VDC/BIM技术在浦东美术馆项目的应用实践

应宇垦 张其林 吴雪洁 周 磊

(1.同济大学 土木工程学院，上海 200092； 2.上海慧之建建设顾问有限公司，上海 200092； 3.上海陆家嘴金融贸易区联合发展有限公司，上海 200120)

引言

2001年，美国斯坦福大学CIFE(Center for Integrated Facility Engineering，设施集成化工程)中心首次提出VDC(Virtual Design and Construction，虚拟设计与施工)理念，随后其理论研究和实践应用不断拓展[1]。VDC理念强调将BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术应用于工程项目，通过可视化的模拟旨在提高建筑工程领域的生产和管理效率。CIFE在北美利用其行业影响力推动了VDC的工程实践。在国内，相关方面的研究和应用也逐步发展起来，2008年王广斌在建设工程管理领域引入了VDC/BIM理念，李岩松等[2]以上海天文馆项目为例，探索研究了VDC在天文馆项目设计阶段中的应用。徐海峰[3]利用施工模拟软件进行全过程虚拟可视化施工模拟，最终建立建筑工程可视化管理平台，通过工程实践证明基于VDC的可视化管理平台可以有效改进和提高项目管理效率。

随着VDC/BIM技术在工程项目领域的应用和推广，相关研究也不断细分。国际智慧建造组织(building SMART International)对BIM的定义分为三个层次，建筑信息模型(Building Information Model)、建筑信息模型应用(Building Information Modeling)、建筑信息管理(Building Information Management)。建筑信息模型是一个工程项目物理特征和功能特征的数字化表达，建筑信息模型应用是指创建和利用项目数据在其全生命周期内进行设计、施工和运营的业务过程。建筑信息管理是指通过使用建筑信息模型内的信息支持项目全生命期信息共享的业务流程组织和控制过程[4]。其中，建筑信息管理的目标即充分融合了VDC理念和BIM技术，提升到结合工程项目管理的视角寻求更大的应用价值。

1 VDC/BIM框架

1.1 VDC/BIM的内涵

VDC相关概念提出后，先后经过几次演变，根据2007年第五版定义为，VDC是在工程建设过程中通过应用多学科多专业集成化的信息技术模型，来准确反映和控制项目建设的过程，使项目建设目标能最好地实现[5]。VDC是基于集成化的管理思想，借助先进的计算机技术手段在工程建设领域的创造性应用。跨学科多专业地融合应用使VDC成为工程项目实现集成化设计和施工的重要管理方法。

行业内越来越多的专业承包商使用VDC/BIM技术对项目进行规划与设计，该领域学者对VDC的研究逐渐延伸到工程项目的各个环节。斯坦福大学CIFE中心的Martin Fischer教授长期致力于对于VDC的研究，在总结了VDC框架基础上将组织的概念与虚拟设计团队的内涵进行了整合[6]。Justin Reginato[7]等研究了设计变更对机电承包商虚拟设计和施工性能的影响。一些学者研究了VDC/BIM在工程项目中的运用，Mikkel Toppel等[8]研究了在BIM全生命周期方法中使用VDC理念探索结构化信息的优势。

1.2 VDC/BIM的POP模型

VDC利用计算机技术构建的信息技术模型，包括产品(Product)模型、组织(Organization)模型和过程(Process)模型，即POP模型。POP模型中这三个子项之间是通过一定的逻辑关系集成在一起的，一旦改变了其中一个子项，集成模型就需要改变相关联的其他子项[9]。

CIFE中心基于POP模型提出了一种工程项目管理方法。该方法可以用来指导VDC理念在工程建设领域的实践应用，其框架如图1所示。其中，产品(P)、组织(O)和过程(P)是指POP模型中的产品模型、组织模型和过程模型。产品模型(P)指的是组织为完成项目而交付的成果，其成果既可以是工程中间的设计，也可以是最终的建筑产品，可以用传统图纸或BIM模型来表达。组织模型(O)指的是为完成建筑产品所配备的团队成员及其相应职责。过程模型(P)指的是组织为完成建筑产品而经历的流程，是在施工过程中由施工计划和施工相关活动所构成的。POP模型的每个子项内容都采用功能、形式、行为三个要素进行表达和分析。该框架反映了以功能需求、形式以及行为预期表示的产品、组织及过程，以此来更好地实现建设项目目标。

