BIM技術在大型東歐群體建筑施工中的應用探索

江嘉煒 王克泉 李子文

(中國建筑一局(集團)有限公司,北京 100073)

引言

隨著近年來中國與俄羅斯及世界其他國家的文化交流的不斷深入和頻繁，文化的多元性日益增強和凸顯，各類建筑風格正在作為文化傳播的載體時刻影響著中國的建筑風格。俄羅斯作為中國目前最具有國際性和戰略意義的合作伙伴，其東歐風格濃郁的特色建筑群在國內建筑領域漸露頭角，因此，深入研究東歐建筑風格、施工技術等影響意義深遠。

深圳北理莫斯科大學作為中俄兩國歷史上第一所聯合舉辦的大學，是中俄兩國國家元首共同見證簽署的戰略合作項目，對促進中俄兩國的科技、教育、經濟、文化以及各領域的合作意義重大。本文以深圳北理莫斯科大學項目為依托，通過合理選用現有施工領域關鍵技術，并對關鍵技術進行成果轉化形成創新技術，以此解決項目施工過程中遇到的重難點問題，同時對具有東歐建筑風格的綜合施工技術進行研究和應用，為后續的大型群體東歐風格建筑的施工與管理工程提供借鑒經驗。

1 工程概況

1.1 項目簡介

深圳北理莫斯科大學是深圳市政府大力支持和引進國際教育資源的重要項目之一，由深圳市人民政府、北京理工大學和莫斯科大學三方聯合舉辦的高等教育機構，是中國和俄羅斯兩國高校聯合舉辦的第一所合作大學。項目位于深圳大運中心和新城西南部，總規劃用地建筑面積約26.8萬m2。大學校園的總體規劃以充分保留校園內部現狀的山體綠地為基礎進行核心建筑景觀布局，同時在校園內部現狀的山體綠地西側形成中心廣場、人工湖組成的景觀綠化中心軸，圍繞綠化景觀中心軸、山體綠地進行了建筑景觀布局。校園的總體規劃共劃分為教學區、生活區、體育區及校園生態綠化共享服務區四大核心功能區，教學區分別位于大運新城校園西北側，生活區位于大運新城校園東南側與北側，體育區分別位于大運新城校園東北側，生態綠化共享服務區則分別是位于大運新城校園中部和南端，各區之間呈組團相對獨立，通過生態綠化道路和山體綠化形成的景觀與校園進行有機的聯系。

圖1 項目鳥瞰圖

1.2 工程特點和難點

本工程為中國和俄羅斯兩國國家元首共同出席見證簽署的中俄兩國文化交流與戰略合作項目，政治意義重大，建設目標為國際一流大學，具有質量要求高、綠色建造要求高、工期進度緊張、管理難度大的特點。

質量安全控制要求高主要體現在項目需要創國家優質工程獎，品質要求高，同時，項目主要風格為俄式風格，內部造型多變，質量控制難度大； 綠建節能要求高主要體現在項目作為深圳市重點工程，必須嚴格執行國家關于建筑節能的相關條例，只有符合國家節能的條例有關要求，才能辦理竣工驗收合格證； 工期緊張主要體現在項目總工期768天，為迎接重大國際交流活動，主樓塔尖必須于2017年8月31日前完成吊裝，并于2018年底完成竣工驗收； 管理難度大主要體現在本項目共21棟單體建筑，勞動力用量高峰期達兩千余人，協調各單位開展工作及人員管理難度大，科學組織資源保證目標實現是本工程實施重點。

2 BIM組織與應用環境

2.1 BIM應用目標

根據上述特點及難點，項目圍繞優質建造、綠色建造、快速建造、智慧建造這四個方面的實施目標，將BIM信息化技術與傳統工程管理模式相結合，探索出基于BIM技術的項目管理新模式，形成符合項目定位的BIM應用成果[1]。優質建造主要是指減少項目的設計變更，提高施工質量，爭創國家優質工程獎； 綠色建造主要是指滿足環境保護、節能、節地、節水、節材，達到節約資源，高效，低耗，統籌兼顧的目標； 快速建造主要是指提前安排資金、材料、人工，以滿足項目重大工程時間節點要求； 智慧建造主要是指通過BIM平臺對建筑項目進行云端精確管控，提高建筑質量、提升管理水平。

