BIM技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用

祝鳳丹　黃有文

摘 要：目前，伴隨著我國(guó)建筑技術(shù)的進(jìn)步和建筑行業(yè)日益復(fù)雜，建筑業(yè)還存在著設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率低、資源能源消耗大、安全事故頻發(fā)、環(huán)境污染等問(wèn)題。BIM技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，BIM通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)三維數(shù)字模型來(lái)集成建筑項(xiàng)目的各個(gè)方面，包括設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等，可在虛擬模擬環(huán)境中改進(jìn)設(shè)計(jì)施工方案、管線沖突檢測(cè)、建筑環(huán)境的可視化等問(wèn)題。同時(shí)BIM還加入了如能源分析、預(yù)制裝配式房屋建筑跟蹤管理、工地安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及能耗分析等功能，因此，BIM技術(shù)的應(yīng)用為建筑工程帶來(lái)了更高效、可持續(xù)和協(xié)同的工作方式，使建筑行業(yè)朝著數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：BIM；建筑工程；信息化；應(yīng)用

1 前言

據(jù)《2022年建筑業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)分析》中顯示，全國(guó)建筑施工面積156.45億平方米，竣工面積40.55億平方米，建筑業(yè)總產(chǎn)值311979.84億元[1]，而建筑業(yè)的生產(chǎn)效率并沒(méi)有得到顯著提高。與其他行業(yè)相比，建筑業(yè)仍面臨利潤(rùn)率低、勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)性短缺、勞動(dòng)力和稅負(fù)成本高及業(yè)主要求多樣化等問(wèn)題，同時(shí)又面臨著噪音污染、溫室氣體、灰塵、建筑垃圾和不可再生自然資源的高消耗等問(wèn)題的加劇，這就要求建筑業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級(jí)。我國(guó)作為全球最大的建筑市場(chǎng)，正面臨著可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，加快推進(jìn)建筑業(yè)信息化進(jìn)程已是必然的選擇。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《“十四五”工程勘察設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出要推動(dòng)工程勘察設(shè)計(jì)行業(yè)數(shù)字轉(zhuǎn)型，提升發(fā)展效能，推進(jìn)BIM全過(guò)程應(yīng)用[2]。BIM（Building Information Modeling，建筑信息建模）也稱為nD虛擬模型，該技術(shù)的應(yīng)用有望降低項(xiàng)目管理的復(fù)雜性和難度，能保證生成信息的質(zhì)量以及信息流暢傳達(dá)。因此，國(guó)內(nèi)建筑業(yè)BIM的應(yīng)用推廣研究非常重要。

2建筑信息模型的應(yīng)用范圍及意義

2.1建筑信息模型的應(yīng)用范圍

越三邊工程、越大型復(fù)雜工程、越工程緊成本壓力大的工程，越應(yīng)該用BIM 技術(shù)。BIM 中的 M 就是 Modeling，意味著信息的創(chuàng)建本是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，不需要一步到位。BIM 軟件提供了一個(gè)高效動(dòng)態(tài)增加、處理信息的平臺(tái)，比傳統(tǒng)方法要高效很多。例如一個(gè)樓層層高增加50CM，傳統(tǒng)方法要將新的數(shù)十個(gè)工程量數(shù)據(jù)重新整理出來(lái)，要很長(zhǎng)周期（實(shí)際項(xiàng)目中往往按月計(jì)算），而在 BIM 軟件里，只要調(diào)整一個(gè)層高參數(shù)，重新計(jì)算就行，可能是幾分鐘時(shí)間就調(diào)整好了，新的一套數(shù)據(jù)就出來(lái)了。其中BIM的設(shè)計(jì)類軟件有 Revit 系列軟件和Bentley系列軟件，BIM的施工類軟件有Navisworks Manage等。

2.2 BIM在建筑項(xiàng)目中應(yīng)用的意義

2.2.1提高設(shè)計(jì)效率

BIM可以將建筑設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型進(jìn)行協(xié)同工作。以減少信息傳遞的錯(cuò)誤和重復(fù)，提高設(shè)計(jì)過(guò)程的效率。

2.2.2減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和沖突

BIM可以在三維模型上進(jìn)行碰撞檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和沖突，避免在施工過(guò)程中產(chǎn)生問(wèn)題。通過(guò)可視化的方式，設(shè)計(jì)人員可以更好地理解和評(píng)估設(shè)計(jì)方案，減少設(shè)計(jì)缺陷的出現(xiàn)。

