BIM技術(shù)在新型裝配式綠色建筑中的應(yīng)用

陳宗元，呂良宇，李 俊

（中國建筑第二工程局有限公司，云南 昆明 650000)

BIM（Building Information Modeling)系統(tǒng)又稱建筑信息管理模型系統(tǒng)，是當(dāng)前大型建設(shè)項目中重要的管理信息平臺，其核心應(yīng)用思路是在三維模型基礎(chǔ)上將相關(guān)數(shù)據(jù)信息充分整合，隨時記錄臺賬并匯總報表。BIM 系統(tǒng)中的四大常規(guī)工具分別為負(fù)責(zé)繪制三維模型并付諸設(shè)計的CAD（Computer Aided Design)系統(tǒng)、負(fù)責(zé)驗證設(shè)計結(jié)果并進(jìn)行有限元仿真的CAE（Computer Aided Engineering)系統(tǒng)、負(fù)責(zé)生產(chǎn)建造過程組織管理的CAM（Computer Aided Manufacturing)系統(tǒng)和負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)整合的LOD（Levels of Detail)系統(tǒng)。

裝配式綠色建筑是近年來興起的一種建筑形式，最早應(yīng)用于全鋼建筑領(lǐng)域，后來逐漸擴展到預(yù)置式鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、陶瓷玻璃幕墻結(jié)構(gòu)等，其技術(shù)意義主要有兩點：①提升建設(shè)效率，將裝配式組件在車間中加工完成并在現(xiàn)場進(jìn)行組裝，使得現(xiàn)場施工時間顯著降低；②提升建筑現(xiàn)場環(huán)保水平，減少施工過程的噪音、粉塵污染，減少建材加工的碳排放水平，減少施工過程對交通等公共設(shè)施的占用時間。該研究創(chuàng)新點為充分梳理新型裝配式建筑的整套管理流程，研究BIM技術(shù)在新型裝配式建筑設(shè)計、建設(shè)、驗收、交付全過程的應(yīng)用細(xì)節(jié)，形成規(guī)范化流程。

1 新型裝配式建筑的核心管理流程

新型裝配式建筑的核心流程，包括勘探、測量、設(shè)計、分割過程，形成每個預(yù)置組件的詳細(xì)設(shè)計圖紙，組織相關(guān)組件在相應(yīng)工廠車間中進(jìn)行預(yù)置加工并運輸?shù)浇ㄖF(xiàn)場，將組件在現(xiàn)場進(jìn)行組裝，完成建筑結(jié)構(gòu)主體、水電附屬設(shè)施、內(nèi)外墻裝潢組件等，最終完成驗收與交付過程。該流程詳見圖1。建設(shè)方（甲方)全程參與到項目管理中，對上述全流程的BIM 控制過程提供全面管理介入，監(jiān)理方主要參與到組件加工/運輸過程、現(xiàn)場組裝過程、驗收/交付過程等。而地質(zhì)測量單位、設(shè)計院、研究所、服務(wù)方、供應(yīng)方、施工單位等在具體環(huán)節(jié)參與到BIM 的設(shè)計過程中，其階段劃分情況如下。

圖1 新型裝配式建筑的建設(shè)過程核心流程

1)勘探測量過程提供了BIM 三維模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，此過程中BIM 三維模型尚未建立，但對三維模型設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了底層數(shù)據(jù)庫搭建。即針對新型裝配式建筑的BIM 系統(tǒng)構(gòu)建過程中，數(shù)據(jù)構(gòu)建的工作早于三維模型的構(gòu)建工作。

2)設(shè)計階段首先完成建筑的整體三維模型搭建，進(jìn)而根據(jù)加工需求和運輸需求將組件進(jìn)行分割，再對裝配式連接構(gòu)件等進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)每個具體構(gòu)件三維模型的設(shè)計，即CAD 系統(tǒng)工作。經(jīng)過這一步BIM 構(gòu)建過程，完成了大部分BIM三維模型設(shè)計工作，而設(shè)計過程的力學(xué)驗證工作，包括建筑自重、載重、扭力、畸變、抗風(fēng)、抗震等性能測試，主要由CAE 系統(tǒng)完成。

3)組件加工過程主要由CAM 系統(tǒng)發(fā)揮工作。將所有設(shè)計預(yù)置組件分配給對應(yīng)的加工廠家，如鋼構(gòu)件由機械加工企業(yè)加工，混凝土預(yù)制件由商砼預(yù)制企業(yè)加工，水電功能構(gòu)件由對應(yīng)的供應(yīng)商聯(lián)系加工，幕墻構(gòu)件由幕墻加工企業(yè)加工。CAM的云制造過程使得這些企業(yè)參與到BIM 管理信息系統(tǒng)中，該過程也是進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理等管理目標(biāo)下參與方最多，管理流程最復(fù)雜的階段。

4)現(xiàn)場安裝與驗收交付環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)建筑模式下的BIM 管理模型架構(gòu)類似，但其較傳統(tǒng)建筑模式的BIM 管理架構(gòu)工期更短，管理模型架構(gòu)相對簡單。

