BIM技术在被动式建筑施工过程中的应用

(中建八局第二建设有限公司，济南 250014)

引言

被动式建筑是建筑利用自身的空间形态、结构形式、建筑材料与构造的设计来达到低能耗的环保型建筑。相比普通建筑，被动式建筑不用依赖太多外部能源就可以达到良好运转的效果。

BIM(Building Information Modeling)技术是2002年以来全球范围内在建筑行业、信息行业及软件研发等领域迅速发展起来的一项新技术。

近年来，随着BIM技术的快速发展，在工期优化、成本优化、管理提升、质量管控等方面已成熟运用于工程建设全过程，并总结出了BIM技术在项目施工中的工作模式及流程。但BIM技术在特殊要求繁多的被动式建筑中，针对性应用较少，缺少系统性的成果总结。

本文以山东省委党校新校区建设项目二期工程为载体，对比被动式建筑与常规建筑施工区别，分析被动式建筑施工技术重难点，探索BIM技术在被动式建筑工程施工过程中的应用方向。

1 工程概况

本项目位于山东省济南市，建筑面积5.47万m2，主要包括综合培训楼、车库、餐厅等。其中综合培训楼地下1层，地上12层，被列入国家和山东省被动式超低能耗绿色建筑示范工程。建成后，将成为我国目前面积最大、结构最复杂、功能最全的被动式超低能耗绿色节能公共建筑。

较传统施工相比，被动式建筑外窗外挂施工、屋面干法施工、增加透气膜和防水膜以提高建筑整体气密性等新技术的应用，使外墙保温、屋面等节点施工复杂。

2 项目策划阶段BIM技术应用

2.1 实景建模

利用无人机倾斜摄影测量可获取选址区域多角度的高分辨率影像，生成实景三维模型。实施过程中，便于我们从宏观和微观两个方面对选址地点进行视察，可以通过影像数据视察选址地周边的每一个细节，使建设项目与周边环境的关系更加清晰，对项目的选址提供了有效辅助。

与传统摄影测量相比，节省80%的时间，测绘精度达到厘米级；通过与实际测量相比，准确度达到97%。

2.2 场地布置优化

利用BIM技术建立三维场地模型，进行有效的模拟验证，预先发现方案中的问题，并协调相关单位进行调整，确保施工的顺利进行。

本工程位于山坡之上，场地狭窄，在进场之前，充分利用BIM技术对施工场地进行布置策划，合理规划临建、塔吊、材料堆场、加工厂等位置。

通过与相关单位的沟通协调，先后对施工场地经过三次优化，减少了土方开挖平整量，充分利用有效空间。

项目策划完成后，对场地进行绿化及渲染，为项目实现“花园式”建筑工地提供有力支撑。通过BIM全面地场地策划，确保了土地利用最大化，最大程度避免了二次搬运的发生； 可直接出具计划投入量，让投入更合理，实现了最小的投入、最大的产出。

通过BIM软件对场布模型进行二次设计，对生活区所有设施及宣传栏进行美化，导出美化效果，交付广告公司直接生产，现场工人参照效果直接安装施工。

2.3 图纸会审

通过BIM模型，对图纸进行直观反馈，提前发现图纸问题并提出图纸疑问，邀请设计院等相关单位召开图纸会审会议、及时解决问题。

被动式建筑复杂节点多、涉及专业广，各专业易发生冲突，造成返工和工期延误， 提前创建BIM模型，在每个专业的建模过程中，共发现157条错、漏、碰、缺等问题，通过对工程图纸的辅助会审，与传统的工程图纸会审相比，工程图纸所存在的问题清晰可见，节省了35%的时间。

2.4 分析模拟

(1)道路车辆行驶模拟

项目现场场地狭小，通过Vehicle Tracking软件设定车辆的几何尺寸及最小转弯半径，模拟车辆行驶路径，合理安排道路两侧构筑物，在保证车辆正常通行的前提下规划出最优路线。

(2)临建光照分析

BIM前期策划做出临建方案以后，进行自然和人工光照分析，通过调整模型做出方案比选，最终选择最优方案。通过光照分析，为办公和住宿提供最舒适环境，以提高工人的工作效率及幸福指数。

(3)安全疏散模拟

基于BIM模型运用Pathfinder软件，以餐厅为例，对人员安全疏散全过程进行仿真模拟， 当人数达到200人时，餐厅右侧出口门宽度不能满足要求，通过优化建议后，设计单位对该位置进行了加宽变更。

