基于BIM的全過程數字化建造技術

陳淵鴻 房霆宸 趙一鳴

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；

2. 上海超高層建筑智能建造工程技術研究中心 上海 200080

在新一輪技術變革過程中，信息化技術正逐步滲透到社會生活的方方面面，物聯網、移動通信、云計算、大數據分析等技術極大提升了數據收集、處理、使用的效率，對人們的生產生活方式產生了巨大影響。隨著社會的發展，人力、資源、環境等因素對工程建設的制約日益凸顯，對施工過程的精細化、綠色化要求不斷提高，傳統粗放式的建造方式難以滿足工程建設要求。物聯網、云計算、大數據等新興數字化技術不斷被引入，對工程建造方式帶來深刻影響，數字化建造理念被相應提出。數字化建造技術是利用計算機對工程建設設計、研發、施工全過程的人、機、物、法、環等各要素進行仿真、制造、監控、安裝、管控的過程，在該過程中同步建設形成工程數字化模型[1]。

數字建造相關概念最早由設計領域提出，將制造業生產方式引入建筑行業，在設計階段構建建造對象數字化模型，將該模型以計算機輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）文件形式導入數字機床（如3D打印機、鋼筋加工機器、建材剪切機器）制造出建筑構件實體，在現場完成模塊化拼裝。數字建造采用工業化方式完成工程建造，是一種高效、綠色、精益的生產管理方式，將引發建筑行業全面的變革。然而，受技術、成本等因素影響，數字建造技術僅限于在實驗室或少量重大工程進行局部應用，難以在項目中實現產業化推廣。

建筑信息模型（building information modelling，BIM）技術是建筑對象及其建造過程的數字化表達，實現建造全過程建筑幾何、非幾何信息集成，可對過程中進度、成本實現可視化管理，優化建造管理流程，被稱為繼CAD以來，建筑行業第二次信息化革命。BIM技術是實現數字建造的一種重要技術手段，它可對建筑全生命周期信息進行集成，實現建設各階段間信息高效傳遞，減少信息鴻溝，實現各參與方間的信息共享，為數字化建造的實現提供有效基礎數據源，從根本上解決數字建造中項目數據獲取及管理難題。基于BIM的全過程數字化建造就是以BIM模型為核心，將BIM設計信息輸入數控設備，對建筑對象進行制造、安裝，通過傳感設備或移動終端將建造過程中構件狀態、進度、成本等信息反饋至BIM模型，形成建造信息基礎數據庫，在一定權限范圍內在建設、設計、施工、監理、供貨商之間進行共享，從而實現基于BIM的全過程數字化協同建造模式。我國數字化建造技術研究起步較晚，部分企業對數字化建造技術應用進行了大量探索，涌現了國家體育館（鳥巢）[2]、上海中心大廈[3]、上海迪士尼[4]等數字化建造技術應用重大工程，實現了BIM與數字化建造技術的深度融合應用，成為數字化建造技術應用典范。

1 基于BIM數字化建造技術的應用框架

工程建設涉及設計、施工、供貨、管理等多個參與方，各方活動關系錯綜復雜，是一個時間跨度大、參與方眾多的復雜過程。隨著工程項目復雜程度提升，工程建設質量安全要求越來越高，對技術與管理提出了新的需求。數字化建造技術可有效解決復雜結構建造所面臨的技術難題，要想實現工程建造活動有序開展，通過一定技術或流程，保障各參與方、各階段建造信息有序流動是關鍵，核心是保證信息的完整性和唯一性[5]。建筑信息模型技術為數字化建造全過程應用提供了數據集成管理數據庫，同時保證工程建設活動在一定管理流程下高效開展，由各參與方按照合同要求共同建設工程項目數字化數據庫，從數據庫中按權限調用所需管理信息，協同開展工程實體建設，并將工作內容信息同步錄入信息模型，不斷豐富模型內涵，最終滿足工程竣工驗收要求，所形成的竣工數字模型可用于后續的運維管理[6]。

要解決工程建設海量信息的完整性、準確性、唯一性難題，合理規劃各階段數字技術應用以及數據轉化方式是關鍵[7]。基于BIM的全過程數字化建造技術應用模型如圖1所示。

圖1 基于BIM的全過程數字化建造關鍵技術應用框架

2 基于BIM的虛擬建造技術

工程建設是一個長期的投資過程，一般來說，前期策劃階段對工程建設成本的影響相對較大，隨著項目推進對造價的影響逐步減弱，其中前期策劃及設計階段的決策對于建筑全生命周期建設成本的影響達60%以上。因此，在項目前期策劃階段對項目進行充分論證優化，對于減少后期變更及資金投入具有重要作用。在CAD設計階段，由于工程項目建設的復雜性，技術方案及技術參數的經濟性與可靠性大多依靠經驗，無法在建造前對技術方案進行準確評估比選，因此，項目前期對進度、成本的控制目標更加無法準確估計。基于BIM的虛擬建造技術以BIM模型為核心，在施工前用計算機將建造過程進行可視化仿真模擬分析，充分評估各項設計方案的經濟性與可靠性，進而為減少項目投資、提高項目安全性及經濟性提供支撐[8]。基于BIM的虛擬建造技術包括三維數字化建模技術、數值仿真分析技術及建造方案模擬技術等[1]。其中，各項應用模型均可由設計BIM模型提取，并將分析結果反饋至設計端，從而為設計方案的進一步優化提供支撐，使得所得到的設計方案在經濟、實用、安全綜合性能等方面均可最大限度滿足建設要求。