图1 VDC-POP集成框架

在VDC的具体实施过程中，产品、组织和流程三个子项需要工具和软件的广泛支持，才能有效应用于设计、施工以及运维等各阶段任务。因此，VDC需要开发许多数字化工具和软件，如产品可视化工具、产品过程模型及其可视化工具、组织过程模型工具以及在线协同工具等。

1.3 VDC/BIM的实施过程

VDC框架的应用分为可视化建模、模型集成化和自动化应用三个不同深度的阶段。

(1)可视化建模阶段：先创建三维的BIM产品模型，再创建组织模型用于设计、施工和运维各阶段，最后创建BIM过程模型进行施工过程追踪。对产品、组织和流程进行建模和可视化分析，以及对实际项目进行配合与指导。

(2)模型集成化阶段：将产品、组织、过程模型进行整合、不同专业之间进行集成，形成集成的POP集成模型。为保证不同模型和不同应用软件之间数据信息共享的可靠性和交互过程的顺利，要使用统一的信息交换标准[10]。

(3)自动化应用阶段：以可视化和集成化为基础，利用自动化的工具方法实现项目的自动化设计、施工模拟等，也可延伸到工厂构建预制的自动化[11]。

2 案例应用

2.1 案例背景

浦东美术馆项目位于上海黄浦江畔，紧邻东方明珠和国际会议中心。该项目于2016年开工，2020年年底竣工交付。建筑占地约13 000m2，总建筑面积为40 590m2，其中地上4层，地下2层，建筑高度约30m。项目内部的建筑空间布局复杂，对净高控制要求高，装饰造型复杂、机电管线繁多，项目设计和施工难度很大。另外，项目周边重要建筑群聚，地面交通和地下管线错综复杂，施工环境较差。

浦东美术馆项目设计和施工阶段全过程采用了VDC/BIM技术，实现项目管理过程中的重难点控制。项目基于VDC/BIM框架的产品模型、组织模型、流程模型三个子项，定义了项目的全过程建筑模型的虚拟应用。本项目在VDC/BIM框架下，通过科学地组织和架构实现了虚拟设计和施工的场景应用，取得较好的效果。

2.2 VDC框架的子项

2.2.1 产品模型

浦东美术馆项目的设计团队运用可视化软件(如Revit、Navisworks等)根据建筑、结构、机电、幕墙各专业图纸以及建模标准构建三维产品模型，如图2所示。

图2 各专业产品模型

为加快速度，设计团队和BIM团队高效配合。在施工图后期，有效利用BIM建模，直接利用模型导出图纸，在工作流中形成了局部的BIM半正向化，提高了深化效率，缩短了设计周期。

2.2.2 组织模型

浦东美术馆项目由业主方主导，聘请BIM顾问作为项目的总协调方，并要求设计单位、总承包单位、专业分包单位和供应商根据要求组建自身BIM团队形成BIM应用能力。由BIM顾问制定项目标准与管控措施，统筹和管理整个BIM团队。图3为本项目的BIM团队组织架构。

图3 项目组织架构图

2.2.3 流程模型

浦东美术馆项目的总体工作流程如图4所示。业主BIM团队负责BIM成果应用； BIM顾问团队负责整个BIM的质量、进度和数据安全的把控管理； 各个参与方BIM团队依据图纸和建模标准构建相应的BIM产品模型，解决各阶段实施过程中遇到的工程项目问题。

