bim在综合项目工程综合项目施工中的应用张建平.docx

张建平，李丁，林佳瑞，颜钢文10施工技术CONSTRUCTIONTECHNOLOGYBIM在工程施工中应用1112年8月下第41卷第371期（1.清华大学土木工程系，北京100084；2.北京城建集团有限公司，北京100081）摘要依照国内施工管理特点和实际需求，提出了工程施工BIM应用技术架构、系统流程和应对措施，并将BIM与4D技术相结合，自主研发建筑施工BIM建模系统和基于BIM4D施工项目管理系列软件，从而形成一套工程施工BIM应用整体实行方案。研究成果成功应用于国家体育场等十几种大型工程项目，验证了其可行性和适用性，充分体现了BIM技术在工程施工中应用价值和辽阔前景。核心词信息化；BIM；4D管理；工程项目；建筑施工中图分类号TU717文献标记码A文章编号1002-8498（）16-0010-08ApplicationofBIMinEngineeringConstructionZhangJianping1，LiDing1，LinJiarui1，YanGangwen2（1.DepartmentofCivilEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2.BeijingUrbanConstructionGroupCo，Ltd，Beijing100081，China）Abstract：BasedonthecharacteristicsandtheactualdemandofconstructionmanagementinChina，thetechnicalframework，systemprocessandthecountermeasuresofBIMapplicationinconstructionareproposedThenbycombiningBIMand4Dtechnology，seriessoftwareslikeBIMmodelingsystemand4DconstructiondynamicmanagementsystembasedonBIMaredevelopedindependently，therebyforminganintegratedsolutionforBIMimplementationinconstructionTheresearchresultshasbeensuccessfullyappliedtomanylargeconstructionprojectssuchastheNationalStadium，thusprovingthefeasibilityandapplicabilityoftheintegratedsolution，andillustratingtheapplicationvalueandprospectsofBIMtechnologyinconstructionKeywords：informationmanagement；buildinginformationmodel（BIM）；4Dmanagement；engineeringproject；construction当前，国际上新兴BIM（buildinginformationmodel，建筑信息模型）技术已成为建设领域信息技术研究和应用热点，BIM应用价值已经得到政府高度关注和行业普遍认可。目前，国内软件厂商尚未推出商品化BIM软件，普遍应用主要是国外BIM设计软件，由于与之配套专业软件不齐全以及设计规范限制，这些软件还不能完全用于专业设计，重要用于有关专业BIM建模。这不仅增长了项目设计成本，而且该模型传递到施工阶段，由于没有适当平台和工具添加和集成施工信息，无法形成支持施工及管理信息模型，加上缺少配套BIM施工软件，致使BIM在施工阶段应用存在建模困难、需额外增加成本、应用软件不收稿日期-07-15基金项目国家“十一五”科技支撑计划项目（BAF23B02；BAJ01B07）；清华大学自主科研筹划（THZ03）作者简介张建平，专家，E-mail：zhangjptsinghuaeducn配套等诸多问题，严重影响了BIM技术在施工阶段实际应用和价值体现。本文通过对施工阶段BIM应用技术、方法、原则和软件进行深入研究，根据我国施工管理特点和实际需求，提出工程施工BIM应用技术架构、系统流程和应对办法，并将BIM与4D技术相结合，自主研发了建筑施工BIM建模系统和基于BIM4D施工项目管理系列软件，本文为国家“十五”、“十一五”科技支撑项目研究内容。