图4 餐厅整体疏散模拟

3 深化设计BIM技术应用

3.1 土建深化设计

(1)模板脚手架深化设计

利用BIM软件对模架进行参数化精细建模，辅助确定模架施工方案，从而对模架施工进行精细化管理，解决模架在设计施工中存在的前期设计不深入、算量难度大、外架复杂节点设计难等问题。

本工程高支模区域较多，通过品茗模架设计软件对优化后的模架生成工字钢平面布置图、立杆平面布置图、剖面图、节点大样图等，可快速对于不同搭设方案进行最优化的选择，并有效辅助高支模方案编制； 通过三维模型生成“高支模汇总表”和“材料统计表”辅助计算模架用量； 采用三维模型，实现施工方案可视化，使专家评审更直观、快捷。

(2)叠合板深化设计

综合培训楼标准层以上为装配式楼层，在装配式楼层施工前，利用BIM软件进行构件拆分，再对拆分后的构件进行钢筋排布。叠合板深化设计增加管道预留孔及预埋线盒，避免预制板安装后二次拆改。深化过程中在软件中设置构件编号，直接输出施工图纸与构件明细表。同时生成构件信息二维码，工人现场扫描二维码即可获得构件信息以及安装施工要求。

图5 叠合板深化设计

(3)二次结构深化

针对二次结构在设计施工中图纸描述不清晰以及前期设计不深入等问题，利用BIM模型完成二次结构的优化组合方案、进行施工交底、计算砌体实际用量。

通过Revit软件建立二次结构模型，更直观地了解设计意图，解决图纸描述不清晰的问题。并利用族构件进行墙体排砖以及构造柱的排布，生成CAD二维图纸、砌体用量明细表、三维模型，选择最优方案，做到精细化管理，控制成本。通过砌体排布，楼层砌体材料用量准确率达到95%，减少了材料用量及清理转移用工量。

与传统的CAD二次结构深化相比，采用BIM技术工作效率高、准确率高、施工交底更直观。

图6 砌体排布

3.2 钢结构、钢筋深化

(1)钢结构深化设计

利用Tekla软件建模提前发现钢桁架转换层，斜钢梁与水平钢梁钢筋过大、过密，导致钢筋冲突、钢筋密度大、绑扎与混凝土浇筑困难，利用模型与甲方、设计院及时沟通，提前制定解决方案，通过交界处做加腋处理，避免了工期延误。

在钢结构深化设计过程中，导出的施工图及构件加工图，有效减小了现场拼装的误差，准确指导现场施工。

图7 钢结构节点深化模型

图8 钢结构节点实施效果

(2)钢筋深化

利用广联达BIM算量软件对钢筋进行优化，控制接头数量，短料再次利用，逐层建立钢筋模型，并生成下料清单，与厂家定制相应尺寸直条钢筋，最大限度地减少钢筋原材的浪费，通过运用BIM指导项目节约钢筋约90 t。

图9 广联达BIM算量平台

3.3 被动式节点设计

(1)被动式屋面节点设计

被动式屋面工序繁琐，利用BIM对该节点进行1： 1绘制、指导，并对双层保温、防火隔离带进行排版，确定分水线、排水沟、落水口精准标高，以精细化深化设计保证被动式屋面成品效果。

