BIM技术在建筑施工全过程中的应用

绪论BIM（BuildingInformationModeling）即建筑信息模型，是近几年来建筑行业提出的新理念，也是信息化技术手段的一大变革。住建部于《2011~2015建筑业信息化发展纲要》中表明：全面推进BIM技术在建设项目设计、施工阶段的广泛应用，促进BIM技术发展，并将其作为建筑行业信息化推广的重点，将4D管理模式运用于目前大型复杂化建筑项目施工进程当中，实现建筑工程可视化管理。近期，住建部副部长易军在BIM技术促进建筑产业现代化高层论坛发表讲话时，强调建筑产业现代化和BIM技术的推广应用是我国建筑业发展和改革的重要任务和目标，BIM技术应用是推进建筑业信息化的重要手段，为产业链贯通、工业化建造提供技术保障，谁掌握了BIM，谁就掌握了未来。随着我国经济的持续快速发展，城市化、工业化进程的不断加快，国家和地方政府十分重视建筑施工过程的建设，致力于扩建设规模，改进施工工艺，提高施工效率，这也导致建筑施工工程设计、施工管理难度越来越大，传统的以AutoCAD为主体的、以工程图纸为核心的设计施工管理模式不能满足高度复杂化的建筑施工工程的要求，急需寻找一些新的技术方法来取得新的进展。BIM技术的引入为解决这些问题提供了新的方向。BIM技术2.1BIM概念在建筑的规划、设计、施工、运维等各阶段的计算机辅助作业过程中，以信息传递标准来协调各阶段间信息的共享，以BIM实施标准来指导各工种作业及协同的工程方法，可通俗理解为：利用一系列的计算机辅助工具，以构件、部件、组件、族等基本工程对象为单位，对建筑工程的各阶段、各个场景进行综合管理，基于信息的生产、传递、分析，进行多工种实务协同作业的建筑过程。2.2BIM的主要特征2.2.1参数化参数化是BIM从CAD中脱颖而出的最鲜明的特征，基于参数化建模的模型拥有更加完整的信息。应用参数化这一特性构建的三维可视化模型是一个包含着项目所有构件属性的信息系统，且该模型能够根据变更内容变换属性，维持相互间的空间及逻辑关系。例如，在基于BIM技术的Structures软件中取消一个柱子，模型会自动重新量取梁和柱子的尺寸，自动设计其节点，然后模型内相关联的柱子及其内部结构会相应地自动调整。随着BIM技术的发展，模型应用的不断完善，生成模型所包含的参数已不仅仅是几何参数和拓扑参数，对于拟建对象的材料、性能、行为等属性，也可以添加到模型中，与之相适应的建模软件中的工具也必将由仅能处理几何特征提高到处理知识信息的新高度。2.2.2可视化可视化的本意是“所见即所得”，即易于看到并理解。对于建筑行业来说，可视化的运用是广泛的，但此处的可视化并不是经渲染或后处理过的效果图，而具有更多含义。BIM的可视化是一种能够同构件之间形成互动性和反馈性的可视，没有艺术处理的真实的建筑空间展现。建筑信息模型所展示的结果，是与建筑工程或实物的实际空间尺寸和构件属性严格统一的，在模型的可以达到的精度范围内，将所有设计缺陷都充分暴露出来，这也是BIM可视化的主要作用之一。利用此模型来发现工程设计及施工组织设计中潜在的问题，如业主的建设需求与建筑师设计结果之间的矛盾、建筑师创作构思中存在的缺陷问题、各专业设计在空间上存在的冲突问题以及对施工设计不当的问题等。在BIM环境里，建筑信息模型可视化的结果不仅仅局限于对成果的展示和汇报，更多体现在，在建设项目各个阶段中，为不同专业及不同参与方在项目建造在进行沟通、决策提供一个信息交流的平台。2.2.3数据交互性BIM与CAD的另一重大区别表现为：BIM技术在技术层面的能力，如应用系统或软件之间的数据互用，明显高于CAD。