布，在降板區(qū)域時貼梁下輻射。這樣可以大幅提升后期施工質(zhì)量及效率，減少變更與修改，從而達到降低成本的效果,如圖15所示。

圖15 降板區(qū)域管線深化模型圖

(3)泵房區(qū)域的深化設(shè)計

該水泵房分別由消防給水系統(tǒng)、生活給水系統(tǒng)、游泳池水處理系統(tǒng)等組成，管徑較大，系統(tǒng)較為冗雜。于是針對水泵房模型進行深化設(shè)計，在滿足施工及運維期檢修空間要求的前提下，采用BIM技術(shù)對水泵房管線、水泵、閥門附件、水箱、壓力罐等設(shè)備進行綜合排布，達到既能符合現(xiàn)場施工又能合理美觀的效果,如圖16所示。

圖16 機房設(shè)備管線模型效果圖

4.2 BIM出圖

傳統(tǒng)出圖即單專業(yè)圖紙僅僅能體現(xiàn)出當(dāng)前系統(tǒng)的表現(xiàn)形式，卻無法展示與其它專業(yè)發(fā)生沖突以及標(biāo)準(zhǔn)性的做法。而BIM出圖是將各單專業(yè)的設(shè)計以信息模型的形式整合在一起，經(jīng)過綜合協(xié)調(diào)，使其中的設(shè)計沖突和錯誤得以修正，再導(dǎo)出能夠輔助現(xiàn)場管理人員與作業(yè)人員查看和作業(yè)的平面圖紙[8]。

項目正是利用這一特性，依據(jù)設(shè)計與施工規(guī)范，結(jié)合項目現(xiàn)場施工經(jīng)驗，通過Revit軟件導(dǎo)出各專業(yè)平面圖、剖面圖、詳圖，輔助用于現(xiàn)場的施工與安裝，能極大地提升作業(yè)效率和準(zhǔn)確率，減少返工拆改的情況，節(jié)約項目成本,如圖17～18所示。

圖17 項目BIM出圖標(biāo)準(zhǔn)

圖18 BIM導(dǎo)出圖紙展示

5 BIM集成管理

為了高效地實現(xiàn)協(xié)調(diào)工作，各方能夠通過信息共享的數(shù)據(jù)庫形成溝通協(xié)調(diào)的信息橋梁，項目建立了BIM協(xié)同管理平臺。

模型管理是將各個階段的模型及時上傳平臺進行維護管理，便于項目參與各方能夠?qū)崟r更新模型最新動態(tài)，也利于現(xiàn)場管理人員利用更新后的模型對現(xiàn)場進行有序地管理。

資料管理是將每次例會的會議紀(jì)要及時整理并上傳至平臺，與各方共享，將從設(shè)計階段到施工階段的圖紙問題審核報告、碰撞檢查報告、管綜優(yōu)化凈高分析等資料文件上傳共享，方便參與各方人員查看搜索各時間段的問題和記錄，提升工作效率。

質(zhì)量安全管理是通過BIM管理平臺提供項目安全及質(zhì)量信息，督促項目現(xiàn)場每日通過BIM手機端軟件拍攝安全問題、質(zhì)量問題、質(zhì)量與安全問題整改前后的狀態(tài)等相關(guān)照片，并進行描述上傳至平臺管理系統(tǒng)[9]。通過手機端系統(tǒng)自動發(fā)送相關(guān)問題至責(zé)任人，在責(zé)任人整改后閉合問題，從而達到高效的項目管理效果。項目管理人員也可隨時查看問題起因、過程及處理結(jié)果，自動生成日志記錄[10]。

項目通過BIM管理平臺的形式，實現(xiàn)了對項目各參與方的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、構(gòu)建模型的實時更新、資料和質(zhì)量安全方面的及時反饋與處理，構(gòu)建信息橋梁，推進項目高效穩(wěn)定地實施進程。

6 結(jié)語

本文通過以三亞南繁科技城小學(xué)幼兒園項目為依托，實現(xiàn)了BIM技術(shù)在學(xué)校項目設(shè)計和施工階段中仿真建模、協(xié)同設(shè)計、功能分析、模擬施工等取得的一系列效果。以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，簡化了整個項目管理過程中的復(fù)雜關(guān)系，將全生命期的理念緊緊融合于項目中，更容易高效實施各項工作。

經(jīng)過實踐研究可知，BIM技術(shù)將學(xué)校項目過程中的所有信息集中整合，實現(xiàn)了項目設(shè)計與施工階段的信息交流及共享。同時，BIM模型使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和樣板，使得設(shè)計、施工BIM模型可以無縫對接，利用BIM技術(shù)及協(xié)同平臺可有效提高解決項目參與各方在項目過程中解決信息溝通的能力，使得各方能共擔(dān)風(fēng)險，共享利益，為學(xué)校項目舒適、友好的教學(xué)環(huán)境的建設(shè)提供幫助。