2.2 實施方案

項目編制了BIM實施三級標準體系，分別由規劃層、方案層、細則層來規范項目BIM工作開展。規劃層主要明確本項目BIM實際應用的技術總體定位與應用規劃，給出本項目實施階段BIM的具體應用范圍和應用階段，明確本項目BIM實施應用的價值點和各階段的技術路線； 方案層分別從BIM實施目標、BIM實施組織、BIM平臺應用、BIM應用價值點及方案、BIM實施的保障措施上對項目BIM工作進行整體把控。細則層對平臺后臺配置、BIM的構件編碼規則、工作實施流程、用戶分類、具體實施內容、成果檢查標準、管控節點進行了規范要求[2]。

2.3 團隊組織

本項目以BIM管理平臺作為項目協同工作平臺并統一管理，根據項目的實施進展及應用要點、施工管理方式、各參建單位的組成情況進行協同管理的權限分配，制定項目協同管理要求和建立項目協同機制，制定各參建單位在項目BIM協同實施中的職責，保證項目的協同實施。項目各參建單位根據項目實施進度，按照要求使用BIM管理平臺，遵守協同實施機制開展項目的BIM實施，共同維護、更新項目資料及BIM數據[3]。

圖2 項目BIM管理流程圖

2.4 實施體系

為實現BIM實施目標，項目將平臺管理的集成應用、BIM技術的基礎應用、智慧建筑工地應用三部分有機結合成為項目BIM+智慧建造體系[4]。BIM技術應用主要是由通過建立五維數據模型，打通BIM數據傳輸渠道，將BIM信息進行集成應用，是BIM+智慧建造開展的基礎； 平臺集成應用主要是指搭建BIM管理平臺，對現場安全、質量、進度狀況進行高效協同和管理，是BIM+智慧建造開展的保障。智慧工地應用主要是由搭建視頻監控系統、實名管理系統、特種設備監控系統、環境監控系統組成，是BIM+智慧建造應用的拓展。

2.5 軟硬件環境

硬件方面，項目配有多臺臺式服務器與移動工作站以滿足BIM日常工作開展需求，BIM工作站、無人機、移動工作站、服務器等先進設備均已配備，確保BIM+工作能有序開展； 軟件方面，項目上配備了建模軟件、效果渲染軟件、動畫制作軟件、智慧工地軟件，并依托項目BIM管理平臺，將日常管理數據與BIM進行有機的結合[5]。

3 BIM應用

3.1 優質建造

項目主要風格為俄式風格，內部造型多變，質量控制難度大，同時以創魯班獎和國家優質工程獎做為質量控制的目標。同時結合整個項目的特點，我們以多專業協同、深化設計、預制化管理、精確測量的方式來提升項目品質。

項目劃分多個施工段進行流水施工，各單體布局不一，施工場地部署復雜。我們利用BIM模型對不同施工階段的機械設備、臨時施工道路、臨時水電管道、臨時加工材料堆場等進行BIM模擬設計部署，檢驗項目施工場地布置的準確性和合理性[6]。

圖3 各節點場布BIM模型

傳統的二維圖紙難以發現各專業間的圖紙碰撞問題，我們利用BIM模型進行多專業協同，找出建筑、結構、機電等不同專業之間的碰撞問題，輔助深化設計并出具問題報告書。通過BIM模型會審，發現并解決了各專業間一千余處的錯漏碰缺問題。

項目機電系統復雜，結構多中庭天井，管線集中于不足2m的狹窄走廊中，同時存在大量防火卷簾占用管線空間。為符合俄式建筑風格，項目凈空要求保證在3m以上。我們通過BIM模型對管線綜合排布和深化設計出圖，對管綜的成果進行全員交底，明確施工過程中主要控制區域。經過現場復核，管線高度在滿足3m凈高的基礎上，整體再提高200mm，在保證主要空間的使用要求的同時給項目帶來品質的提升[7]。

圖4 機電管線深化BIM模型

傳統情況下砌體排布效率低、工作量大，導致施工班組領料難把控、二次施工搬運多、穿插作業打架等問題層出。我們運用BIM進行二次結構深化設計，將部分短墻與構造柱整體澆筑，非整磚排達到定尺加工，現場按深化設計進行切割加工，過程中應用二維碼技術手段進行管控。通過BIM進行排磚后，項目二次結構深化設計效率大幅提高了10倍、精確控量節省砌塊13%左右、極大地減少了材料的浪費和二次搬運[8]。