BIM是一个包含建筑项目各类信息的三维模型，但它不仅仅是一个模型，更多的是一个数据交互协调的平台，项目的参与方（包括政府、建设单位、设计方、施工方、运维机构方等）可以通过这一平台同外界进行信息的交换，具体表现在：政府部门借助该平台完成对各企业、项目的管理；建设单位借该平台完成资产管理和项目成果的评价；施工单位则侧重于在3D模型的基础上进行4D施工模拟、虚拟建设；运营单位关注的则是建设过程中对物业和资产的管理。2.3BIM技术的应用现状2.3.1设计机构BIM技术的提出，是CAD等设计软件的研发应用的结果。因此，BIM技术首先达到应用的领域是建筑设计。目前比较成熟的BIM软件，如Graphisoft公司的ArchiCAD，Bentley公司的TriFoma以及Autodesk公司的Revit，这些软件的应用过程雷同，主要是将建筑物实体和构件通过数字参数化设计，并将其作为设计元素，通过元素间的空间关系、功能联系的自动计算和反映，为设计师提供了发挥想象力的空间。BIM技术在建筑设计中应用，就是利用BIM软件，创建一个虚拟的建筑信息模型，包含实际建筑物中所有信息，这是设计的核心。在建筑信息模型中不仅仅是漂亮的3D渲染，也不仅仅标注详细的施工图，这些只是其中的一部分，它所包含的信息，可以应用于项目建设的全生命过程。2.3.2施工单位与设计机构不同，施工单位在BIM技术的应用中较为主动。分析其原因，一方面由于目前的施工建设现状下，施工企业的效率较低，每年超过30%的项目在实际施工过程需要返工。另一方面，由于施工企业的利润率较低，迫使他们急需寻找一种新的技术方法，降低施工成本，实现利润最大化。施工单位可直接利用设计单位提供的BIM信息模型，修改形成适用于施工阶段的实时模型，将施工计划与施工方案通过模型进行初步模拟，消除设计中隐藏的问题，优化施工进程，提高施工效率，减少窝工、返工的现象，降低由于工程变更造成人力、物资的浪费，从而达到提高利润的目的。目前，已有很多施工企业拥有自己的BIM团队，但实际应用仅停留在软件本身的应用上，随着BIM技术在施工阶段的应用发展，及其优势的不断展露，会有更多的企业使用BIM技术。BIM技术应用于建筑工程的必要性建筑施工工程，作为市政公用工程的有机组成之一，是城市基础设施的重要一环，为城市生产、生活的稳定有序进行，提供基础服务和保障。随着我国现代化城市的发展，建筑施工工程作为解决人口、经济发展等问题的关键，国家和政府十分重视市建筑施工工程建设质量及建筑施工效果。建筑施工工程的规模不断增大、建筑施工工艺更加繁杂，建筑施工工程施工规模、技术、管理难度也就越来越大。3.1建筑施工的现状分析3.1.1设计与施工信息传递过程中的偏差传统建筑施工的设计工作都是以CAD为操作平台，以平、立、剖面图等二维图纸的方式展现设计成果。设计人员通过绘制二维图形，加上各种尺寸标注，反映建筑物三维状态下的位置关系，可视化差，信息表达不准确，存在错误在所难免。在信息的传递过程中，设计师的三维设计理念通过二维图纸表达，施工方通过对二维图纸的理解进行三维建筑的施工，在这个过程中，经历了两次二、三维信息的转换，很容易出现设计师在二维设计时表达的偏差以及施工方对二维图纸的理解偏差，信息传递的偏差，若不能及时发现，必将导致施工过程中出现问题，甚至会导致问题扩大，阻碍施工进度的正常进行。3.1.2进度计划的抽象性传统的施工进度计划是通过网络计划图实现的，这也是工程项目进度管理最常用的工具，但通过以往实际工程的实施可以看到，该方法存在自身的局限性。首先，网络计划图运算过程比较复杂，需要耗费大量时间精力完成，且非专业认识理解起来比较困难，不利于进度计划与业主及施工方的交流。其次，通过网路计划图所表达的进度计划相对比较抽象，不能将整个项目的规划进度精确地表达出来，更不利于对实际工程施工情况的跟踪检查，不能对工程的变更及环境变化等突发情况进行及时的应变处理，调整优化复杂。