BIM技術在建筑工程設計與施工階段的應用分析

吳 浩

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司東北分院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

建筑工程的建設過程包含多個步驟，例如項目規劃、勘測設計、土木施工、管線施工、內外裝修、竣工驗收等，由于建筑工程的施工環節、施工單位較多，所以各個部門之間的溝通和信息傳遞常存在不及時的情況，從而導致工期和工程的質量受到影響[1]。

建筑信息模型（BIM）技術以三維數字模型為基礎，集成了建筑項目全生命周期內的各種信息，為各方參與者提供了一個協同工作的平臺。通過應用BIM技術，可有效完成建筑工程整個生命周期（設計、施工、運行和維護）的信息共享和交互[2]，能夠在各個單位和企業中實現溝通和協同，以此提升建筑的施工效率、降低施工成本、縮短施工工期[3]。本文以辦公建筑項目為例，研究BIM技術在建筑工程設計和施工階段中的應用，分析其應用價值，為同行提供參考。

1 工程概況

某辦公建筑工程項目整體為9 層設計，建筑總面積為4068.25m2，樓梯總高度為28m，屬于剪力墻結構，抗震等級為3 級，建筑的使用年限為50a，耐火等級為2級，屋面防水等級為I級。

2 基于BIM技術的應用總體框架

建筑工程設計和施工管理是工程建設中的重要工作。當前的建筑設計通常是對建筑構件進行拆分和深化設計，當裝配精細化程度較高時，傳統的管理方式無法保證建筑信息的共享，會嚴重影響建筑的施工效率和施工質量[4]。該工程采用BIM 技術進行模塊化的設計方式，在優化工程各部位設計的同時，較好地完成各部位設計流程的串聯。基于BIM 技術的工程設計和施工階段的應用框架如圖1所示。

圖1 案例工程設計和施工階段的BIM技術應用框架

在該工程的BIM 技術總體應用框架中，利用BIM軟件Revit 進行建筑、結構、機電等專業的協同設計，實現數據共享和實時溝通，提高設計效率和質量。利用PKPM-BIM、HiBIM 和Navisworks-HiBIM 進行碰撞檢測、施工模擬和進度預測等，其可以與Revit 進行數據交互，進行施工模擬和優化，提前發現設計中的沖突和問題，避免施工中的變更和返工，實現施工資源的合理配置和動態調整。通過BIM 軟件的參數化建模功能，可有效完成建筑、結構、機電等各專業模型的快速創建和修改，實現其在施工階段的具體應用。

以該工程的初始設計圖紙為依據，構建工程對應BIM模型，結果如圖2所示。

完成該工程的模型構建后，對其設計、施工、管線布置以及工程量統計等步驟進行優化。通過BIM 模型的可視化模擬和自動模擬功能，可實現該工程的整體可視化和復雜結構施工自動模擬，呈現出整體的設計施工情況，有利于該工程不同施工部位的進度管理、質量管理、工程安全管理、成本管理以及建筑信息管理。

3 基于BIM技術的建筑工程設計框架

建筑工程的設計直接決定了其合理性以及后期的使用性能[5]。BIM 技術在該工程建筑設計中的應用框架如圖3所示。

圖3 基于BIM技術的工程設計框架

BIM 技術能夠完成整個建筑結構的深化設計，確保建筑工程設計方案的最優性。在設計階段，通過BIM 技術進行場地分析和方案規劃設計，并構建初步模型；然后利用BIM 技術進行施工圖紙的深化設計和優化，確保施工圖紙的準確性和可行性；在此基礎上，通過集成設計因子及各專業的協同，構建BIM 交付模型，最終完成BIM技術在建筑工程設計中的應用。

4 基于BIM技術的建筑工程施工進度管理

4.1 建筑工程施工進度管理

有效的施工進度管理對于建筑工程的施工效率、施工質量的提升具有重要意義。通過BIM 建筑模型對該工程的施工過程進行可視化模擬，掌握不同施工內容的施工進度情況，以便對各個施工內容進行及時調整，以此提升施工效率。該工程基于BIM 技術的施工進度管理流程如圖4所示。

圖4 基于BIM技術的工程施工進度管理流程

在該工程整體施工進度管理過程中，主要以構建的三維BIM 模型為基礎，引入時間參數后形成4D 施工進度管理模型，通過該模型完成施工進度的實時模擬，并結合現場實際施工情況進行模型更新，同時完成更新結果的可視化展示，從而全面掌握施工階段的詳細情況。

