《BIM在施工的应用研究【论文】》

PAGE27BIM在施工建筑质量控制的应用研究102311.绪论 59071.1研究背景和意义 582951.1.1研究背景 5276431.1.2研究意义 6204671.2本文的框架结构 721462.相关理论概述 8186252.1建设工程施工质量控制的定义及特点 8180582.2BIM技术概念与特点 9237293.传统施工质量控制与BIM在施工建筑质量控制的应用 10182193.1传统施工质量控制在环境的因素方面的缺陷 10119343.1.1施工单位项目经理协调工作量过大 13149933.1.2缺少统筹安排者 13273923.2基于BIM技术的施工质量控制体系的建立 14192743.2.1减轻项目经理工作压力 15190373.2.2具有统筹协调能力，能对建设单位的控制提供帮助 15202913.3基于BIM技术的施工质量控制优化措施 17215994基于BIM技术的专项施工实施方案 19315074.1运用BIM技术建立场地模型 22206254.2制作施工模拟3D动画 22287285.结论与展望 24312475.1结论 2416795.2展望 2630129参考文献 27

1.绪论1.1研究背景和意义1.1.1研究背景近年来，房地产行业带动着国家经济的发展，使得建筑业逐渐成为中国国民经济的支柱产业[1]。为了满足人们生活便利性的要求，促进社会和谐平稳的发展，政府近年来在不断完善城市配套公共建筑的建设工作。大型的公共建筑有繁杂的外部造型以及丰富的使用功能导致在施工质量控制时的管理难度直线上升。施工质量控制是建设工程项目三大主要控制因素之一，在控制过程中任何一个环节上出现的失误都会对项目造成严重地影响：轻则造成无端的经济浪费重则发生人民伤亡事件造成恶劣的社会影响。建筑业信息化纲要的提出也就证明了政府部门也意识到目前的施工质量控制方法存在着一些无法克服的弊端，在建筑行业飞速发展之下传统的施工质量控制方式已经渐渐显出疲态，无法满足现代建筑行业对施工质量控制的要求。现阶段迫切需要一种有效的现代化施工质量控制方法对工程施工质量进行控制，以提高施工质量控制效果降低施工风险。建筑信息模型（BIM）技术的出现解决这个迫在眉睫的难题，基于BIM技术的三维信息模型、信息管理平台等技术完美地解决了用传统质量控制管理方法束手无策的施工质量控制难题，提高施工质量控制效果[2]。由此得知，BIM技术正在给整个建筑行业的施工质量控制带来一场前所未有的变革。1.1.2研究意义BIM技术作为《2016-2020建筑业信息化发展纲要》中重点突出引领建筑行业信息化的新型技术，它有利于质量的控制[3]。BIM技术的可视性、协调性、优化性等特点，这些特点使得繁琐的施工质量控制的目标可以进行更细致的工作分解结构（WBS）。使得管理者在决策问题时更有理有据、思路清晰、判断准确，在执行生产任务安排时依据充分，提升管理人员在施工质量控制方面的工作效率。虽然我国将BIM技术引入建设工程管理后产生了明显的经济收益，其效果也得到社会的广泛认可，目前我国将BIM技术运用于施工质量控制上的程度和深度依然比不上发达国家，使得我国BIM技术与施工质量控制无法完美结合，无法达到我国现代管理者对施工质量控制的要求。所以如何将BIM技术充分、合理地运用到施工质量控制上以更好保证施工质量成为当今建筑管理人员都十分关心的问题[4]。本文希望从建筑项目施工质量控制的实际案例出发，通过分析传统施工质量控制的缺陷使从业管理者清楚地认识到传统施工质量控制方法所存在的问题，从建筑基于BIM技术的施工质量控制的实际运用情况中得到启发，对于提高建筑工程施工质量控制效果具有借鉴意义。1.2本文的框架结构第1章介绍基于BIM技术的施工质量控制研究背景及意义。