最后，使用传统的施工进度管理工具，依靠经验确定逻辑关系，准确性收到极大的限制，即使有不合理之处，也难以发现。3.1.3建设过程管理不到位建筑施工的建设过程中，项目管理不到位主要体现在以下几点：首先是施工总体目标不明确，没有精确地分目标，不能系统的对施工过程进行指导和控制，从而导致施工的盲目性。其次是没有完善的施工计划，或者施工计划不够准确，导致施工过程中出现实际施工进度与材料进厂时间不相符等脱节问题，导致工期的滞后，或窝工浪费现象。人力、财力以及资源没有得到合理的分配，必将导致施工过程浪费大、工期长、效率低等问题的产生，严重影响施工质量。3.2BIM在建筑施工工程中的应用优势3.2.1深化设计应用BIM技术所创建的建筑信息模型并不是一个图形，它是一个包含着指定项目相关信息的完整的数据库。该数据库中包含建设项目所有构建的大小尺寸、数量、位置关系等一系列信息，通过这些参数化信息所表达出来的及时项目建成后的真实效果，通过该模型能够看到二维图纸不能表现的视觉角度和效果。在设计阶段创建的建筑信息模型上做施工图的优化设计，可以将数据库及视图进行双向联系，轻松得到平、立、剖面的图形，可根据需求选择不同位置的剖面图，对于模型中的非图形数据也可通过明细表进行统计，提高施工效率。3.2.2加强各专业的协同合作建筑施工工程设及多个专业，基础工程是多个部门协作完成的，在BIM技术中也是不同专业各自进行设计的，各专业设计的最终模型可通过相关应用软件，整合成一个整体，实现协同设计，从根本上改变过去通过文字及图纸表达设计意图的工作方式。软件通过对模型中不同专业之间的冲突进行碰撞检查，并进行修改以达到规定要求，避免了因协同问题造成的对工程进度的影响。3.2.3拥有强大的可视化虚拟功能可视化是BIM最直观的特点，BIM模型可视化的应用主要体现在两个方面：一是通过对施工进度的可视化模拟，及时发现进度计划中存在的问题，优化施工方案；二是通过可视化的建筑信息模型指导施工，尤其是对异形结构、预埋件等。三维可视化的建筑信息模型加上时间维度，形成4D模型进行虚拟施工。在4D模型中，在虚拟的环境中，可以准确的发现使用中可能存在的问题，从而优化施工方案计划，达到有效控制项目进度的目的。施工人员可以通过控制视图，全方位查看建筑内部构件的空间位置，不再局限于二维平立剖面图的二维表达，更加直观、准确，避免了施工错误造成的不必要的浪费。另外，施工企业通过4D模型在项目的招标投标中获得巨大的优势，他可以快速并直观的了解施工方对项目的理解和施工方法的一系列措施，并对施工单位作出更准确的评估。3.2.4从二维CAD到三维BIM设计利用二维图纸进行建筑设计，对设计师的空间想象能力要求比较高，设计师需要根据二维图纸想象建筑内部的结构特征。但是即使设计师能想象出建筑内部的结构也无妨将其以一种连续的方式展现在二维图纸上。但三维设计方式可以实现建筑工程项目三维立体展示的目标，利用BIM技术可以对建筑工程项目进行虚拟模拟，设计师可以对建筑工程项目有一个直观的了解，不需要再进行凭空的想象。同时，BIM技术不仅能展示建筑工程项目的空间结构，还能显示建筑工程项目使用的材料特性等具体内容，设计师可以根据自己的需要进行数据库访问，这样可以让设计人员对建筑工程项目有一个更加全面的了解。此外，BIM三维设计还能将较为复杂的几何结构以一种比较直观的方式展现出来，例如比较著名的国家大剧院、鸟巢体育场等都属于外观机构较为复杂的建筑，二维设计无法对其进行全面的展示，但BIM三维技术却能将设计的成果直接模拟出来，使人能直接看到建筑工程项目的效果。