圖5 二次結構深化BIM模型

本項目的幕墻工程中石材幕墻約有9.18萬m2，同時與主體結構及其他專業工程交接和接觸面多，深化設計工作量大。我們依據項目幕墻深化設計模型，導出項目節點、石材編號、清單等工程圖紙，直接利用模型精準出具連接件的零件圖以及材料明細表，進行項目數字化下料，讓工廠進行預制加工[9]。

圖6 石材幕墻BIM模型

保證工程質量除了要做到優化設計和精細施工，還需進行精確的實測實量來保證工程質量。由于傳統的建筑工程實測實量主要依靠各種測量設備和儀器，需要在工程中耗費大量的時間和人力物力，而且其測量的效率和質量也難以在工程中得到實質性的提升，因此我們將基于BIM的三維激光掃描技術應用推廣到工程的實測實量中去，利用三維的激光掃描儀對現場的實體進行精確的掃描，通過和BIM模型比對生成平整度、垂直度等對比數據，精確把控現場質量，提高檢查效率，提升施工質量[10]。

圖7 模實對比

3.2 綠色建造

本項目綠色施工重點多，難度大。首先建筑垃圾總量控制難度大，為達成此綠色施工目標，項目采用了永臨結合的施工工藝。其次，土方階段的能源節約與環境保護是本項目綠色施工的主要目標之一，項目利用無人機、3D掃描等先進技術配合現場完成土方的測量與掃描工作，對土方量精確計算后采用現場內土方自平衡，避免土方外運工作。

為快速采集原地面高程數據，我們考慮GPS、無人機、三維掃描三種方式，由于條件限制及功效要求，最終我們采用三維掃描的方式進行數據收集。通過三維掃描儀對土方量進行精準復核，在5天時間完成了14萬m2范圍的外業掃描工作，通過點云數據計算，場地內余土5萬方。全部外運方案受交通、環保及棄土場地制約，經測算需要60天完成，無法滿足工期要求，必須采用其他方案。我們采用土方自平衡零外運的處置方案，該方案不僅能滿足工期要求，而且不占用額外土地，契合創建“生態新城”的城市發展理念。為實現上述目標，我們利用3D掃描所得數據創建點云模型，并在點云分析軟件中進行分區試算，將項目整體標高提高了0.5m，保證項目整體挖填數量大致相同。通過采用場地內土方挖填自平衡和零外運的方案，我們減少土方外運和回運工期32天[11]。

圖8 土方平衡計算模型

在解決土方外運問題后，我們又面臨堆土場及運輸道路的規劃問題，需要合理的規劃土場及其道路，避免土方二次倒運。我們通過運用BIM技術直觀的展示正式道路、臨時施工道路與場內建筑物、料場間的地理位置關系，對場內施工道路的設計進行了優化，最終可以實現正式道路先行施工，與臨時施工道路結合的方式以滿足運輸需要且節約工期。最終共利用永久道路千余米，節約工期15天。

同時為避免對已完正式路基造成影響，并實現市政管線的前置施工，我們運用BIM對市政管網進行優化，對管井標高及管線路由進行了調整，歷時1個月時間經歷9版圖紙，解決重大碰撞33處，其他碰撞1 000余處，最終實現市政管線與土方作業的同期施工。

圖9 永臨結合規劃模型

3.3 快速建造

依據施工經驗分析，若土方工程持續至雨季，受天氣影響831節點將完全不可控，為此我們將工期優化重點放在土方施工及鋼結構吊裝兩個方面，為確保831工期節點，需30天內完成土方處置，15天內完成鋼結構吊裝，工期極為緊張。為此我們應用BIM進行了異形鋼結構安裝方案優化和人工湖數字開挖，最大限度的提高施工效率和縮短工期。

主樓塔尖鋼結構北莫之星的吊裝是制約工期的重要因素，為確保831節點，工期必須壓縮至15天內完成，在高110m，不足80m2的區域內順利完成高46.35m，重量近300t的鋼結構安裝。項目借助BIM技術，對塔吊位置、吊重能力等關鍵因素綜合分析，多方案模擬施工比選，確定吊裝最優方案。

圖10 鋼結構塔尖吊裝模擬

由于構件的運輸和塔吊吊裝能力的限制，鋼柱只能在加工廠進行分段構件的制作，然后在現場空中進行對接，如何保證空中的對接質量是鋼結構加工、安裝中要重點考慮的問題。塔吊選型設計方案確定后，通過BIM優化鋼結構安裝施工方案，對鋼結構進行節段分割，并通過BIM提取數據統計各節段構件重量進行吊重分析得出，塔吊吊裝過程平均力矩百分比達到85%，在保證安全前提下，充分發揮了塔吊性能，達到吊次最優。