研究成果经过国家体育场等十几个大型工程项目成功应用，形成了一套工程施工BIM应用整体实施方案，为实现基于BIM工程施工信息化奠定了基本。1国内外BIM技术在工程施工中应用现状1.1IPD模式履行和应用当前，BIM应用在欧美发达国家正在迅速推进，并得到政府和行业大力支持。如美国已制定国家BIM标准，要求在所有政府项目中推广使用No371张建平等：BIM在工程施工中应用11IFC（industryfoundationclasses）原则和BIM技术，并开始推行基于BIMIPD（integratedprojectdelivery，集成项目交付）模式。IPD基本思想是集成地、并行地设计产品及其有关过程，将传统序列化、顺序进行过程转化为交叉作用并行过程，强调人作用和人们之间协同工作关系，强调产品开发全过程。美国履行IPD模式是在工程项目总承包基础上，把工程项目重要参与方在设计阶段集合在一起，着眼于工程项目全生命期，基于BIM协同工作，进行虚拟设计、建造、维护及管理。共同理解、检验和改进设计，并在设计阶段发现施工和运营维护存在问题，预测建造成本和时间，并且共同探讨有效办法解决问题，以保证工程质量，加快施工进度，降低项目成本。IPD模式在美国推广以来，已成功应用于某些工程项目，充分体现了BIM应用价值。基于BIM集成项目交付作为一种新型工程项目管理模式，被以为具备辽阔前景。与欧美发达国家相比，国内BIM研究起步并不晚，但由于施工企业项目管理模式及水平限制，使BIM在施工阶段推广应用比较缓慢，尤其是IPD模式更为困难。然而，国家政府重视，行业发展需求，增进了BIM更深层次研究和推广，IPD也被越来越多公司所结识和接受。引入IPD理念和应用BIM技术，已成为当前施工企业打造核心竞争力重要举措。1.2当前工程施工中BIM应用现状如前所述，IPD作为理想BIM应用模式尚在履行过程中，而BIM应用还存在诸多问题和困难。当前国内外施工阶段BIM应用主要借助专业BIM团队，完成BIM建模，通过中性IFC文件或软件开发商提供特定文件格式（如rvt格式），将BIM中有关数据导入某些施工应用软件中，实现施工阶段局部信息共享。当前施工阶段BIM应用重要涉及如下几方面内容。1）基于BIM设计可视化展示按照2D设计图纸，运用Revit等系列软件创立项目建筑、构造、机电BIM模型，可对设计结果进行动态可视化展示，使业主和施工方能直观地理解设计方案，检验设计可施工性，在施工前能预先发现存在问题，与设计方共同解决。当前，普遍应用BIM建模软件有AutodeskRevitArchitecture/Structure/MEP，BentleyArchitecture以及GraphisoftArchiCAD等。2）基于BIM碰撞检测与施工模仿将所创立建筑、结构、机电等BIM模型，通过IFC或rvt文献导入专业碰撞检测与施工模拟软件中，进行结构构件及管线综合碰撞检测和分析，并对项目整个建造过程或重要环节及工艺进行模仿。以便提前发现设计中存在问题，减少施工中设计变更，优化施工方案和资源配置。目前常用碰撞检测与施工模拟软件主要是AutodeskNaviswork，BentleyNavigator以及清华大学本课题组研发基于BIM工程项目4D动态管理系统。3）基于BIM工程深化设计运用构造、设备管线BIM模型进行工程深化设计，是当前施工阶段BIM应用重要体现。其应用办法有两种：将所创立模型，通过IFC或rvt文件导入专业设计软件中进行深化设计，如运用Tekla进行钢构造及其复杂节点深化设计，利用CATIA进行复杂异形结构、幕墙深化设计等；根据碰撞检测分析结果，直接在BIM建模软件中对结构、水暖电管网及设备等专业设计进行调整、细化和完善。如利用RevitArchitecture/Structure/MEP建模和深化设计，用Naviswork进行碰撞检测。4）基于BIM施工项目管理当前，国内外软件厂商尚未推出商品化BIM施工项目管理软件，而被业内认可并广为应用是清华大学本课题组研发基于BIM4D施工管理系列软件。该研究将BIM与4D技术结合起来，通过建立基于IFC4D施工信息模型，将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度链接，与施工资源、安全质量以及场地布置等信息集成一体。实现了基于BIM和网络施工进度、人力、材料、设备、成本、安全、质量和场地布置4D动态集成管理以及施工过程4D可视化模拟。