基于BIM虚拟施工碰撞检查技术的工程项目设计阶段成本管控

2021-07-02兰国冠

吉林建筑大学学报 2021年3期

兰国冠，姜琳

1龙岩学院,福建龙岩 364012 2工程质量检测与安全评估福建省高校工程研究中心,福建龙岩 364012

1 概述

成本管控涉及设计、施工、运营多个阶段.一般认为,设计阶段是工程建设成本管控的最重要阶段,投入少、效益大.由图1可知,约90 %由碰撞导致的成本增加由设计阶段决定,设计阶段对成本管控起决定性作用[1]，而综合设计涉及建筑、结构、给排水、暖通及电气等多个专业,且各专业相互独立完成,在工程施工集成时难免出现各构件间的相互碰撞,导致设计变更及施工返工.据统计,45 %的施工企业遭遇过图纸碰撞错误造成的返工损失,80 %的设计公司遇到过因二维图纸表达欠直观造成的损失,碰撞问题导致多达10 %以上的合同价损失[2].尤其是装配式建筑,一旦有错漏、碰撞及不匹配等问题,将给安装带来巨大的困难.如何降低碰撞概率,管控碰撞成本成为学者们所关注的重要问题.

图1 不同阶段成本管控曲线

很多学者对基于BIM技术的工程项目成本管控进行了研究：李茜等[3]人对基于BIM的公路项目的综合造价精细化管理进行了研究;寇雪霞等[4]人研究了BIM技术在施工阶段成本控制中的应用;王广斌等[5]人提出了3种基于BIM的工程项目成本计算的技术方案;宋靖华等[6]人探讨了BIM技术在工程造价管理实施的适宜性;汪茵等[7]人研究了BIM碰撞检查技术在造价管理中的成本控制及方案比选价值;张树捷[8]分析了其在工程造价及管理上的巨大应用价值.在设计阶段,建立精准的BIM模型,在不消耗实际资源的情况下对施工方案进行预演,通过专业间的构件碰撞检查,可提前发现构件的重叠、错漏、冲突及不匹配等问题,可极大降低因碰撞造成的成本增加.但目前,国内利用BIM碰撞检测技术进行工程项目成本管控处于起步阶段,探索基于BIM碰撞检查技术的工程项目成本管控方法具有重要意义.本文对基于BIM碰撞检查技术的工程项目设计阶段成本管控方法进行研究,探讨BIM碰撞检查对成本管控的效果和意义.

2 基于BIM碰撞检查技术的项目成本管控实现路径

由于各模型由不同专业人员分别完成,碰撞不可避免.碰撞可分为硬碰撞和软碰撞[9],硬碰撞指各专业间空间上的交集,如图2(a)所示.软碰撞主要出于安全考虑,根据专业之间设定的最小间距要求,检查最小间距是否满足设计要求,如图2(b)所示.通过“软碰撞”、“硬碰撞”全面的“三维校核”,可发现大量设计存在的问题.在设计阶段通过“软+撞”的全面检查,理论上可完全消除各类碰撞,减少返工,降低变更频率,缩短工期,节约成本.

图2 软碰撞与硬碰撞

2.1 基于BIM碰撞检查的协同设计

协同设计环节的最主要工作就是查找碰撞问题,定期协调查看各专业的设计成果,逐步消除设计阶段存在的碰撞问题,BIM模型的唯一性、可视化、协同性,便于各专业设计人员共享项目有效信息,实现各专业设计成果的同步更新与完善,避免施工时出现设计变更及返工,缩短项目周期,降低项目建设成本[10-11].图3为多专业协同设计示意图,图4为协同设计基本流程.

图3 多专业协同设计示意图

图4 协同设计流程

2.2 基于BIM碰撞检查的净高分析

通过BIM漫游碰撞检查技术可事先发现净高不足部位,在设计阶段提出处理办法,并进行图纸变更,避免施工阶段返工,保证工期.图5为净高分析流程.如图6为某拟建建筑净高漫游检查示例,可先联合管线、机电、精装等各专业确定最低标高,再利用设置好高度的虚拟人漫游进行净高碰撞检查,发现碰撞点,确定净高不足之处[12-13]，降低因净高不足导致的返工及造价增加.

图5 净高检查流程

图6 漫游净高碰撞检查

2.3 基于BIM碰撞检查的管线优化

小管让大管、有压让无压、排水管优先、各专业管线综合考虑支架共用,留足关键部位及部件的维修与维护空间,考虑部件拆卸方便等是管线设计的基本原则.但因传统二维图纸的抽象性,专业间协同设计较弱,对设计及施工人员的工程经验依赖性强,故导致错漏难以避免,而BIM三维模型的具象性,加上VR技术的可视化及交互性,使管线碰撞容易在设计阶段被及时发现并纠正.图7(a)为管线碰撞示例,通过碰撞检查发现风管与消防管道发生碰撞,优化后的模型如图7(b)所示.此例说明,通过碰撞检查可提前发现设计不合理之处,避免后期的变更或返工[14-15],从而降低造价.