2.2.3提高施工效率

BIM可以用于施工過(guò)程中的空間布置、設(shè)備定位、線路鋪設(shè)等工作。通過(guò)BIM，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)施工過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，并提前解決，從而提高施工效率。

2.2.4方便管理和維護(hù)

BIM模型包含了建筑的詳細(xì)信息，包括材料、設(shè)備、維護(hù)手冊(cè)等，這使得建筑管理和維護(hù)更加方便。維護(hù)人員可以從BIM模型中獲取所需的信息，準(zhǔn)確快速地進(jìn)行維護(hù)工作。

2.2.5提供決策依據(jù)

BIM模型可以幫助項(xiàng)目相關(guān)人員進(jìn)行各種決策。通過(guò)模擬和分析，可以評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，制定合理的施工計(jì)劃和預(yù)算，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。

3 BIM技術(shù)在建筑工程各領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1在復(fù)雜建筑空間和管線碰撞的應(yīng)用

處理復(fù)雜建筑空間設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是非歐幾何形體建筑，須借助BIM來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各部分的空間表達(dá)?？刹捎肦evit和Rhino軟件創(chuàng)建內(nèi)外部三維模型，確保機(jī)電管線高度滿足室內(nèi)凈高要求和穿梁預(yù)留洞口的合理布置，如建筑的通風(fēng)、給排水、照明等等。

一般情況下，較大的管徑優(yōu)先建模，然后逐漸向較小的管徑過(guò)渡。這樣做的好處是可以保證較大的管線得到合理的空間布置，并且較小的管線可以更容易避讓較大的管線。由于橫向的重力排水管較為獨(dú)特，需要在其他管線之前進(jìn)行建模，這是因?yàn)樵摴艿劳ǔＰ枰欢ǖ母叨群蛢A斜度，以保證排水流暢。因此，在建模順序中，首先應(yīng)建模橫向重力排水管的路徑和位置。

3.2工程資料信息化管理

BIM的優(yōu)勢(shì)不僅在于促進(jìn)設(shè)計(jì)和施工的精確性和一致性，還在于其對(duì)環(huán)境保護(hù)的積極影響。BIM三維設(shè)計(jì)的無(wú)紙化趨勢(shì)以及利用BIM5D平臺(tái)進(jìn)行信息化管理是當(dāng)前綠色環(huán)保發(fā)展的重要方向之一，這種趨勢(shì)符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)保的要求。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程通常伴隨著大量紙質(zhì)文件的使用，包括設(shè)計(jì)圖紙、施工圖紙、合同和文件備案等。然而，這種紙質(zhì)化的設(shè)計(jì)過(guò)程不僅對(duì)環(huán)境造成了不小的負(fù)擔(dān)，還存在著許多缺點(diǎn)。例如，紙質(zhì)文件易于損毀、遺失或被錯(cuò)誤地修改，需要耗費(fèi)大量時(shí)間和空間進(jìn)行儲(chǔ)存和管理，并且對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作和溝通也不方便。

BIM三維設(shè)計(jì)采用無(wú)紙化的工作流程，通過(guò)電子化的方式管理項(xiàng)目資料。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以利用BIM5D平臺(tái)在線添加批注，進(jìn)行文件審閱，方便快捷地溝通和協(xié)作。這不僅可以減少紙質(zhì)文件的使用，減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)，還提高了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工作效率。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員可以隨時(shí)隨地通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)項(xiàng)目文件，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中因物理位置的限制而導(dǎo)致的信息不暢通。

另外，BIM三維設(shè)計(jì)還具備自動(dòng)記錄和保留文檔歷史版本的功能。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要查閱早期版本的文件，需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力進(jìn)行整理和查找。而采用BIM平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以自動(dòng)記錄和保留每個(gè)版本的文檔，方便設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)追溯和查閱文檔的歷史信息。這對(duì)于項(xiàng)目審查和質(zhì)量控制非常重要，同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工作效率。

此外，BIM三維設(shè)計(jì)的無(wú)紙化趨勢(shì)還賦予了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更多的交互與協(xié)作機(jī)會(huì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)成員可以通過(guò)BIM平臺(tái)進(jìn)行評(píng)論、討論和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)即時(shí)的溝通和問(wèn)題解決。這種在線協(xié)作的方式不僅節(jié)省了時(shí)間和資源，還提高了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的整體效能。