本系统已在国家体育场、青岛海湾大桥、广州西塔等大型工程项目中成功应用，曾获，年华夏建设科学技术一等奖。当前，通过进一步扩展信息模型、管理功能和应用范畴，系统不仅用于建筑工程，而且已推广至桥梁、风电、地铁隧道、高速公路和设备安装等工程领域，正在上海国际金融中心、昆明新机场设备安装、邢汾高速公路等各种大型工程项目推广应用。2工程施工BIM应用整体实行方案纵观当前工程施工中BIM应用现状，清华大学研发建筑施工BIM建模系统和基于BIM4D管理系列软件不仅填补了当前国内BIM施工软件空白，经过多个大型工程项目实际应用，已经形成了涉及BIM应用技术架构、系统流程和应对措施整体实行方案。2.1工程施工BIM应用技术架构（见图1）1）接口层利用自主研发BIM数据接口与12施工技术第41卷图1工程施工BIM应用技术架构Fig1TechnicalframeworkofBIMapplication互换引擎，提供了IFC文献导入导出、IFC格式模型解析、非IFC格式建筑信息转化、BIM数据库存储及访问、BIM访问权限控制以及多用户并发访问管理等功能，可将来自不同数据源和不同格式模型及信息传输到系统，实现了IFC格式模型和非IFC格式信息交换、集成和应用。其中，数据源包括自主开发建筑施工BIM建模系统BIMMS，Revit等软件创建BIM模型，AutoCAD，CATIA，3DSMAX等软件创立3D模型，MSProject等进度管理软件产生进度信息等。2）数据层施工阶段工程数据可分为构造化BIM数据，非构造化文档数据以及用于表达工程数据创建组织和过程信息。其中BIM数据采用基于IFC原则数据库存储和管理；文档数据采用文档管理系统进行存储；组织和过程信息存储于相应数据库中。通过建立BIM对象模型与关系型数据模式映射关系和转换机制，BIM数据库可运用SQLSever等关系型数据库创立。3）平台层包括自主开发BIM数据集成与管理平台（简称BIMDISP）和基于网络4D可视化平台。BIMDISP用于实现BIM数据读取、保存、提取、集成、验证，非结构化数据管理以及组织和过程信息控制，可构建面向专业应用子信息模型，支持基于BIM相关施工软件应用。基于网络4D可视化平台提供了基于OpenGL视图变换、图形控制、动态漫游等模型管理功能，实现了4D施工管理网络化，可支持工程项目信息互换。4）模型层通过BIM数据集成平台，可针对不同应用需求生成相应子信息模型，如施工进度子信息模型、施工资源子信息模型、施工安全子信息模型等，向应用层各施工管理专业软件提供模型和数据支持。5）应用层由自主开发基于BIM4D施工管理系列软件构成，包括基于BIM工程项目4D动态管理系统、基于BIM建筑工程4D施工安全与冲突分析系统、基于BIM施工优化系统、基于BIM项目综合管理系统等。提供了基于BIM和网络4D施工进度、资源、质量、成本和场地管理，4D安全与冲突分析，设计与施工碰撞检测以及施工过程优化和4D模仿等功能。2.2工程施工BIM应用系统整体构造及重要功能工程施工BIM应用系统整体结构及功能模No371张建平等：BIM在工程施工中应用13图2工程施工BIM应用系统整体构造及功能模块Fig2IntegratedstructureandfunctionmoduleofBIMapplication块如图2所示。整个应用系统由基于BIM4D施工管理系列软件系统和项目综合管理系统两大部分构成，分别设立为C/S架构和B/S架构。两者通过系统接口无缝集成，建立了管理数据与BIM模型双向链接，实现了基于BIM数据库信息交换与共享。各应用系统具备如下重要功能和技术特点。2.2.1建筑施工BIM建模系统按照基于IFCBIM体系架构和数据结构，以AutoCAD为图形平台开发了建筑施工BIM建模系统（BIMmodelingsystem，BIMMS）。1）3D几何建模与项目组织浏览按照IFC进行建筑构件定义和空间结构组织，提供各种规则和不规则建筑构件以及模板支撑体系等施工设施3D建模，并运用项目浏览器，实现对构件模型组织、分类、关联和3D浏览。2）施工信息创建、编辑与扩展实现涉及材料、进度、成本、质量、安全等施工属性创建、查询、编辑以及与模型相互关联，同时提供属性扩展功能。3）BIM模型导入导出模块通过导入其她IFC格式BIM设计模型或3D几何模型，快速创建BIM施工模型。可将包含工程属性施工BIM模型导出为IFC文献，提供给基于BIM施工管理系统和运营维护系统使用。