图4 工作流程图

在浦东美术馆项目的BIM实施中，VDC的三个子项相互作用、形成一体，对于推进和指导浦东美术馆项目的BIM应用非常重要。

2.3 设计阶段应用

浦东美术馆项目在设计过程中以VDC框架为基础结合BIM技术进行建筑性能模拟和碰撞检查等，通过可视化的模拟分析，发现设计问题，支持优化设计。

(1)建筑能耗分析。利用Revit+Trace700进行能耗模拟分析，结合冷热负荷、逐月及全年能耗进行节能设计，通过提高冷热设备的能效、通风系统和供水系统的变频控制等节能措施，美术馆暖通空调系统的年能耗比参考建筑低6.29%。建筑能耗模拟分析如图5所示。

图5 建筑能耗模拟分析图

(2)日照与人工光源分析。日照与人工光源分析同样采用产品模型，光学团队利用BIM软件进行模拟分析，研究自然光对室内空间的影响，实现人工光与自然光的更好结合，营造更加舒适的展示空间。

(3)碰撞检查分析

浦东美术馆项目的空间结构复杂、机电管线繁多。尤其在设备转换间的机电管井转换部分与土建冲突严重，屋面设备机房的管线与土建钢构冲突严重。利用建筑、结构及机电的BIM模型进行碰撞检查，在此基础上进行讨论，有效解决了管线排布优化的问题。图7所示为机电管综进行碰撞检查的结果。

图7 机电碰撞检查结果图

2.4 施工阶段应用

(1)施工场地分析

浦东美术馆项目的周边环境复杂，在VDC框架指导下利用BIM技术进行施工场地模拟，为施工决策提供了重要依据。

在这个阶段，施工作业BIM产品模型的搭建非常关键。土建施工BIM团队在设计模型的基础上进行修改，在Navisworks软件中附加了建造过程、施工顺序等信息。在进行施工过程的可视化模拟过程中，帮助项目人员及时发现施工方案中存在的问题，并对方案进行分析和优化，提高方案审核的准确性，实现施工方案的可视化交底，以便更好地指导施工过程，如图8所示。

(2)大玻璃幕墙安装模拟分析

浦东美术馆面向黄浦江的一侧，其外玻璃幕墙采用12m及6m超高双层“大玻璃”+LED屏系统的特殊设计。玻璃幕墙采用了12m*3m的大规格尺寸，单块重量达到10t，这给施工安装及后期更换带来了巨大挑战。

幕墙BIM团队采用了Navisworks软件进行幕墙大玻璃安装过程的反复模拟，帮助总包管理团队和幕墙工程师推敲和寻找施工方案，如图9所示。通过BIM技术对外玻璃幕墙施工工艺进行预施工、预模拟以及辅助专家评审，最终确定最优的施工方案，顺利完成安装。

图9 外幕墙超透大玻璃安装工艺模拟图

3 结论与展望

在浦东美术馆项目中，VDC/BIM框架从数字化顶层设计的高度，指导BIM技术与工程项目进行有机结合。通过案例应用得出，VDC/BIM框架的产品模型、组织模型、流程模型三个POP模型在整个项目的数字化技术应用中是相互耦合的。不同项目参与方构建了不同阶段和用途的BIM产品模型，用于错漏碰缺的设计模型、用于场地模拟的土建施工模型、用于大玻璃安装的幕墙模拟模型。所有模型在BIM顾问团队的规划和管理下流转，形成了有序高效的工作流程。BIM技术的应用不但辅助解决了项目中遇到的难题，比如室内净空问题、大玻璃安装问题，同时也提升了所有团队的生产和管理效率，这也VDC/BIM在可视化建模应用阶段取得的效益。

VDC/BIM框架的应用深度取决于BIM技术在项目的应用能力。目前国内项目，错漏碰缺核查、施工模拟等可视化建模技术的应用已经取得广泛的共识； 以信息共享和交互为特征的集成化应用尚在成熟过程中； 在5G技术、人工智能以及大数据等技术的催生下、业内正在积极探索VDC在自动化和智能化阶段的更大的应用价值。