3.3采用BIM建模進(jìn)行構(gòu)件精細(xì)化制造和施工

利用BIM技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和幕墻單元板塊構(gòu)件進(jìn)行電腦預(yù)拼裝，可以大幅提高鋼結(jié)構(gòu)和幕墻深化設(shè)計(jì)和加工效率，降低加工成本。一般鋼牛腿設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)、信息化預(yù)拼裝流程如下：首先，導(dǎo)入單元BIM模型文件，從模型摘取實(shí)際構(gòu)件轉(zhuǎn)化為平面加工圖，然后直接導(dǎo)入設(shè)備加工，并對(duì)加工件進(jìn)行測(cè)量構(gòu)件修正調(diào)整，利用絕對(duì)關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x測(cè)量加工件數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)修正，最后通過(guò)犀牛Rhino拉伸成牛腿模型，將實(shí)測(cè)后生成的構(gòu)件模型導(dǎo)入進(jìn)行預(yù)拼裝機(jī)電專業(yè)利用BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、預(yù)拼裝。

三維協(xié)同下留洞口并統(tǒng)計(jì)成清晰的列表，方便查找，預(yù)留洞口圖準(zhǔn)確率大大提高，減少了設(shè)計(jì)缺陷外且便于修改。在土建模型中識(shí)別臨邊、洞口等危險(xiǎn)源，快速建立安全防護(hù)體系并由第三人進(jìn)行漫游論證；利用模型交底指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)布置；管理人員利用移動(dòng)端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源逐一檢查，保證對(duì)危險(xiǎn)源的全面控制；結(jié)合施工進(jìn)度，統(tǒng)計(jì)各階段安全防護(hù)設(shè)施需求計(jì)劃，用于現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量和加工。

3.4 BIM技術(shù)在安全施工與管理中的應(yīng)用

基于BIM的建筑施工安全管理體系的重點(diǎn)和作用如下：其中所應(yīng)用的BIM技術(shù)是數(shù)字化的基礎(chǔ)，虛擬樣機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)都是新的信息技術(shù)。

（1）危險(xiǎn)因素的識(shí)別。BIM系統(tǒng)包含有關(guān)建筑部件和施工進(jìn)度表的信息。該時(shí)間表包括所有活動(dòng)的信息，并形成一個(gè)四維模型，可用于識(shí)別和標(biāo)示施工現(xiàn)場(chǎng)的潛在危險(xiǎn)，將區(qū)域的危險(xiǎn)程度描述為紅、橙、黃、綠，指導(dǎo)施工并明確施工活動(dòng)，有效地避免安全事故的發(fā)生。此外，BIM還可與各種類型的傳感器相結(jié)合，生成塔式起重機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠避免塔式起重機(jī)操作時(shí)因周圍環(huán)境干擾產(chǎn)生盲點(diǎn)問(wèn)題。

（2）施工空間沖突管理主要集中在施工現(xiàn)場(chǎng)有限空間內(nèi)的大量機(jī)械、設(shè)施、材料和人員上。由于建設(shè)項(xiàng)目的復(fù)雜性，不同類型工作之間的工作沖突經(jīng)常發(fā)生在同一工作空間中，安全事件頻繁發(fā)生，需制定有效利用現(xiàn)場(chǎng)資源和工作空間的方案，縮短工期，減少成本和浪費(fèi)，減少安全事故，具有重要意義。

（3）在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全控制。將BIM技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)布局和安全規(guī)劃的模擬中，可以有效避免設(shè)備與工作人員之間的工作空間沖突。BIM技術(shù)的應(yīng)用還可以自動(dòng)檢查施工過(guò)程，并評(píng)估各施工區(qū)域的墜落風(fēng)險(xiǎn)。在施工開(kāi)始前，可制定一個(gè)安全的施工計(jì)劃。何時(shí)、何種方式防止建筑安全事故，也適用于模擬建筑物的消防安全疏散過(guò)程。

3.5 BIM在預(yù)制裝配式房屋建筑中的應(yīng)用

預(yù)制裝配式房屋建筑是一種新的可持續(xù)建設(shè)方式，可以減少建筑工地現(xiàn)場(chǎng)的工作量，減少污染，縮短施工時(shí)間，并提高安全性。然而，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的許多問(wèn)題（如預(yù)制件的質(zhì)量檢查、儲(chǔ)存和安裝）主要是由于信息的收集和共享不足造成的。為了更好地監(jiān)控和有效地管理預(yù)制過(guò)程，將RFID與BIM整合到預(yù)制構(gòu)件上，確保裝配式施工項(xiàng)目各步驟之間有效、即時(shí)地信息流通和信息的可追溯性，通過(guò)跟蹤生產(chǎn)線上的部件狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的生產(chǎn)過(guò)程記錄。根據(jù)RFID數(shù)據(jù)反映的實(shí)時(shí)施工進(jìn)度，動(dòng)態(tài)更新運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)方案，提高施工現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件安裝效率，在施工和裝配階段實(shí)時(shí)記錄施工進(jìn)度，建立高效的預(yù)制件運(yùn)維定位體系，供運(yùn)維階段使用。