归纳国内外针对施工质量控制的研究现状、基于BIM技术的施工质量控制的研究现状以及目前运用情况。总结本文主要使用的研究方法和设计本文的技术路线图。第2章阐述施工质量控制定义和特点以及BIM技术的基本概念、特点和优势。整理施工质量控制理论以及控制方法，最后简要分析BIM技术的优势与价值。第3章通过对传统的施工质量控制的缺陷分析，提出了基于BIM技术的改进方案，并对改进后的施工质量管理的绩效进行了分析，展现了BIM技术在施工质量管理的应用价值。第4章总结了BIM技术在本案例应用中存在的障碍和不足，并提出了改进的对策和建议。第5章结论与展望。对全文研究内容和研究结果进行总结，并提出有待进一步深入探讨的问题。

2.相关理论概述2.1建设工程施工质量控制的定义及特点建设工程施工质量控制是指政府质量监督机构、业主、设计单位、监理单位对施工承包单位正在实施生产的建设工程项目进行质量管理控制，最终使得工程项目通过国家质量检测的过程。建设工程项目特点非常鲜明，其特殊的生产过程导致其不同于其他类产品的特性：（1）不可逆性。建设工程中部分施工工序即使在验收过程中查出质量问题，也只能进行纠偏处理，不可能回到原始状态重新开始生产[5]。（2）不可重复性。每个建设项目都一定会受到项目本身独特的环境、地质等因素的影响，只能单独设计生产。（3）影响因素多。影响建设工程质量的因素有：实施者的能力、工程设备的好坏、材料规格品质的高低、自然环境的优劣，勘察、设计、施工所采用的技术方法合理等。（4）及时参与性。在工程项目建设过程中，分部分项工程交接中会含有大量的隐蔽工程，若不及时进行质量检查待其隐蔽后现场管理人员就只能进行简单表面观察，这样很难发现内在的质量问题。因此严格控制每道工序和中间产品的质量才能保证最终产品的质量。（5）过程控制要求高。在施工质量控制的验收流程是上道工序未验收合格，必须进行整改或者返工，合格后方能进行下道工序，每道分项工程都必须达到要求质量要求项目才能继续推进，这是多重检查，多次校核的控制过程[6]。2.2BIM技术概念与特点1975年，美国的乔治亚理工大学的Eastman博士（BIM之父）提出的，他认为将建筑工程项目可视化和量化将提高整体建筑质量[7]。2002年JerryLaiserin对BIM的内涵和外延进行界定并把BIM一次推广流传。建筑信息模型概念就是将建筑工程中图形与非图形信息整合于数据模型中，用于建筑的全生命周期中。图2.1项目全生命周期阶段划分BIM是一个以三维数字技术为基础的完善信息模型，此模型集成各个阶段的相关信息的数据模型，所以它能准确表述工程项目在全生命周期中任意不同阶段的信息，同时BIM技术的支持信息共享，它将信息纳入模型后形成共享数据平台。（1）优化性。BIM提供了项目在整个生命周期过程中不断优化的依据，主要表现在项目方案优化和设计优化。在方案阶段，BIM可将方案设计、项目管理、施工质量等方面有机地联系起来通过计算不同的方案后给建设方一个科学的决策数据，从而保证决策和方案都是最合理的。（2）可出图性。BIM的图纸是通过对建筑物进行了可视化展示、协调、模拟、优化以后，再出图，现阶段以下三个图纸出得比较多：综合管线图；综合结构留洞图；碰撞检查侦错报告和建议改进方案。（3）资源整合管理性。BIM的资源整合性主要在BIM技术平台上体现，在BIM的模型建立过程中，会将信息反馈至信息平台里，每次图纸变动，现在的变动都能储存在其中有利于技术管理人员随时查阅，有利于施工质量控制，也有利于后期验收时候的细节回忆[8]。3.传统施工质量控制与BIM在施工建筑质量控制的应用3.1传统施工质量控制在环境的因素方面的缺陷环境的因素是指对工程质量特性起重要作用的环境，包括：工程技术环境，工程作业环境，工程管理环境，周边环境等。环境条件往往对工程质量产生特定的影响。质量控制体系与质量控制工作流程属于工程管理环境。