基于角色分析的 BIM 工作模型与实施方法

李 琰，高佐人，沈庆毅，潘 峰（上海建工五建集团有限公司，上海 200063）

基于角色分析的 BIM 工作模型与实施方法

BIM Working Model and its Application Based on Role Analysis

李 琰，高佐人，沈庆毅，潘 峰（上海建工五建集团有限公司，上海 200063）

为了解决BIM模型在建筑工程现场的落实问题，通过区分BIM工作流程中决策层和执行层的差异，提出了新的工作模型。新模型充分考虑现场应用环节的需求，设计了“全纵剖管线安装图”来实现从信息量巨大的完整BIM数据集中提炼、过滤、简化出贴合现场需求的信息。该图具有信息量完备、准确、简洁的特点，实现对全部管线关键信息快速调用，有效发挥BIM模型的潜能，提高了施工效率和质量。实际工程应用验证表明具有推广价值。

BIM工作模型；施工组织管理；全纵剖图

1 问题的提出

BIM 技术[1]已经成为大型复杂工程常见的技术手段[2]，尤其是对复杂管线系统的优化[3]，可以在控制风险、节约成本和加快工期等方面发挥积极作用[4-5]。

然而 BIM 模型在工程中的实际应用与理想却有较大差距，尤其是与管线综合相关的应用过程中会突出表现在以下方面：

(1) 三维模型擅长发现和解决复杂管线系统的相互碰撞，然而过于繁琐的三维图纸往往喧宾夺主，导致优化成果难以在现场落实；

(2) 复杂管线系统对精细化建模要求高，从而导致建模速度无法满足工程进度的要求；

(3) 图纸上碰撞的消除并不能避免现场问题的有效解决，由于缺乏精确简明的施工级别的工艺图和沟通平台，导致各方协调难度大。

这些问题大大削弱了 BIM 的实际效果。本研究针对这些问题，考察了一线工程人员的行为特征，提出了工作模型，并设计了落实方案，包括自行研发的软件工具和新的图纸标准。

2 传统BIM在工程应用中的瓶颈分析

2.1 信息量冗余导致指导效率不高

BIM 的优越性在于在三维模型中承载了海量的建筑信息，然而不可否认，过于繁琐的三维图纸同时也包含了海量的冗余信息。对一线工程人员而言，冗余的信息会分散注意力，降低工作效率；而部分关键数据往往被信息淹没，就需要现场自行推论、验证，工作强度陡然上升。

因此在施工现场二维图纸仍然是提升BIM应用效果的一个必要手段。

三维模型用于模拟、分析和测试方案，得到优化的结果；而二维图纸是描述优化成果，对三维模型经过一定的处理，经过提取、过滤、简化后的二维数据视图更加能够提高信息传递的效率，降低一线工程人员的理解难度和工作强度。

例如，目前常规的 BIM 图纸大都难以表现翻弯高度，如图 1a 所示。此外，对于密集翻绕处的细节也很难用平面图加几个横断面的方式来描述。这样的图纸有利于决策，但不利于实施。

2.2 模型速度滞后导致可信度差

可信的模型是所有工作的基础，而本研究发现，实际工程中，速度会成为影响可信度的关键因素之一。在实际工程中，设计图纸在经历施工图审图、消防审图、图纸会审等环节后，免不了会有修改。如果建模、修改的速度不够及时，模型就不能准确反映最新的设计要求、协商结果。一般来说初次建模只有几周的时间窗口，更新的时间更短至几天。特别对于医院等建筑，管线系统本身异常复杂，精细化模型的绘制、修改将极大拖慢 BIM 工作，模型一旦跟不上项目节奏，可信度就无从谈起。

2.3 缺少高效沟通平台导致协调难度大

能否快速完成建模和优化很大程度上取决于协调的效率，本研究发现，传统 BIM 并不适合作为快节奏的交叉反复讨论的平台。这是因为其软件、模型对硬件要求高，工程人员难以在普通工作电脑上打开模型；模型过于专业，不经过长时间的培训，难以熟练翻阅模型，查看参数，进行各项检测。而在管线工程出现的问题常常要涉及土建、安装、设计，在设计中还有建筑、结构、水、暖通、电等多个专业，常常一个问题要征求 3～4 个具体个人的意见，如何高效的描述、探讨问题是一个难题，并已经逐渐成为当前现场工程管理人员应用 BIM 模型的一个“技术壁垒”。