2.2.2基于BIM工程项目4D动态管理系统1）4D施工进度管理运用系统WBS编辑器和工序模板，可快捷完成施工段划分、WBS和进度筹划创建，建立WBS与MicrosoftProject双向链接；通过Project或4D模型，对施工进度进行查询、调节和控制，使筹划进度和实际进度既可以用甘特图或网络图表示，也可以以动态3D图形展现出来，实现施工进度4D动态管理；可提供任意WBS节点或3D施工段及构件工程信息实时查询、多套施工方案对比和分析、计划与实际进度追踪和分析等功能，自动生成各类进度报表。2）4D资源动态管理通过可设立工程计价清单或多套定额资源模板，自动计算任意WBS节点或3D施工段及构件工程量以及相对施工进度人力、材料、机械消耗量和预算成本；进行工程量完成状况、资源及成本计划和实际消耗等多方面统计分析和实时查询；自动生成工程量表以及资源用量表，实现施工资源4D动态管理。3）4D施工质量安全管理施工方、监理方可及时录入工程质检和安全数据，系统将质量、安全信息或检查报告与4D信息模型相关联，可以实时查询任意WBS节点或3D施工段及构件施工安全质量状况，并可自动生成工程质量安全统计分析报表。4）4D施工场地管理可进行3D施工场地布置，自动定义施工设施4D属性。点取任意设施实体，可查询其名称、类型、型号以及计划设置时间等施工属性，并可进行场地设施信息统计等，将场地布置与施工进度对应，形成4D动态现场管理。5）4D施工过程模仿对整个工程或选定WBS节点进行4D施工过程模拟，可以以天、周、月为时间间隔，按照时间正序或逆序模拟，可以按计划进度或实际进度模拟实现工程项目整个施工过程4D可视化模仿。并具有三维漫游、材质纹理、透明度、动画等真实感模型显示功能。14施工技术第41卷2.2.3基于BIM建筑工程4D施工安全与冲突分析系统1）时变结构和支撑体系安全分析通过模型数据转换机制，自动由4D施工信息模型生成结构分析模型，进行施工期时变结构与支撑体系任意时间点力学分析计算和安全性能评估。2）施工过程进度/资源/成本冲突分析通过动态展现各施工段实际进度与计划对比关系，实现进度偏差和冲突分析及预警；指定任意日期，自动计算所需人力、材料、机械、成本，进行资源对比分析和预警；根据清单计价和实际进度计算实际费用，动态分析任意时间点成本及其影响关系。3）场地碰撞检测基于施工现场4D时空模型和碰撞检测算法，可对构件与管线、设施与结构进行动态碰撞检测和分析。2.2.4基于BIM建筑施工优化系统建立进度管理软件P3/P6数据模型与离散事件优化模型数据交换，基于施工优化信息模型，实现了基于BIM和离散事件模拟施工进度、资源和场地优化和过程模仿。1）基于BIM和离散事件模拟施工优化通过对各项工序模拟计算，得出工序工期、人力、机械、场地等资源占用情况，对施工工期、资源配置以及场地布置进行优化，实现各种施工方案比选。2）基于过程优化4D施工过程模拟将4D施工管理与施工优化进行数据集成，实现了基于过程优化4D施工可视化模仿。2.2.5基于BIM项目综合管理系统通过BIM系统与4D施工管理系统无缝集成，数据与BIM模型双向链接，建立清晰业务逻辑和明确数据交换关系，实现业务管理、实时控制和决策支持三方面项目综合管理。为项目各参与方管理人员提供基于Web浏览器远程业务管理和控制手段。系统重要功能如下。1）业务管理为各职能部门业务人员提供项目合同管理、进度管理、质量管理、安全管理、采购管理、支付管理、变更管理以及竣工管理等功能，业务管理数据与BIM相关对象进行关联，实现各项业务之间联动和控制，并可在4D管理系统进行可视化查询。2）实时控制为项目管理人员提供实时数据查询、记录分析、事件追踪、实时预警等功能，可按各种条件进行实时数据查询、统计分析并自动生成记录报表。通过设定事件流程，对施工中发生安全、质量等进行跟踪，到达设定阈值将实时预警，并自动通过邮件和手机短信告知有关管理人员。3）决策支持提供工期分析、台账分析以及效能分析等功能，为决策人员管理决策提供分析依据和支持。2.3工程施工BIM系统应用流程与应对办法2.3.1系统应用流程依照工程施工BIM应用技术架构、系统整体构造及功能，在工程施工BIM应用实施过程中，其系统应用流程如图3所示。1）应用主体方首先提供项目技术资料、基本数据和系统运营所需要软硬件及网络环境；协调各职能部门和相关参与方，根据工作需求安装软件系统、设立顾客权限；各部门业务人员和管理、决策人员按照其工作任务、职责和权限，通过内网客户端或外网浏览器进入软件系统，完成日常管理和深化设计等工作。