2.1 三維數字化建模技術

三維數字化模型集成工程建設各階段信息，是實現數字化建造技術應用的基礎，該模型信息隨著工程建設的推進不斷完善。為了保證三維數字模型信息的完整性和準確性，在設計前期應明確各專業模型所使用的軟件及不同軟件間的數據傳遞方式。此外，應該明確各專業模型在不同階段包含的工程信息及信息精度，充分保證各項BIM應用順利進行。例如，在設計階段明確以Revit軟件平臺為核心構建建筑結構的數字化模型，利用Tekla軟件建立鋼結構專業的數字化模型，利用Rhino軟件建立幕墻的數字化模型，利用MagiCAD軟件建立機電專業的數字化模型，利用Revit、Sketchup軟件建立景觀的數字化模型，利用Navisworks軟件進行數字化模型的集成和專業綜合，各專業間模型通過.rvt、.ifc、.fbx等格式進行信息轉換[9]。隨著技術的進步，針對大場景、復雜造型的既有結構，可通過地理信息系統（GIS）、無人機航拍、三維掃描等方式得到所需的三維表皮模型，將獲得數據導入建模軟件，從而快速獲得現有建設場景數據，實現高效準確建模。

2.2 數值仿真分析技術

隨著工程建設規模擴大，建設環境及結構造型日益復雜，對于結構安全性要求越來越高，數值仿真分析技術采用有限元分析方法，對建筑結構受力分布情況、抗風抗震性能進行仿真分析，得到不同工況下受力分布情況，進而優化建造方案，保證工程的安全性。目前，基于有限元的數值仿真分析技術大多根據結構圖紙建立數值仿真分析模型，分析結構比選設計方案，確定各項結構參數，優化設計結果，二次建模所涉及的工作量極大。根據規范要求，針對一定規模以上建筑需采用多種軟件進行結構分析，該過程涉及大量建模工作，當設計方案調整時，還需根據設計圖紙變更修改模型，制約了設計效率的提高。基于BIM模型的數值仿真分析可直接由BIM模型提取分析所需信息，建立模型，BIM模型變更時，數值分析模型相應同步調整，在保證模型信息準確一致的同時，大幅減少了有限元分析建模時間，提高了設計效率。

在將BIM模型信息導入數值分析軟件過程中，如何確保所需的結構屬性準確傳遞至結構數值分析軟件之中是關鍵，針對國內常用的PKPM、YJK等軟件，可通過核心建模軟件（如Revit）提供的API二次開發數據接口進行模型信息傳遞，也可以通過.dwg、.fbx、.ifc等中間格式進行模型轉換[7,10-14]。而對于SAP、Ansys、STAAD等軟件，則需要針對信息傳遞需求進行定制開發來實現。

2.3 建造方案模擬技術

傳統CAD通過圖紙、方案文件等方式對建造方案進行表達，往往無法及時發現設計方案中存在的問題，因此，在建造過程中會發現專業碰撞或者難以施工等問題。建造方案模擬技術在設計BIM模型基礎上附加時間、成本等信息，將相關信息與模型經過任務工作結構劃分、工程量清單劃分后與相應模型關聯，從而對建造過程進行4D（3D＋時間進展）、5D（附加成本）可視化分析，優化設計方案，為實現建造過程中進度、成本的精細化管理提供了有力支持。

3 基于BIM的數字化加工技術

隨著工程建設行業人力資源日益短缺，智能化制造設備被引入了建筑行業，構件根據設計圖紙在工廠中進行集中生產，運送至現場進行安裝。目前，3D打印設備、焊接機器人、鋼筋加工機械、裝飾構件雕刻、管件或板材裁剪等常見的數字加工技術手段，大幅提升了構件加工效率，實現了構件綠色化、集約化生產[15]。構件工廠根據加工工藝及安裝要求由深化設計BIM模型建立加工模型后，導出形成數字加工設備所能識別的CAM文件。數字加工設備可調用相應數據文件進行智能化生產。如圖2所示，Revit深化后模型導入Inventor軟件，生成加工圖紙及Boom表單，利用數字編碼對預制構件生產、配送、安裝狀態進行跟蹤，實時錄入模型[16]。