传统的工程承包形式有很多种，其中较为常见的是：工程总承包模式、项目管理承包模式、设计-施工总承包模式、平行发包模式、施工管理承包模式、建造-运营-移交模式、公共部门与私人企业合作模式（PPP）[9]。武汉市Z建筑项目是由政府财政全款投资建设的办公、医疗的综合楼项目，其建设单位是政府医疗机构的职能部，项目可行性研究批复、立项早在2014年6月就已经办理完成，该项目定于2017年9月开工，工期730天。从以上情况分析，武汉市Z建筑项目是一项计划已久、资金准备充分、工期较为充裕的项目，建设单位对工程专业了解不深，且武汉市Z建筑项目是不盈利的公共建筑。故需要专门单位代表建设单位负责工程的全过程控制，因此平行发包模式、施工管理承包模式、建造-运营-移交模式、公共部门与人企业合作模式都不适用于武汉市Z建筑项目，如果采用传统质量控制模式，项目承包管理模式是与项目特点匹配的唯一可行的模式。项目管理承包模式是指管理承包商代表建设单位对工程项目进行全过程项目管理，包括工程整体规划、项目定义、工程招标、选择设计单位和施工单位，并对设计、采购、施工、试运行进行全面管理。项目管理承包模式是在最原始五方责任主体（建设方、勘察放、设计方、施工方、监理方）的基础上，由于建设单位非工程专业机构不能很好地管理项目建设而进行的一次改进，引进了代建单位这个专业的工程管理公司代表建设单位管理项目。从项目现场的质量控制而言，充分发挥管理技术人员在项目管理上的专业技能，统一协调和管理项目在设计与施工间的矛盾，有利于资金投资的节省使项目成本降到最低，减轻了建设单位不少的压力，从武汉市Z建筑项目的实际情况出发，项目管理承包模式是完全符合武汉市Z建筑项目建设的种种要求，故武汉市Z建筑项目采取的是项目管理承包模式，其传统的施工质量控制体系布置如图3-1。图3.1传统的施工质量控制体系结构图从传统的施工质量控制体系结构图上可以得知，其运行缺陷有以下两点：3.1.1施工单位项目经理协调工作量过大施工单位项目经理是连接场地内部和场地外部的核心枢纽。对于除施工单位以外的其他参建单位，项目经理是所有信息的接收者，所有要求或者反馈的需求都是由项目经理进行传达。对于施工单位项目部他是所有施工安排与要求的发起者，对施工质量起到决定性的作用。但是采用传统的施工质量控制体系也就意味着项目经理必须花费大量的时间去协调和传达问题，这样分散了项目经理的精力不利于施工质量控制。3.1.2缺少统筹安排者传统的施工质量控制体系所有的命令都是建设单位向其他参建单位发送。建设单位不是专业的房地产开发商不能执行项目施工质量控制工作，在很多情况下它需要一个能给予意见的组织帮助自己管理项目建设，否则面临复杂节点控制时极易出现施工质量控制混乱的风险。由于施工质量控制体系的不足导致施工质量控制工作流程的不合理。在传统的施工质量控制体系其工作流程中规定：若在施工编写方案过程中或是尚未正式进行施工前发现问题，施工单位将通知其他参建单位以图纸会审的形式上报设计院解决，通过各参建方的协商将问题以最小代价解决掉[10]；若问题发现在施工过程中且问题产生原因是施工工艺控制不当，施工单位会采取自检并整改的形式解决问题，若发现非施工工艺所造成的问题施工单位必须在业主单位的监督下与设计师沟通达成一致意见后施工整改；若问题发现在施工完成后的验收过程中，监理单位、代建单位会通过器具对施工质量结果进行检测评估，将产生的问题上报设计院后重新设计出图整改。3.2基于BIM技术的施工质量控制体系的建立BIM信息管理平台是将BIM信息模型与互联网技术进行融合，它的出现彻底地解决了目前传统施工质量控制提的缺陷，产生了基于BIM技术的施工质量控制体系。基于BIM技术的施工质量控制体系与之前传统的施工质量控制体系结构比较，最明显的区别是在体系结构中增加了一个名为“BIM信息管理平台”的组织[11]。