虽然，BIM三维设计方法能较为直观的展示建筑工程项目的几何空间结构，但这不是BIM技术唯一的功能特点，BIM技术还包括很多其它方面的数据信息，如建筑工程的材料、力学原理、物理性质等，这些非几何信息的存在使得BIM技术的功能变得更加强大，一些在二维设计中需要人工完成的任务就可以通过输入相关数据而自动生成，例如建筑施工需要使用的各种二维图纸。 BIM在工程施工及运营阶段的应用分析4.1BIM在工程施工阶段的应用分析4.1.1工程施工阶段的BIM应用分析1、在施工阶段应用BIM技术可以优化施工方案。利用BIM技术可以对施工阶段进行四维处理。不仅包括三维几何立体坐标轴，还包括时间轴，即进度计划。通过四维应用可以对从月、季度、周、天等时间段对施工进度计划进行分析，并可以根据施工现场实际情况进行相应的调整，从中寻找最优的施工方案。此外，还可以对施工过程中的重点项目内容和难点项目内容进行模拟演练，从而选择最优的施工顺序和施工工艺，使得整体的施工方案更加完善；2、在施工阶段应用BIM技术可以实现虚拟施工的目标。虚拟施工过程对于整个施工阶段而言具有重要的价值。一方面可以通过虚拟了解到真实施工过程进展的情况，从而判断计划是否合理；另一方面利用BIM技术的协同能使项目参与方面全面了解建筑工程项目的情况和存在的问题。无论是监理单位、施工单位还是业主都能进行信息共享，确保彼此之间信息的对称性。从而减少摩擦和矛盾；3、在施工阶段应用BIM技术可以进行三维动画渲染。业主在进行建筑产品销售时由于建筑工程还没有完工，需要使用三维动画手段虚拟建筑工程项目，但这些三维动画效果都是经过渲染的，主要目的是为了吸引客户。但是在没有素材的情况下，创建三维动画是一个比较困难的过程，即使制作完成的三维动画效果也很难使业主满意。而且进行广告宣传还需要大量的投入，如果不能起到预期的效果，宣传工作就是无效的。BIM三维技术包括大量建筑工程项目的真实数据，为广告公司制作三维动画提供有用的素材，从而使得制作出的三维动画效果更能真实地反映建筑工程项目的实际情况；4、在施工阶段应用BIM技术可以进行模型校验。BIM三维技术将建筑工程项目的实际情况如实地反映在计算机中，通过虚拟结果和实际工程的对比能及时发现其中存在的偏差，便于对建筑工程项目进行校验。此外，业主还将更加直观的看到建筑工程项目的效果图，便于业主对建筑工程项目做出调整。4.1.2在工程施工阶段应用BIM技术的益处1、在施工阶段应用BIM技术可以进行碰撞检查。在传统的二维CAD设计方法中，各个专业的图纸都是进行独立进行设计的，在施工开始前由总工程师进行检查核对，发现其中存在问题。这种人工检查的方法存在很大的偏差性，同时也会浪费大量的时间和精力，建筑工程施工对于工期有着严格的要求，这种检查方式必然会影响建筑工程项目完工的日期。在施工过程中，最怕遇到设备管线碰撞的问题，这个问题一旦发生视情况的而定，可能需要重新进行部分安装也可能需要全部重新安装，不仅会耽误工期，同时还会造成严重的经济损失。在施工阶段应用BIM技术可以有效避免这种现象的发生，BIM技术具有碰撞检查的功能，能在设计阶段就发现管线碰撞的问题，并给出解决方案，从而有效减少工程施工阶段因管线碰撞问题而导致的损失；2、在施工阶段使用BIM技术可以进行施工规划调整。BIM技术可以实现对施工阶段进行量化管理的目标，能根据现场的实际情况进行工程评估，制定新的施工规划方案；3、在施工阶段使用BIM技术可以有效避免重大失误的发生。通过对建筑工程项目的虚拟，在施工之前就可以清楚地掌握各个阶段施工的情况，及时预见一些问题的发生，并在设计阶段就采取解决措施，避免影响施工过程。此外，在施工的过程中，使用三维施工图便于施工人员更好地解读图纸信息，可以避免对图纸信息理解错误的现象；4、在施工阶段使用BIM技术可以实现零库存的目标。