3 区分决策层和执行层的 BIM 工作模型

本研究发现，BIM 的工作模型应充分考虑“决策层”和“执行层”的行为特征差异。所谓“决策层”包括设计院的设计师、业主代表和项目总包方的负责人，他们的目标是“商定最终方案”，工作的难点是综合各方意见，因此需要在一个一体化、三维化数据对象(BIM 模型)中同时或协同工作，以便更好地发现和权衡各种因素。所谓“执行层”是指施工一线的工人、工长，他们的目标是“按图施工”，其工作难点是理解意图、快速执行和确保质量，对于方案意图本身没有优化和调整的义务。

执行层与决策层的分工不同导致了各自需求不同，特别对于现场执行层而言，其不需要全面的数据、三维化的模型，而是需要简单直接、一目了然、便于现场携带、便于质量控制的信息形态。这种形态的信息只是全部 BIM 模型信息的某种提取、过滤和简化，是全数据集的一种“2D 视图”，内容源自三维模型，目标是简单高效。

行业内常见的 BIM 工作模型很少重视这种差异，工作模式可以归纳总结为一种“向心”式模型。在这个模型中无论是设计的建筑、结构、设备，还是施工的土建、安装，乃至幕墙、装修都围绕着相同的数据对象开展工作。这些主体向 BIM 模型提供信息，同时也按 BIM 模型工作。

而本研究提出，向心模型适用于决策层对BIM数据的应用过程，除此之外，还包括一个“单向”模型，及从完整的 BIM 数据集中提炼、过滤、简化出一个信息视图。这个过程是单向的，结果视图是简化的，但却是高效的、个性化的。

提供给不同的执行层的内容、形态因为根据不同执行层的特点进行了专项优化而可能略有不同，例如提供给安装一线的是“管线纵剖图”，而提供在土建一线的是“预留预埋图”(一种横剖图)。但它们都来自于统一的 BIM 模型。

决策层和执行层的存在实际上是反映了建筑工程无法工厂化，大量依靠人力劳动的特性。在机械制造领域，执行层可能由一系列数控机床代替。而在建筑工程领域，海量的三维信息需要“解读”和“简化”，以方便执行层的实际操作。

4 全纵剖管线安装图

根据不同角色的不同行为特征，本研究进一步将重点锁定在如何使提取的图纸内容最少，同时又是信息完备、使用高效的。在这个过程中，研究人员充分考察了一线工程人员的认识习惯。在此基础上设计出一种全新的图纸标准——智能全纵剖管线安装图( FLP：(Fully Longitudinal Profile )。这种图纸主要借助对软件平台的二次开发，对建筑内的所有部品部件实现“全系统碰撞、自动纠正、自动绘制纵剖”，3D 模型是过程工具，2D “纵剖图”是最终成果。特别对于复杂管线系统，“纵剖图”的信息量大，可以清楚描述每个管段的水平定位、高度定位，每个翻弯的起翻点和翻高；同时充分考虑现场读图要求，大幅简化图面。用更简单、更轻松的工作方式“解读”BIM 模型，从而提高了工程质量，降低了返工风险。

4.1 绘制标准

全纵剖图管线安装图的构成如图 3a 所示，全图由“平面图”、“纵剖图”和“定位图”构成。平面图中包括原设计布局和考虑了安装间距、净高等因素后的优化布局，用黑色和灰色区分表示，以便设计院确认。纵剖图是沿管线走向剖切的结果，所有管线沿 X、Y 两个方向的纵剖详图分布在全图的四周。定位图是指示本图所示管线在建筑全部同类管线中的相对位置，常见的类型有给排水、消防、动力桥架、弱电桥架、燃气、风管等。

4.2 特点

本研究提出的 FLP 出图方案具有如下特点：

(1) 信息精炼完备。该图定位明确，只用于安装和验收，因此可以进行针对性的简化，实现了信息量最少化且扁平化，使复杂的管线绕行翻弯方案可以用简单的二维图方式呈现。但同时其信息是完备的，管径、水平、竖向、翻弯定位等一应俱全，一线工程人员只需按图就可施工，并且可以从图集中获得任意一段管线的安装方案。