图7 修改后风管与消防管

2.4 基于BIM碰撞检查的空间优化

为了设备维修与维护方便及满足施工空间要求,构件之间必须保证有足够的距离.当构件间距小于规范设定的限值,即发生了间隙碰撞.对于这类碰撞,利用BIM碰撞检查技术能够在模型设计阶段及时发现.图8为设计阶段塔吊虚拟施工防碰撞模拟示意图,利用BIM软件三维动态仿真,可轻易发现碰撞的长度、位置,在设计阶段精准消除可能的碰撞隐患,大大节约方案优化的时间,降低因碰撞增加的成本.

图8 塔吊防碰撞模拟

2.5 基于BIM碰撞检查的可视化模型优化

应用BIM三维可视化技术,直观形象反映构件形状及构件间的空间关系,可极大减小审图难度[16].实例:如图9(a)所示楼层外围的异形结构梁,由CAD识别生成的三维模型变成矩形梁;经三维模型可视化检查发现问题后,创建了新的梁族,并根据图纸尺寸重新建模,得到如图9(b)所示新模型,通过三维模型可视化检查发现了问题,避免了返工造成的成本增加.

图9 异形结构梁模型

2.6 基于BIM碰撞检查的可视化技术交底

传统技术交底以文字描述为主,技术人员以口头讲授的方式对工人进行交底,由于不同人员对同一道工序可能存在不同理解,传统交底方式很容易出现理解错误的情况,存在质量和安全隐患[17].例如某砌筑工程如图10所示,为了达到高质量要求,建模时可对每一条拉结筋及构造柱钢筋进行精准放置,并对每一块砌体的灰缝、接槎、错槎进行控制,所有砌体元素均可实现三维可视化交底.采用三维模型进行碰撞检查,施工模拟,复杂节点可利用短视频、小动漫等形式进行技术交底,易于理解,避免争议.这些措施可以大大减少施工阶段的错误损失及返工,降低造价.

图10 精准砌筑施工

2.7 基于BIM碰撞检查的自动审图

以往进行专业间的设计碰撞检测时,通常将各专业的设计图用硫酸纸打印成图并相互叠放,选择公共的参照点,按照“小管让大管”、“有压管让无压管”、“少管件管道让多管件管道”3项原则进行人工对照、检查.该工作方式效率低,且因技术人员经验水平及个人理解的不同,审图的准确性难以保证.计算机辅助设计(CAD)软件出现后,设计人员可以通过CAD软件进行二维电子图纸审查,提高了图纸的准确性.但该方式仍然为二维人工审图,极易视觉疲劳,准确性仍然无法保障,设计图纸错漏碰缺的现象仍然较多.利用BIM模型碰撞检查的方式很好地解决了这些问题[18-19].

传统的人工审图如图11所示,通过人工对比复核建筑图与结构图的错漏碰撞问题,效率低、工作量大、不直观、易漏查.图12所示BIM模型碰撞检查,效率高、形象直观、不易漏查,可部分实现自动审图,在成本管控上具有明显的优势.

图11 建筑图与结构图人工对比审图

图12 BIM三维模型碰撞检查

3 案例分析

3.1 工程概况

以某住宅小区项目为例,总建筑面积16 332.65 m2,地上24层,地下3层,剪力墙结构.

3.2 BIM碰撞检查结果

综合采用以上七种方法进行碰撞检测分析,消除人工较难发现的碰撞点数共603个,按每个碰撞点协调所需时长平均0.3 h,节约工期总时间约180.9 h,按每天8 h算,共节约工期约22 d,碰撞检测带来的直接工期效益明显.

图13为除尘排烟管、喷淋管、消防管等构件复杂碰撞点碰撞示例.

图13 项目-1层复杂碰撞点示例1

图14为除尘排烟管、给水管、电气桥架、喷淋管等构件复杂碰撞点的碰撞示例.

图14 项目-1层复杂碰撞点示例2

3.3 经济效益分析

根据平均工艺,发生碰撞时,电管避让水管平均增加综合单价320元/点,水管避让风管平均增加综合单价360元/点,电管避让风管平均增加综合单价380元/点,乘以对应的碰撞点数,合计节约造价约211万元,项目总投资约17 800万元,通过碰撞检测,施工图设计阶段就可节约因碰撞造成的成本约1.18 %，见表1，BIM设计时长占传统设计时长的比较见表2.