（图3.2基础BIM技术的施工质量控制体系结构图）图3.2基于BIM技术的施工质量控制体系结构图针对传统施工质量控制体系而言，基于BIM技术的施工质量控制体系完美地改善了其缺点，更符合建筑的施工质量控制要求：3.2.1减轻项目经理工作压力传统的施工质量控制体系中项目经理整个质量控制的核心枢纽，他在整个施工质量控制过程中起着信息传递、协调、安排生产任务的职责。在基于BIM技术的施工质量控制体系中使用BIM信息管理平台网络技术完成传递和协调的工作减轻项目经理的工作负担，以保证生产任务的顺利进行。3.2.2具有统筹协调能力，能对建设单位的控制提供帮助BIM信息管理平台中存有整个项目周期的全部信息，这些信息反映了各个参建单位在每个时间节点需要完成的工作进度和工作要求，建设单位可以根据这些信息统筹安排现场的施工情况，控制施工质量。当参建单位需要协调某件事情时，运用信息平台的网络技术可以最快速度联系各个参见单位同时在平台中调出BIM信息模型，确保最快速度解决问题。由于基于BIM技术的施工质量控制的体系的改变使得整个施工质量控制工作流程也产生了重大的影响[12]。在施工前准备阶段，设计单位和施工单位将建筑信息输入BIM信息管理平台的模型中，使用BIM技术的三维模拟技术对施工方案模拟或者用于施工图纸的深化设计。在这些准备工作完成后，施工单位可以使用BIM技术的深化成果对即将入场的施工班组进行更为详细的技术交底，通过三维动态模拟施工过程并直观地告知在施工阶段中将会遇到的施工重点与难点。在此过程中发现图纸或者施工方面的技术问题，可以及时将问题反馈到BIM信息管理平台上通过网络联系其他技术单位协商解决问题。在施工过程中或者在完成施工阶段后发现问题，现场管理者会将产生的问题及时反馈到BIM信息管理平台，使用BIM技术模型中数据储存的功能进行查证找寻问题所产生的原因。若是施工工艺或者是使用材料等施工质量控制不足所产生的问题则施工单位将会按照原图纸内容进行整改，监理单位进行质量控制确保最后施工质量能满足图纸上的要求。若是由于施工图纸存在问题导致的质量控制事故，则管理者将通过BIM信息管理平台的网络系统联系代建单位，由代建单位向设计单位下达指令修改图纸，并按照新的图纸内容进行整改[13]。（图3.3基于BIM技术的施工质量控制工作流程图）图3.3基于BIM技术的施工质量控制工作流程图3.3基于BIM技术的施工质量控制优化措施相较于传统的施工质量控制流程，基于BIM技术的施工质量控制工作流程在以下方面改进了质量控制工作：（1）提升事前发现问题时协商效率。在施工前发现问题，需要联系技术单位共同协商解决问题。基于BIM技术的施工质量控制流程能运用网络技术最快速联系相关单位，储存记录过程和结果。其他非技术单位可以直接根据模型和记录查看问题大量减少理解问题时间，优化解决问题的速度。（2）其次缩短处理问题的流程过长。传统施工质量控制在记录问题解决问题采文本函件形式记录问题，其目的是为后期查证验收留下痕迹[15]。BIM信息管理平台在解决问题的过程中可以记录数据同时参见单位可以在网上进行批阅，节省了函件书写、传送以及审批等繁琐的流程，为施工质量控制提供良好的环境。最后加强施工单位和设计单位之间的联动性。BIM信息管理平台在施工准备阶段为施工单位和设计单位之间提供一条更顺速的沟通途径，可以及时沟通任何问题。由于BIM信息管理平台是任何参建单位都可以使用管理平台具有公开性，所以不违反施工单位不得私下与设计院联系的规定。4基于BIM技术的专项施工实施方案专项施工方案是施工单位对针对施工质量控制困难、施工过程危险且一旦质量失控将会影响到工人生命安全而编制的特殊指导方案。其中主要包括技术方案（进度安排、关键技术预案、重大施工步骤预案）、安全方案（安全总体要求、施工危险因素分析、安全措施、重大施工步骤安全预案）、材料供应方案（材料供应流程、接保检流程、临时材料采购流程）等。