(2) 时效性强。因为剔除了大量冗余信息，且借助二次开发实现智能判定和绘制，大大减轻了深化设计的工作量，经过工程验证，对于 8 万 m2的大型商业项目，确定方案之后仅一周即可完成施工工艺图的绘制。

(3) 可信度高。确保这套图纸切实有效的前提是 BIM 模型的真实有效，即要反映设计图纸的最新更新信息，要体现最娴熟的管线优化策略，要评估与土建施工的交叉影响。这就要求建模、优化、更新的速度要快，为此本研究采用了一种基于 AutoCAD 的轻量化BIM平台，可以在几周内完成上述工作。这种轻量化平台集合了多个工程的设计、施工经验，对硬件和操作人员的要求均不高，因此可以在业主、设计以及土建、安装的各个工种的普通电脑和移动终端上安装运行，使得 BIM 模型成为一种通俗化实用化的工作平台，加快了各方的意见交换，能充分反映各方的意见、诉求，大大提升了工作效率。

5 对施工模式产生的影响

首先，管线方案的错误率大大降低。FLP图的基础是全面的三维模型，借助该三维模型可以完成碰撞检测、间距检测、管网美化等工作。图 1 所示的是管网美化的具体效果：密集按类按序摆放，即管线相互靠拢，间距在 150 mm、200 mm 不等，便于使用组合支吊架，同时消防(红色)、给排水(蓝色)、强电(黄色)、弱电(土黄)分组，不相互穿插。可使用软件提供的“按类染色”工具检查管线是否按要求布置。

图 1 全纵剖管线安装图的构成

此外，由于 FLP 图将每个回路的管线的细节都暴露无遗，因此实现在更深层细节上的优化，实践表明可优化掉大量多余翻弯。在验证工程中，每万方可减少 200 处多余翻弯。

其次，FLP 全面实现管线安装的“按图施工”，为工业化加工、装配创造了条件。通常BIM模型指导下的安装阶段，由于信息不足或者信息滞后，工程人员不得不自己推算缺失的信息，在一些复杂局部需要自行找出绕行方案，而新的FLP图纸是完备的，因此不再需要自行考虑，也不再有绕行失败而返工的风险，大大降低了工作强度。另一方面，用于优化后的方案高度集成，高度关联，因此也不允许局部改变方案。

第 3，在简化了施工的同时，FLP 图由于突出重点，也为验收提供了更可靠简便的方案。

第 4，FLP 图实现了全部管线的覆盖，因此可以协助完成工作界面的划分。

图 4 密集按类按序摆放

6 结 语

课题组在上海五建总承包的上海仪电(集团)有限公司虹漕路 41 号工业研发楼建设项目中分析了不同项目角色对BIM 的不同深度的需求，总结并成功应用了FLP方案。该项目地下室面积 2.89 万方，全部三维优化工作消耗人工15人×天，出图 215 张，实现了管线系统的“高效出图”，“精准优化”，“全系统覆盖”和“简易识图”。

本研究基于角色行为特征分析，对 BIM 模型如何在一线落实，如何确保实装与模型一致方面做了有益的探索。通过自行开发软件工具，采用自动化的手段，探索并提出了FLP 方案和标准，在效率、质量和用户友好度方面都取得了明显的成果。在实际项目的使用过程中，得到了参与各方的一致认可，并为下一步管线系统的标准化设计、装配式施工奠定了基础。

[1] 傅筱. 建筑信息模型带来的设计思维和方法的转型[J] 建筑学报,2009(1):77-80.

[2] 朱建国.BIM技术在施工阶段的应用策略研究[J]. 建筑施工.2013(07):665-667.

[3] 陈辰,李庆平. 基于BIM技术的三维管线综合[J]. 土木建筑工程信息技术,2012(3):83-86.

[4] 张建平,李丁,林佳瑞,颜钢文.BIM在工程施工中的应用[J].施工技术, 2012(16):10-17.

[5] 张洋. 基于BIM的建筑工程信息集成与管理研究[D].北京:清华大学,2009.

TP393.09

A

1674-814X(2017)03-0049-04

“上海市国际科技合作基金项目”(课题编号：14510701200)

2017-03-24

李琰，现供职于上海建工五建集团有限公司，作者通信地址：上海市曹杨路1000号，邮编：201063。