2）应用参与方通过外网浏览器进入项目综合管理系统，按照应用主体方要求，填报施工进度、资源、质量、安全等实际工程数据，也可进行施工信息查询，辅助施工管理。3）BIM团队目前BIM团队多由主体应用方外聘，重要承担BIM应用方案策划、系统配置、BIM建模、数据导入、技术指导、应用培训等工作。在本应用实行中，清华大学BIM团队还辅助应用方利用BIM设计软件，进行项目结构管线综合和深化设计。4）设计方配合应用主体方实行BIM应用，提交设计图纸及有关技术资料，如果具有BIM设计或建模能力，应提交项目BIM或3D模型，以避免重复建模，减少BIM应用成本。2.3.2组织应对办法1）理念知识与以往建设领域信息技术推广应用同样，BIM应用单位领导层、管理层和业务层必要对BIM技术及应用价值具有足够认识，对应用BIM管理理念、方法和手段应进行相应转变。通过科研合作、技术培训、人才引进等多种方式，使技术与管理人员尽快掌握BIM技术和相关软件应用知识。2）团队组织BIM引入和应用初期，可借助外聘BIM团队共同实行。但着眼于企业自身发展，还是应当依照公司具体情况，采取设立专业部门或培训技术骨干等不同方式，建立自己BIM团队。并通过技术培训和应用实践，逐步达到BIM技术和软件普及和应用。3）流程优化结合BIM应用重新梳理并优化现有工作流程，改进老式项目管理办法，建立适合BIM应用施工管理模式，制定相应工作制度和职责规No371张建平等：BIM在工程施工中应用15图3工程施工BIM系统应用流程Fig3ApplicationprocessofBIMsystem范，使BIM应用能切实提高工作效率和管理水平。4）应用环境根据实际需求制定BIM应用实施方案，购买相应计算机硬件和网络平台。通过外购商品软件、合作开发等方式，配置工程施工BIM应用软件系统，构建BIM应用环境。5）成果交付规范施工各阶段BIM应用成果形式、内容和交付方式，提供可供项目各参与方交流、共享阶段性成果，形成工程项目竣工验收时集中交付最后BIM应用成果，包括采用数据库或原则文献格式存储全套BIM施工模型、工程数据及电子文档资料等，可支持项目运营维护阶段信息化管理，实现基于BIM信息共享。3工程施工BIM应用状况本工程施工BIM应用整体实施方案和基于BIM4D管理系列软件系统已经或正在十几种大型工程项目中应用，表1列出了其中7个主要工程项目应用基本状况。3.1工程项目应用特点1）应用项目具有代表性应用项目均为近几年国内大型、复杂工程，应用方包括业主、工程总承包和施工项目部，表明本项目应用及成果具有代表性。2）突破了BIM在施工管理方面应用随着工程实际应用不断积累，系统功能逐渐完善，不但涵盖当前国外同类软件施工过程模拟、碰撞检测功能，而且基于BIM技术提供了包括施工进度、人力、材料、设备、成本、安全和场地布置4D集成化动态管理功能。并首次研发并应用了基于BIM和Web项目综合管理系统，突破了当前BIM技术在施工项目管理方面应用。3）扩展了BIM应用范围当前国内外BIM施工应用重要为建筑工程，本应用项目不仅包括建筑工程，还推广应用到桥梁、高速公路和设备安装工程。4）系统更具实用性本系统研发完全是基于国内国情，可满足我国施工管理实际需求，与国外同类软件相比，其适用性和实用性具有明显优势。例如，正在实行中昆明新机场设备安装工程项目，初次将BIM和4D技术应用于大型机场航站楼设备安装工程。不仅实现了基于BIM设备安装4D动态管理和过程模拟，还成功将系统用于设备试运营过程综合调试模拟，并自主开发了基于BIM设备运营管理系统。实现了设备BIM模型在施工安装、调试和运营管理3个阶段共享和运用。图4展示了值机岛设备安装4D模拟及进度变更分析，图5为热交换机房设备管线调试过程模拟，图6是设备运营管理系统顾客界面。16施工技术第41卷表1工程施工BIM应用项目一览Table1ProjectconstructingwithBIMtechnology应用功能项目名称项目描述应用范畴应用方4D施工过程模仿4D施工进度管理4D施工资源管理4D施工成本管理4D施工场地管理碰撞检测施工安全与冲突分析项目综合管理国家体育场建筑面积25.8万m2构造工程工程总承包部广州珠江新城西塔建筑面积为45万m2构造及部分机电设备施工项目部昆明新机场设备安建筑面积54.83工项目部装工程万m2青岛海湾大桥全长28.05km构造工程业主设备安装工程业主及施与运营维护管理邢汾高速公路全长84.3km公路工程业主万m2建筑全生命期上海国际金融中心建筑面积51.7业主成都大魔方演艺建筑面积13中心万m2构造工程及设备管线施工项目部