4.2 施工階段的工期預測方法

為進一步提升該工程施工進度管理階段的精準掌握程度，在BIM4D模型加入工期預測模型，通過二者的結合，實現該工程建設過程中工期進度的精準預測。

為保證該工程施工進度的預測精度，采用定量分析法的回歸預測模型作為施工進度預測模型；并在預測前，結合相關的建筑工程資源數據庫以及現場施工的相關數據，確定施工進度的影響因素，其主要分為一級因素和二級因素，各個因素詳情如表1所示。

表1 施工進度影響因素

回歸預測模型在對該工程施工進度進行預測時，將BIM模型中提供的工程實際進度信息，作為建筑施工工期預測所需數據，依據該數據完成后續工序的工期預測，分析施工進度的發展趨勢，并對工期進度的偏差進行分析，依據偏差結果對模型進行針對性調整。

如果現場施工過程中，各個工序的實際持續時間用Ti表示，其中i=1,2,……n；n表示建筑的施工工序數量，如果影響施工進度的因素數量為m，為保證工期預測結果，將影響因素確定至二級影響指標，測試工期預測回歸模型的公式為：

式中：λi——第i個影響因素的偏回歸系數；

μ——隨機誤差。

通過最小二乘法對各個影響因素的λi進行計算，基于此工期的預測結果計算公式為：

通過上述預測模型即可完成后續工期的預測，結合該預測結果和實際施工所需的人員、材料以及物資需求情況，進行相關資源的調度和分配，提升施工管理效果，有效縮短施工工期。

4.3 基于BIM技術的施工進度管理效果

為進一步分析BIM 技術在該工程施工進度管理中的應用效果，采用以下公式進行計算評價分析：

依據式（3）獲取本文方法應用后，各工序的施工進度預測結果和實際工期結果的吻合情況如圖5所示。

圖5 施工進度預測結果

依據圖5的測試結果可知：利用BIM技術對建筑工程施工階段工期進行預測后，預測結果和實際施工結果之間吻合程度較高。這說明上述方法應用效果較好，能夠精準掌握建筑工程施工工期的進度情況，為施工階段的管理提供可靠依據。

5 BIM技術在設計與施工階段的應用價值分析

5.1 設計階段

參數化設計：BIM 技術可以實現參數化設計，即構件的尺寸、形狀等屬性可以通過參數進行調整。大大提高了設計師的工作效率，使設計方案更加靈活和優化。

協同設計：BIM 技術將傳統二維設計圖紙轉化為三維可視化模型，不同專業的設計師可以在同一平臺上進行協同設計，實現信息的實時共享。這避免了傳統設計模式中的信息孤島問題，減少了設計沖突和錯誤。

碰撞檢測：BIM 技術可以進行碰撞檢測，提前發現設計中的沖突和問題。這有助于設計師及時進行調整，避免施工階段的變更和返工。

可視化設計：BIM技術可以將設計方案以三維可視化的形式展現出來，使設計師更加直觀地了解建筑的整體結構和空間關系。這有助于設計師更好地理解業主的需求，提高設計質量。

5.2 施工階段

施工模擬：通過BIM 技術，施工團隊可以在施工前進行施工模擬，預測施工過程中可能出現的問題，并制定相應的解決方案。這有助于優化施工方案，提高施工效率和質量。

材料設備管理：BIM模型可以包含材料設備的詳細信息，如規格、型號、數量等。施工團隊可以根據模型進行材料設備的采購、庫存和領用管理，實現材料設備的精細化管理。

進度管理：通過BIM技術，施工團隊可以實時監控施工進度，并與計劃進度進行對比。這有助于及時發現進度偏差，并采取相應措施進行調整，確保項目按時完成。

成本控制：BIM技術可以實現施工成本的估算和分析，實時監控施工的成本變化。這有助于施工團隊更好地控制成本，提高項目的經濟效益。

6 結束語

本文以辦公建筑工程項目為例，首先構建工程設計和施工階段的BIM應用框架，然后根據框架構建該工程的BIM 三維模型，并在模型中完成工程的建筑規劃、方案設計、施工方案設計、建筑結構構件設計以及建筑工程施工管理；同時結合回歸預測模型預測施工工期。實踐證明：BIM技術在建筑工程設計與施工階段中的應用價值主要體現在提高設計效率和準確性、優化設計方案、提高施工效率和質量、降低工程成本和風險等方面。同時，BIM 技術還有助于增強各方的溝通和協作能力，推動建筑行業向數字化、智能化方向發展。