2 云制造在新型裝配式建筑中的應(yīng)用

云制造概念是互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)體系的重要實現(xiàn)模式，在深化分工和廣泛協(xié)同的理念指導(dǎo)下，在BIM 系統(tǒng)的管理支持下，實現(xiàn)全流程的裝配式組件的加工過程。在BIM 系統(tǒng)的支持下，每個組件都有獨立的設(shè)計、加工、驗收、交付環(huán)節(jié)，其建設(shè)方與監(jiān)理方為項目總建設(shè)方和總監(jiān)理方，但承建方為對應(yīng)的不同加工廠家、服務(wù)方、供應(yīng)方。該過程不同于傳統(tǒng)建筑工程，該過程的服務(wù)方、供應(yīng)方作為承建方進(jìn)行管理，而非傳統(tǒng)的服務(wù)、供應(yīng)企業(yè)。該概念協(xié)同架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 云制造概念在組件加工過程的委托加工示意圖

將BIM 系統(tǒng)中的建筑設(shè)計方案進(jìn)行分割，形成不同的組件。在BIM 系統(tǒng)中將每個組件形成單項工程，形成經(jīng)過嚴(yán)格分割的多個單項工程。在工程項目管理工作中，針對每個組件形成招投標(biāo)過程、驗收過程、交付工程。而傳統(tǒng)建設(shè)項目中的材料供應(yīng)方直接對加工廠一方負(fù)責(zé)，并不在該BIM 系統(tǒng)中進(jìn)行具體管理。技術(shù)服務(wù)方的管理中，BIM 內(nèi)擁有賬號的技術(shù)服務(wù)方主要服務(wù)于建設(shè)方，而服務(wù)加工廠一方的技術(shù)服務(wù)方通過加工廠的承建方賬戶參與到BIM 系統(tǒng)中。

云制造管理過程中，技術(shù)質(zhì)量管理、安全管理、交付管理、運輸與倉儲管理等均為管理要素。而BIM 系統(tǒng)提供的管理工具可以使這些管理要素形成管理體系，使每個組件均可以達(dá)到管理要求，其BIM 介入要素如下。

1)多承建方理念的合作模型 裝配式綠色建筑的BIM 管理模型與傳統(tǒng)模型的差異在于傳統(tǒng)模式的核心參與方為建設(shè)方、監(jiān)理方、承建方三方，所有其他服務(wù)方均與承建方發(fā)生法務(wù)關(guān)系如圖3(a)所示；裝配式綠色建筑的核心參與方并不包含總承建方，而是將所有參與方均通過單項工程進(jìn)行單獨管理，如圖3(b)所示。

圖3 多承建方的BIM賬號模型

2)循環(huán)式接續(xù)管理模型 針對裝配式綠色建筑BIM 管理系統(tǒng)的管理模型，在接續(xù)管理中應(yīng)當(dāng)對整體任務(wù)的分割過程進(jìn)行施工循環(huán)流程進(jìn)行分割，研究不同循環(huán)節(jié)點之間的條件關(guān)系，接續(xù)管理中，完成所有條件后，進(jìn)行下一層接續(xù)工程的施工，該架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 循環(huán)接續(xù)管理模型

裝配式綠色建筑的接續(xù)應(yīng)根據(jù)工程條件進(jìn)行分層管理，該分層參照前文中圖1 架構(gòu)進(jìn)行分層。其條件接續(xù)層次如表1 所示。

表1 循環(huán)式接續(xù)管理模型層次表

循環(huán)接續(xù)模型中，共有6 個層次16 個節(jié)點，這些節(jié)點之間的接續(xù)條件關(guān)系如圖5 所示。

圖5 裝配式綠色建筑的BIM接續(xù)模型

裝配式綠色建筑的接續(xù)過程的前半程，即第1 階段和第2 階段、第5 階段和第6 階段，為典型的順序階段，而第3 階段和第4 階段，其接續(xù)過程和條件過程較為復(fù)雜，該過程也為云制造過程的接續(xù)管理模式。云制造過程因為受到前文圖4 中的管理模型影響，其支持條件更復(fù)雜，接續(xù)過程也更復(fù)雜。

3 裝配式綠色建筑BIM管理系統(tǒng)的開發(fā)

上述管理模型在BIM 系統(tǒng)中運行，涉及相關(guān)的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建模式、服務(wù)器構(gòu)建模式、異地多賬戶接入模式等。該構(gòu)建模式服務(wù)于BIM管理模型，使BIM 管理模型得到實際開發(fā)于應(yīng)用。其BIM開發(fā)構(gòu)建模式如圖6 所示。構(gòu)建該裝配式綠色建筑的開發(fā)模型主要包括以下要素。