圖11 鋼結構塔尖分段模型

由于拼裝胎架的每個立面支撐架牛腿的的頂標高數值各不相同，拼裝胎架的精度會直接影響到鋼結構的拼裝精度，建立胎架BIM模型，由BIM模型直接導出胎架詳圖，利用BIM模型提取控制坐標信息，保證鋼結構地面拼裝精度誤差不大于2mm[12]。

圖12 鋼結構塔尖胎架模型

人工湖湖岸線復雜，坡面形式多樣，采用傳統施工方法測量工作量大，施工難度高。為保證人工湖在工期內保質保量完成，項目引進挖機智能引導系統，通過對人工湖BIM建模、系統傳感器和挖機的深化和改造，使得智慧系統能滿足本項目的小型復雜地形的高精度開挖。數字開挖技術減少了放線、修坡的時間，縮短人工湖開挖時間，避免開挖完成前進入雨季導致工期延后。通過對比，采用該系統的挖機出土效率比普通挖機日均出土量多25%[13]。

圖13 人工湖開挖模型

3.4 智慧建造

項目開發的協同管理平臺是基于BIM的建筑全生命周期管理平臺。平臺開發與BIM標準、項目管理相結合，利用多源BIM模型支持和輕量化技術、大規模建筑信息模型的可視化技術等行業先進技術，將BIM標準融入平臺功能，管理信息與BIM模型關聯，提供最真實的基礎數據，對建筑全生命周期進行精確管控，使決策真正有據、管控隨時隨地進行、風險預測及時準確，提高建筑質量、提升管理水平。

圖14 平臺架構

會議管理模塊是以項目工程例會以模型為核心，結合平臺記錄、現場照片、影像資料的三屏聯動模式，比傳統會議節省了40%的時間[14]。

圖15 三屏會議模式

項目基于BIM管理平臺對石材等構件進行管理，將任務眾多的工作具體分解和層層落實。并將模型與構件關聯，使BIM模型與現場設備聯動，用不同色彩實時反饋構件狀態到BIM模型，通過移動設備掃描二維碼對構件進行從生產到安裝的全過程精準管理工作。

由于傳統的質量安全巡檢方法存在數據信息丟失的安全隱患，我們通過平臺對現場質量安全巡檢工作進行現場定點簽到，并將信息與BIM模型緊密關聯，確保現場質量安全巡檢工作落實到位。

圖16 石材幕墻構件管理模型

圖17 平臺巡檢看板

智慧工地系統為項目提供信息化監管手段和信息化管理支撐，視頻監控、實名制管理、特種設備監控、環境監控等系統可實時了解施工現場各種情況，降低自身管理成本，提升施工質量[15]。

圖18 視頻監控

圖19 智慧工地體驗館

4 項目應用效果

從對比常規方案與BIM解決方案出發，得出本項目應用BIM的解決方案后所產出的應用成效，具體成效如表1所示。

通過此表可以看出，通過BIM技術，項目在工作效率、工期進度以及成本管控等方面均取得了良好的效益。通過關鍵技術和創新技術等合理選用，累計節約工100余天，節省費用460余萬元，經濟效益顯著。BIM不僅直接帶來了現有工地建造技術的進步和更新換代，也會直接推動企業的現場管理思維和模式的重大改變。通過智慧工地體驗館對項目BIM+智慧建造成果進行了集中展示。對項目內部的人員進行智慧建造知識普及。在同時，對外也成功地接待了上萬人次的智慧工地考察與現場觀摩，產生了積極的社會效益。

表1 BIM應用成效分析

作為中俄文化交流戰略合作項目，項目多次受到各級領導關懷與肯定。項目開工至今，受到社會各界的廣泛關注，截至目前已累計接待考察、觀摩、交流120余次，接待行業同仁1萬余人，得到各級領導與同行的一致肯定。

6 總結

項目以BIM綜合施工技術為主要工具，以打造智慧綠色工地為管理手段，將BIM信息化技術與傳統工程管理模式相結合，采用超高超重鋼結構塔尖吊裝施工技術、永臨結合市政先行、智慧測量土方自平衡和智能土方開挖等低投入、高產出的施工技術，實現了節約能源、減低環境污染等的綠色施工要求，輔助完成項目各技術重難點的攻克，完成項目綜合施工技術的研究與應用，進而從根本上實現了經濟效益、社會效益與生態環境效益的完美統一。