圖2 機電BIM模型生成加工文件

4 基于BIM的智能化安裝技術

現場智能化安裝是數字化建造的主要特征，它采用機械設備替代大量人工作業，提高了建筑構件安裝過程中的作業效率及安全性。通過建立BIM模型，可對構件進行模塊化劃分，得到安全可靠、材料節約、便于安裝的設計方案，由模型提取獲得各個構件的材料清單，為智能化安裝奠定基礎[17]。為了保證大型預制構件整體安裝就位順利，就需要通過BIM模型虛擬拼裝方式找出安裝過程中的關鍵控制點、關鍵路徑，協調待安裝構件與既有結構間空間位置關系，大幅減少巨型構件整體安裝錯誤的可能性。此外，在安裝過程中，可將模型輸入機器人全站儀，在BIM模型中輸入放樣點坐標，可對構件安裝關鍵點位進行動態精準控制，以提高建造效率。

5 基于BIM的信息化管控技術

5.1 危大專項工程可視化監控技術

根據施工安全管理要求，超過一定規模的深大基坑工程、大型模板工程、重大工程設備應針對關鍵技術參數進行安全監控。隨著通信技術的發展，通過Zigbee、Lora、Wi-Fi等無線通信技術可將傳感器獲取的監控數據傳輸至監控系統中心服務器數據庫，并通過Web在終端系統遠程查看所需數據，將監控對象BIM模型上傳至云端，將傳感設備模型與監控數據一一掛接，達到實時遠程查看各點位監控數據，并對監控數據超出設計要求的區域進行預警的目的，從而提高施工安全性[18]。

5.2 施工人員安全三維管控技術

近年來，建筑行業事故頻出，使得人們對現場作業安全的關注度日益提高。針對現場安全管理需求，建立包含作業人員信息、危險區域、危險作業行為、使用危險設備等不同工種的安全風險數據庫，評估不同作業人員的安全隱患。通過視頻采集、RFID定位等方式獲取作業人員當前坐標，并在BIM模型中進行定位，針對安全隱患進行預警，報告現場安全管理人員，從而實現現場作業安全實時智能化管控，提高作業安全性。

5.3 施工要素協同控制技術

施工過程中，進度、成本、質量安全是施工管理的主要要素，往往通過人員、材料、合同、信息等方式進行合理管控，在超大規模工程中，海量復雜工程信息使得現場項目管理處于粗放狀態，進度、成本、質量安全相互制約，難以保證各項指標控制最優。基于施工過程BIM協調各要素間關系，實現建造方案優化。通過網絡實時錄入施工管理所需信息，實現信息共享，進而實現對各要素的協同管控，提高管理效率，實現精益建造。

6 基于BIM的全過程數字建造管理平臺

基于BIM的數字化平臺是實現建造全過程數字化管控的重要信息載體，可通過移動終端，實現項目信息的自動化協同式交互，不同企業項目組織架構和管理模式各不相同，因此，有必要針對不同企業管理要求建設基于BIM的全過程數字建造管理平臺[19]。

要實現上文所述的全過程數字建造，平臺應具有以下功能：

1）BIM模型數據存儲與管理：基于標準格式，統一存儲建造過程中產生的模型數據信息，保證數據的唯一性。

2）模型交互：通過數據接口，將多種文件格式模型信息精準導入，并實現高效更新與集成，將核心模型信息根據應用需要轉化成為所需的數字模型，如數值分析模型、加工模型。

3）施工工藝與方案模擬：根據施工方案將進度、成本、材料批次與模型準確掛接，實現動態模擬，針對碰撞問題進行預警。

4）模型集成與數據查詢：對各專業模型信息進行集成，隨著項目進展不斷豐富，供不同參與方在權限控制范圍內進行查詢。

5）施工要素智能分析預警：基于大數據，將方案與實際建造比對，對建造偏差進行原因分析，若偏差對進度、質量、安全、成本會產生重大影響，需提前做出預警。

基于BIM的全過程數字建造管理平臺可實現設計虛擬仿真分析、數字加工、協同管控等多種需求，采用分布式數據庫對全過程建造數據進行統一管理，通過智能傳感設備、移動終端采集信息，利用Web、移動端對數據進行交互，實現扁平化管理。

7 結語

隨著我國經濟的發展，科技成為實現社會經濟向創新驅動高質量發展轉變的主要動力，而數字化是實現創新驅動的重要途徑，是未來實現智能化不可缺少的技術手段。建筑行業正面臨工業化與數字化深度融合發展的關鍵時期，BIM技術是實現這一目標的有效工具。

我國高度重視建筑行業數字化技術發展，2020年7月，住建部、國家發改委等多個部委聯合發布《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，將在建造全過程加大建筑信息模型（BIM）、互聯網、物聯網、大數據、云計算、移動通信、人工智能、區塊鏈等新技術的集成與創新應用作為重點任務之一，為建筑行業數字化轉型進一步明確了方向。

經過多年的發展，我國BIM技術應用蓬勃發展，涌現出了一大批BIM與VR、GIS、三維掃描、3D打印等新興技術集成應用的創新技術，而對于以BIM技術為核心的全過程數字化建造技術應用的研究較少。本文提出了基于BIM的全過程數字化建造技術應用框架，以期為行業數字化技術轉型升級提供參考。