圖6 裝配式綠色建筑BIM管理系統(tǒng)的開發(fā)模型

1)BIM 核心服務(wù)器組的構(gòu)建 該BIM 核心服務(wù)器組主要為4 組云計算中心，分別運行BIM 系統(tǒng)的CAD 云服務(wù)、CAE 云服務(wù)、CAM云服務(wù)、LOD 云服務(wù)。所有云服務(wù)均包括對應(yīng)的云計算主機和配套數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)。配置方式如表2 所示，涉及的相關(guān)設(shè)備共有4 種：①云服務(wù)主機主要用于通用軟件運行，需要較高的RAM（Random Access Memory)配置和CPU（Central Processing Unit)配置，設(shè)置4 個主頻2·4GHz的CPU并為每個CPU配置超過16GB的RAM；②計算主機主要用于浮點計算，對CPU 及其專用RAM 的配置要求較低，但對GPU（Graphics Processing Unit)配置及GPU的專用RAM 配置要求較高，所以，設(shè)置2 個主頻2·4GHz 的CPU 并為每個CPU 配置超過8GB的RAM，另配置6 個主頻2·4GHz 的GPU 并為每個GPU 配置超過16GB 的RAM；③數(shù)據(jù)倉庫主機主要用于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運行并提供足夠大的高可用和高可靠存儲空間，所以每個主機配置2 個2·4GHz 的CPU，并為每個CPU 配置超過8GB的RAM，系統(tǒng)配置基于RAID5·0 的SAS 存儲，其可用存儲空間參照表2；④交換機采用H3C 七層25Gbps 多口交換機，路由器使用交換機的路由模塊實現(xiàn)。

表2 BIM核心服務(wù)器組的構(gòu)建要素

2)外部接口開發(fā) 該BIM 系統(tǒng)共布置3類外部接口，主要包括3 個接口類型：①外部用戶通過VPN 接口接入，用戶處布置VPN 接口，連接到BIM 系統(tǒng)的VPN 接口中，通過專用VPN 服務(wù)器的安全接口配合部分安全硬件實現(xiàn)該連接；②建設(shè)方的ERP（Enterprise Resource Planning)系統(tǒng)和OA（Office Automation)系統(tǒng)通過ERP 系統(tǒng)、OA 系統(tǒng)、BIM 系統(tǒng)中的API服務(wù)器構(gòu)建虛擬數(shù)據(jù)連接，用于相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相互調(diào)用；③數(shù)據(jù)外部接口通過核心交換機、邊界路由器、硬件防火墻等硬件系統(tǒng)構(gòu)建建設(shè)方、監(jiān)理方的內(nèi)部辦公和相關(guān)承建方、服務(wù)方、加工方等外部辦公系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)物理層接入。

3)核心交換系統(tǒng)開發(fā) 核心交換系統(tǒng)包括核心交換機、邊界路由器、硬件防火墻等硬件系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7 所示。

圖7 核心交換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

園區(qū)級設(shè)備共有3 個核心設(shè)備，其中包括使用華為CloudEngine 12800 形成的核心交換機設(shè)備，使用華為NetEngine 40E 構(gòu)成的單臂路由設(shè)備，使用華為HiSecEngine USG6600E 形成的外網(wǎng)接入防火墻設(shè)備。①核心交換機共布置4 種插件，包括交換機必備的核心管理模塊，添加內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)安全模塊和上網(wǎng)行為管理模塊，交換模塊使用25Gbps 的多接口交換機，其接入系統(tǒng)包括前文圖6 與表2 中的介入計算設(shè)備，以及內(nèi)網(wǎng)中供建設(shè)方和監(jiān)理方使用的內(nèi)網(wǎng)終端設(shè)備，建設(shè)現(xiàn)場中的AP（Wireless Access Point)熱點設(shè)備；②單臂路由設(shè)備與核心交換設(shè)備的分工，包括核心交換設(shè)備中的ACL（Access Control Lists)訪問控制列表、DDoS（Distributed Denial of Service)冗余功能等，而單臂路由包括基本的靜態(tài)路由控制以及必要的安全設(shè)施；③防火墻為串聯(lián)防火墻設(shè)備，包括上述DDoS 冗余，防注入攻擊，防掃描攻擊等。

構(gòu)建專用CAE系統(tǒng)，在其中加載SimuWorks組件，對該系統(tǒng)應(yīng)用前后的管理效能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的管理效能較傳統(tǒng)模式提升27·1%，工期縮短19·3%，施工成本壓縮22·5%，良品率提升8·2%。證實該管理信息系統(tǒng)在工程管理中有積極意義。

4 結(jié)語

基于BIM 的裝配式綠色建筑管理模型與傳統(tǒng)模式的本質(zhì)差別為該模型將整體建設(shè)項目劃分為多個可接續(xù)單項工程，使用BIM 對多個單項工程進(jìn)行分別管理并實現(xiàn)有效接續(xù)。BIM 中的CAM系統(tǒng)對該接續(xù)方式提供了管理功能。使用該模型開發(fā)管理信息系統(tǒng)，將傳統(tǒng)管理模式的管理效能大幅度提升。