3.6 BIM在建筑綠色節(jié)能方面的應(yīng)用

BIM在建筑綠色節(jié)能中可以從以下幾方面幫助設(shè)計(jì)師和建筑師在建筑設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中更好地考慮能源效率和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題：

（1）有害廢棄物管理

有些材料，如石棉，直到在建筑中使用多年后才被認(rèn)為是危險(xiǎn)的。保存現(xiàn)有建筑物的材料信息記錄至關(guān)重要，因?yàn)閷?lái)可能需要從建筑物中移除含有某些化學(xué)物質(zhì)的材料。在這種情況下，設(shè)施管理人員、建筑師和工程師可以使用BIM來(lái)了解建筑物中是否存在這些危險(xiǎn)材料，并使用BIM的功能（如可視化、計(jì)算和分析）來(lái)支持危險(xiǎn)廢物清除的行動(dòng)。將危險(xiǎn)材料數(shù)據(jù)庫(kù)與BIM連接起來(lái)，以識(shí)別含石棉材料，并為年度減排報(bào)告提供相關(guān)信息。

（2）能源分析

建筑物的運(yùn)行效率不高，每年消耗全球能源的30%-40%，BIM可以幫助實(shí)現(xiàn)能源分析，可以通過(guò)在建模過(guò)程中添加能源分析工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，建筑師和工程師可以根據(jù)建筑的設(shè)計(jì)和布局來(lái)預(yù)測(cè)其能源消耗情況，并作出相應(yīng)的調(diào)整來(lái)減少能源的使用。

（3）模擬裝修材料的性能

BIM可以用來(lái)模擬不同的建筑材料，這些材料的性能對(duì)建筑節(jié)能有很大的影響。例如，不同的墻體隔熱材料、門(mén)窗設(shè)計(jì)等等都可以通過(guò)BIM來(lái)模擬和評(píng)估，找到最優(yōu)的建筑材料和設(shè)計(jì)方案。

（4）優(yōu)化機(jī)電系統(tǒng)

能源消耗量的很大部分與建筑的機(jī)電系統(tǒng)有關(guān)。BIM可以幫助優(yōu)化機(jī)電系統(tǒng)，例如通過(guò)模擬日照和氣流信息來(lái)確定最優(yōu)的照明設(shè)備和舒適的通風(fēng)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

建設(shè)行業(yè)優(yōu)化升級(jí)行之有效的方法就是借助BIM進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，盡管BIM在建筑行業(yè)帶來(lái)了許多好處和機(jī)會(huì)，但在應(yīng)用過(guò)程中仍然面臨一些挑戰(zhàn)。如BIM的有效應(yīng)用需要大量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，包括建筑信息、材料屬性、設(shè)備參數(shù)等。然而，獲取和輸入數(shù)據(jù)的過(guò)程中可能存在錯(cuò)誤和不完整性，影響了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。BIM通常需要整合多個(gè)不同來(lái)源和格式的數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)軟件、施工軟件、設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)等。數(shù)據(jù)集成的過(guò)程中，可能存在不兼容和沖突的問(wèn)題，需要解決數(shù)據(jù)一致性和完整性的挑戰(zhàn)。BIM的應(yīng)用需要使用專業(yè)的軟件和工具，對(duì)于一些小規(guī)?；蛸Y源有限的建筑項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，可能面臨技術(shù)要求和學(xué)習(xí)曲線較高的問(wèn)題，同時(shí)，涉及大規(guī)模項(xiàng)目的協(xié)同合作也需要一定的技術(shù)支持和培訓(xùn)。BIM涉及大量敏感的建筑和項(xiàng)目數(shù)據(jù)，如設(shè)計(jì)方案、技術(shù)規(guī)格、成本估算等。保護(hù)數(shù)據(jù)的安全和隱私是一個(gè)重要的問(wèn)題，需要確保數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和使用受到適當(dāng)?shù)臋?quán)限和保護(hù)。通過(guò)不斷地技術(shù)發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)積累，這些問(wèn)題可以逐漸得到解決，并促進(jìn)BIM在建筑領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

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