基于BIM技术的施工模拟技术在专项施工方案的编制过程中可以提前对施工方案的技术方案部分的施工进度、关键技术预案、重大施工步骤预案提前进行施工模拟，通过所获得的数据对整个施工方案的可行性和合理性进行分析，找到方案中存在的问题为施工质量控制提供可靠的保证。下面我们以武汉市Z建筑项目基坑土方开挖为例，展示BIM技术在专项施工实施方案中的运用情况。武汉市Z建筑项目配有两层地下室，用作地下室车库。现在计划武汉市Z建筑项目的地下室开始施工准备进行基坑开挖，施工单位编制基坑专项施工实施方案如下：武汉市Z建筑项目工程位于武汉市XX大道。建筑由一栋15层主楼及2层地下室组成。基坑开挖面积约为8800㎡，周长约为380米。基坑重要性等级：一级。基坑设计地面标高约为20.0m~21.0m，基坑开挖深度约为11m。本工程土方量约为96800m³，计划分4各区域，2轮施工。第一次开挖：支撑梁施工前卸土阶段。开挖深度：约3.0m，土方外运约为26400m³，计划工期8天，计划日出土量约为3300m³。第二次开挖：支撑梁底层至底板垫层底。（含主楼基础及地下室承台和地梁等）其中分为三个施工段每次开挖深度为3m、3m、2m。第一段开挖深度：约3.0m，土方外运约为26400m³，计划工期8天，计划日出土量约为3300m³。第二段开挖深度：约3.0m，土方外运约为26400m³，计划工期8天，计划日出土量约为3300m³。第三段开挖深度：约2.0m，土方外运约为17600m³，计划工期6天，计划日出土量约为2950m³。一次性投入挖掘机数量公式：Ni=QiK/qixTi，其中Qi需完成的工作量；K由于土被抓出放置土会变蓬松的不均衡系数，取1.15[14]；qi每台挖机一天的产量，取800m³/天；Ti机械使用效率，1/Ti取1.09。第一次开挖投入挖掘机数量计算：N1=3300x1.15/800x1.09=[5.17]=6台。第二次第一段、第二段开挖投入挖掘机数量计算：N2、3=3300x1.15/800x1.09=[5.17]=6台。第二次第三段开挖投入挖掘机数量计算[15]：N4=2950x1.15/800x1.09=[4.6]=5台。依据计算得出基坑分层开挖时间节点表（表4-1武汉市Z建筑项目基坑分层开挖时间节点表）表4.1武汉市Z建筑项目基坑分层开挖时间节点表序号土层开挖层次计划开工时间计划完工时间施工天数备注1第一层2017.11.012017.11.0886台挖机2第二层第一段2017.12.182017.12.2586台挖机3第二层第二段2017.12.262018.01.0286台挖机4第二层第三段2018.01.032018.01.0865台挖机施工单位计划将整个基坑分成6个区域，在同一层的施工中先对东侧的四、五、六区开始施工，然后对一、二、三区域施工。在西侧的二区进行放坡，坡宽为1.5m，放坡系数k=1/3用于挖掘机和运土车上下基坑。武汉市Z建筑项目，为了保证基坑施工质量和效率，施工单位在编写完此施工方案后就上传到“BIM总监与协作平台”，希望运用BIM技术对此施工方案把关，看此施工方案是否合理，此提议得到了建设单位的支持，BIM总监接到建设单位要求后安排BIM工程师对此施工方案进行模拟，过程如下：4.1运用BIM技术建立场地模型施工单位用全站仪将现场土方的高程测量完毕后用电子文本的形式记录下来，将场地高程点坐标文件导入BIM的Revit系列（三维建模模块）模块中，使用场地选项建立场地表面模型。然后通过测量的坐标确定出基坑的位置并在CAD平面图上标出，建立工程桩模型并按照施工现场的实际位置和埋深参数布置在模型中创建出项目基坑模型，在基坑模型中按照现场施工通过BIM技术的Revit模块的体量功能，创建挖掘机模型并设置每台挖掘机的工作区域[16]。