零库存概念本是工业生产过程中使用的名词，以往的建筑工程管理过程中由于对现场材料管理工作的不到位很难实现零库存的目标。但通过应用BIM技术，可以对施工过程进行五维管理，实现零库存的目标，从而最大限度地保护业主的经济利益。4.2BIM技术在工程造价管理中的应用分析1、在工程造价管理中使用BIM技术是为了早日进入过程管控时代。现在应用范围比较广的工程造价管理方法还是传统型的，这种造价管理方式要在工程项目完工后才能对整个工程项目有一个比较全面地了解，从而使得工程造价的准确性难以保证，经常会出现业主和施工单位因工程款问题而闹上法庭的事件。在工程造价管理中应用BIM技术可以更好地进行风险管理控制，实现工程造价精细化管理的目标，从而使得工程造价管理早日进入过程管控的时代；2、在工程造价管理中应用BIM技术能随时访问工程数据信息，确保相关信息的准确性。工程造价管理进入到过程管控的时代，需要有先进的数据系统做支撑，必须能准确地获得和工程相关的数据信息。BIM技术本身就是信息化的一种手段，有容量庞大的数据库，能储存建筑工程项目全生命周期中的所有数据信息，也可以让项目参与方对数据进行访问。因此，将BIM技术应用于工程造价管理中可以确保获取信息的准确性和及时性；3、BIM技术日趋成熟。BIM技术核心就是以计算机技术为依托的具有三维模型的数据库。这个数据库不仅能存储大量的数据信息，同时还可以利用模型实现数据信息的动态变化，即修改任何一个数据都会引起相关数据的变化。随着BIM技术的发展，相关方面的软件技术也有了很大的进步和发展，工程造价软件就是其中之一。将BIM应用于工程造价软件设计中，改变了传统工程造价软件静态的特性，使其也能随着数据信息的变化进行不断调整，实现了工程造价软件动态化发展的目标。4.3施工过程模拟实现3D建筑信息模型是实现虚拟施工的基础，通过使用相关的BIM应用软件，结合部分编程，实现全面、准确的建筑工程施工过程的模拟。本节中拟采用Navisworks软件，用于实现虚拟施工进度的BIM技术应用。实时4D模型创建的具体方法：Revit平台完成的3D模型，通过Revit中外部工具导出至Nviswoks软件中，同时导入详细的施工进度计划，将施工任务包含的结构内容创建集合，附着到任务中，并与施工进度计划进行关联，结合Navisworks虚拟动画工具即可实现施工过程三维模拟。4.3.1模拟施工进程1.建立施工进度计划由于污水处理工程建设项目规模较大，且施工过程较为复杂，需要专业施工人员根据经验将整个项目分解为一个个的基本单元，利用Project软件进行施工进度计划的编制，通过施工经验估算任务的工期以及不同任务之间的关联关系，形成施工进度计划的甘特图。使用Navisworks软件中的Timeliner工具，将进度任务导入Navisworks平台，即可为3D建筑信息模型添加时间信息。2.创建选择集使用Navisworks中的Timeline功能，将进度计划中个基本单元所包含的构件创建为选择集，并附着到对应的任务名称中，完成进度信息与模型的关联，即可完成施工进度的模拟。在4D模型中，通过定义每道工序甚至每个构件的作业时间，能够把任意时间点的工程进展情况展现出来，方便项目经理向各作业班组人员布置进一步工作任务，并与计划进度作对比，随时掌握进度偏差，发现进度计划中的问题，从而及时调整方案，合理安排人工、材料、机械等资源，确保按期完成任务。4.3.2虚拟施工进度过程中存在的问题通过对BIM三维模型应用于碰撞检查及施工进度控制等方面的实际案例操作，总结了一些经验和建议如下：（1）对碰撞结果进行修改时，可通过Navisworks自带的返回功能，返回到Revit模型中进行修改，进行此操作是必须保证该原模型Revit文件被打开，且该文件只能是导出到Navisworks的模型原始文件。