基坑内的土方是采用楼板的形式在模型中建立，楼板的材质选为土层，然后用于实际土方开挖顺序逆向建立模型，模型大致完成。4.2制作施工模拟3D动画将基坑分层开挖时间节点表录入，具体的土方开挖工作可以表细化到相对应哪层（哪块）的土方上，并将土方的任务类型调制为“拆除”，导入BIM相应模块中，按照时间节点录入后相当于在三维模型中加入时间这个维度，通过3D渲染后施工模拟基本完成。（如图4.1，施工模拟动画截图）图4.1施工模拟动画截图在施工单位与BIM总监充分的沟通后完成了施工模拟动画的制作，在观看施工动画后发现了此施工方案的问题：分层开挖场区划分有问题。武汉市Z建筑项目基坑深度为11m，放坡系数k=1/3，也就是说在基坑底此坡长度为33m。根据施工动画模拟在一区与二区和二区与三区相交的位置会有挖掘机施工打搅和车辆转弯半径不够的情况出现。基坑底部施工时没有保护工程桩的措施。武汉市Z建筑项目的工程桩采用的成品管桩，桩顶距离基坑底部位置十分近，用挖机会破坏管桩的稳定性对质量造成影响[17]。武汉市Z建筑项目按照BIM工程师提出的意见，在原施工方案的基础上进行修改，对施工场区布置重新编制按照先施工三、四区在施工一、二区，并在方案后增加一条“用挖机开挖到距离基坑底300mm土层，进行人工开挖”。此方案修改完毕后很快得到了监理和代建单位的同意，施工单位开始施工，在基坑施工完成后发现，武汉市Z建筑项目采用BIM技术施工模拟后的修改方案，不仅由于挖掘机在下面施工没有大的打搅情况工期缩短了5个工作日，而且在工程桩验收中，没有发现因为使用挖掘机挖土扰动工程桩，导致工程桩顶摩擦力不够的情况，保证了施工质量。5个工作日的宽松也为后期施工进度打下良好基础，减小抢工风险。在此次基坑开挖方法的模拟过程中，BIM技术实现了在三维可视图的基础上附加时间维度形成四维模拟施工，BIM技术的这一特性可以用于建筑过程的其他许多分项工程中（例如：钢筋工程、模板工程等）对项目中施工方案进行模拟。四维模拟施工可以确定这些分项工程中各项细小的具体工作的开展顺序、持续时间以及相互关系，对项目现场施工进行技术指导从而保证施工质量。5.结论与展望5.1结论随着建筑业的不断发展，建设工程项目对施工质量要求也在逐步提升，继续使用传统的施工质量控制方法已经不能满足人们对工程项目施工质量的要求。传统的施工质量控制方法有以下三大主要问题：施工质量控制体系以及其工作流程有缺陷、使用的软件工具落后、对工人职业素质和整体组织结构没有帮助。为了能满足现代建筑的施工质量的要求，建筑从业管理者需要使用一种新的方式、新的工具用于改善传统的施工质量控制方法所存在的问题。基于BIM技术的信息管理平台和三维可视模拟技术弥补了传统的设计软件CAD的缺点，BIM与CAD最大的不同有两点：第一更加智能，信息表述更清晰全面。它可以进行三维碰撞检测以及施工模拟，并用三维效果将问题展示出来；第二沟通更便利，消息传递更快。它提供BIM信息共享平台，使得各个管理人员在任意时候都能查询自己需要的数据。目前而言，BIM技术在我国建筑行业中的运用还仅处于起步阶段，BIM技术软件还不全面，从业人员相关的技术力量薄弱，使得目前阶段还没有达到将BIM技术全面运用的施工质量控制的要求，但是随着BIM技术的发展、国家政策的支持、BIM技术的普及和专业人才的大量培养，必然会推动施工质量控制的发展。本文对基于BIM技术的建筑施工质量控制研究进行分析探讨中有以下创新点：本文以建筑为背景将基于BIM技术的新施工质量控制方法与已有的传统施工质量控制进行定性定量分析，得出基于BIM技术的新施工质量控制方法更有利于施工质量控制的结论。5.2展望本文主要是对基于BIM技术的施工质量控制进行了研究。但是由于BIM技术本身的原因导致不能完全适应整个建筑行业的发展趋势，用于全面的建设工程施工质量中，且关于BIM技术用于施工质量控制方面的研究尚处于起步阶段。因此在