（2）创建模型时各结构的名称属性，将显示在选择树中，结构的命名是否准确直观，将直接影响选择集的创建速度。因此，在建模过程中，应尽可能将结构信息表达在名称中，如墙体分为外墙和内墙，墙体位置、厚度也不同，因此在命名时可将信息进行综合，如“建筑-内墙-200mm”，通过名称即可得到需要的信息，在创建选择集中，可根据进度计划，直接选择，而避免了比对模型中浪费的时间和精力。对于内部结构复杂的水处理构筑物，该命名方法显得尤为重要。（3）由于个人专业能力的限制及建模水平有限，创建的模型比较粗糙，对施工进度计划的制定不够专业，使模型施工仿真结果不够细腻，在此仅作为辅助工具进行应用介绍，希望在以后的学习研究中能够继续改进和提高。4.4BIM模型在建筑施工其他方面的应用4.4.1施工图提取在建筑工程中，为表达建设内容，必然需要大量图纸，部分建筑工程的复杂程度很高，无形中增加了施工过程中识图的难度。建筑施工工程中每个工艺环节对应一个或多个单体结构，每个单体的结构复杂且总类繁多，且涉及多专业工程，各工序在空间立体交叉，仅靠传统二维图纸很难对设计意图进行详细的解释，无法保证工程师在图纸的理解、设计的纠错、工程量的计算等方面工作上拥有足够的准确性和效率性。针对以上问题，应用BIM技术所创建的3D建筑信息模型，能够更加直观、高效地进行信息的传递，最大程度的减少各专业间的协调错误。通过将二维设计进行具象化处理，可以呈现出的不同视角的可视化信息模型，帮助施工人员准确的理解设计内容。利用软件的“剖图框”工具，可以将构筑物模型从任何角度进行剖切。通过对内部结构的展示，能够直接查询内部孔洞、设备基础及预埋件等附属构件的位置，为施工带来极大的便利，同时也方便了对构筑物的检查、复核工作。4.4.2工程量统计BIM技术不仅改变了传统的设计、施工模式，也影响着建筑工程的全生命周期的管理模式。由于污水处理工程具有结构复杂、工程量大、设备种类繁多、投资较大等特点，无形中提高了工程数量计算的难度。传统的工程量计算主要以手工算量为主，利用excel作为辅助工具，造价人员在大量二维图纸的基础上进行人工统计，需要花费大量时间去核实各种结构的数量表。BIM技术所创建的参数化的模型，在建模的同时通过大量参数对各个构件结构进行约束，如构件的尺寸、型号和材料等，且每个模型都是通过BIM技术在可视化的环境中进行反复修改、优化的成果，因此，利用BIM技术能有效的提高材料、设备的统计的准确率。Revit软件自带工程量计算功能，对于统计个数工程量，只要模型中表达准确就能进行统计，而对于以面积、体积、质量为统计单位的工程量，则需要用户在建模过程进行相关参数的设置，即可在工程量统计中直接提取，形成单独的明细表。利用建筑信息模型，也可直接导出工程预算和物资计划数据表，避免了传统手工算量方式中根据平面图纸按比例测算、分步累加的不足，保证了计算的准确性，提高了工作效率。结论基于BIM技术在建筑筑行业应用的的迅速发展，为为解决建筑工工程建设现状状中存在的问问题，本文提提出了将BIM技术引入建建筑施工工程程的理念，并并探讨建筑施施工BIM模型的构建建方法及其在在施工阶段具具体应用。首首先介绍了BIM技术的概念念、特点，通通过对相关软软件的了解，选选出适用于与与本次建模的的核心建模软软件及应用软软件；其次，在在构筑物建筑筑信息模型基基础上，利用用Navissworkss软件进行不不同专业间的的碰撞检查，并并将进度信息息导入优化后后的模型，形形成4D进度模性，虚虚拟施工进度度，实现可视视化施工进度度管理。通过对建筑筑施工工程建建设工程与建建筑工程特点点的对比，提提出了不同于于建筑工程的的建模方式—拆分建模，并并分别从理论论与实践两方方面，分析了了该建模方