图10 屋面深化模型与样板

(2)屋面变形缝节点设计

被动式建筑屋面对变形缝要求较为严格，传统变形缝做法无法满足被动式能耗要求，利用BIM技术深化变形缝做法，满足能耗要求的前提下，便于技术质量交底，确保成品质量。

图11 屋面变形缝深化模型

(3)防冷桥节点设计

用防腐木将墙体与安装件进行隔断，有效地阻断墙体与安装件之间的热量传导，极大限度地减少了户内热量的损失。

图12 防冷桥节点设计

(4)被动窗节点设计

被动窗的安装节点比较复杂，安装难度较大，在现场施工开始前，创建精细化节点模型，指导现场施工。

图13 被动窗节点设计

3.4 机电安装深化设计

(1)管综优化

机电模型与结构、建筑模型整合，碰撞检测，共发现碰撞点786处，针对碰撞报告进行管线优化，经过粗略调整进而缩减到355处，再进行精细调整，消除碰撞。

图14 整合模型

利用Revit对管道布置方案进行了三维演示，并进行了碰撞检测。根据业主要求筛选出最优方案，在满足业主需求的前提下，消除管道碰撞，降低施工难度，保证工程按时竣工。

图15 管道优化排布

(2)净高优化

通过对管线布局的优化，最大化提升净空高度，以一层为例，将风机盘管移动至梁窝内，管线可以整体上移360 mm，使净高由原设计4.20 m达到4.56 m。

图16 净高优化

(3)支吊架设计

利用BIM技术建立构件模型，满足现场施工要求，形成构件信息表，指导生产厂家进行加工和生产。

图17 支吊架设计

(4)装配式机房

施工技术员及BIM深化设计人员根据设计图纸及现场的实际情况，借助模型可视化展示技术，与现场安装负责人、施工员一起讨论装配式机房实施方案，发现问题并及时修改方案； 通过设计与施工深度相结合，对各机房、泵房的设备及管道系统进行优化排布。

图18 机房模型

(5)标注出图

管线二次综合布置采用BIM技术，并提前优化碰撞冲突，避免不必要的返工。根据公司出图标准及项目实际需求，完成机电各专业出图，利用深化图纸指导现场施工。

图19 标注出图

4 智慧工地建设

4.1 BIM+VR/AR

利用VR技术进行模型展示、可视化交底、安全教育等。运用AR技术颠覆传统建筑图纸的使用方式，通过手机等移动设备扫描图纸即可得到三维建筑模型，使普通的建筑工人快速看懂图纸，极大地提高了施工图读取效率和准确率，有效推动建筑图纸走向智能时代。

4.2 项目管理BIM云平台

公司以自主研发Dbword软件为BIM数据管控平台，建立跨地域、跨部门、跨团队、基于互联网的协同工作空间，实现企业的无纸化、移动化办公，以DBword为平台实现模型的轻量化，以电脑端手机端为依托，实现模型的浏览查看。

图20 BIM+AR

图21 Dbword管理平台

4.3 智能应用

(1)雨水回收

根据BIM模型、三维场部模型，结合现场实际情况，按照公司雨水、冷凝水循环利用标准，建立雨水冷凝水收集系统，用于洗车、绿化和降尘。

雨水回收及屋面降温智能控制系统将收集的雨水经过净化处理，对现场板房屋顶进行智能喷水降温，既能有效地降低屋内温度又可以达到节约水资源的目的。

图22 屋面降温

(2)智能监控

根据BIM现场平面规划，合理布置太阳能路灯、喷淋设备，使用绿色能源进行照明，安装智能化新型喷雾系统、智能物联监控系统。

图23 智能物联监控系统

(3)智能监测

1)通过BIM模型模拟安装，辅助智慧工地新型卸料平台智能监测系统施工；

2)载物重量自动实时监测，增加传统卸料平台的超载保护功能；

3)语音与灯光报警功能，给施工作业人员预警报警，避免因超载而引起的坍塌事故；

4)远程监控平台记录、查询、分析卸料平台进出料记录，从而针对性地加强安全教育与培训。

图24 BIM模型模拟安装硬件

4.4 疫情防控策划

在疫情期间迅速搭建防疫相关模型与相应位置，并依据模型积极有序地开展疫情防控工作，通过人脸识别测温设备以及积极地消毒、宣传等措施，保证作业人员的安全。

图25 防疫相关BIM模型

5 效益分析

(1)项目管理应用BIM技术，提高了项目规划的可行性，避免了不必要的返工和二次处理，通过施工模拟和方案交底对施工组织设计和专项施工方案提出了20条优化建议，有效地减少了项目施工时间65天；

(2)利用BIM技术进行预先建模设计，严格控制工程造价，通过管道综合和碰撞检测提供364条优化建议，提前发现设计问题和绘图错误，避免施工返工，减少材料损失，节约工程成本约34万元；

(3)利用BIM技术针对各专业复杂节点进行深化设计并进行可视化沟通，缩短了沟通时间，减少了沟通成本，减少了因人员变更带来的风险，减少专项交底会议39场，大幅提高沟通效率；

(4)基于BIM的信息云平台，协调各参与方和信息共享，实现对现场施工的管理改进和实时控制，从而协调和组织资源； 运用BIM动态管理技术，协调各专业分包工作面管理，提高总包单位的协调组织水平；

(5)利用BIM技术提前沟通解决图纸问题，通过节点设计优化施工工艺，模拟施工工序，有效提升了工程整体品质。

6 结语

通过BIM指导现场绿色、智慧科技化施工，确立了打造“花园式工地、智慧工地”的安全文明管理目标，多次接受新华网、大众网、济南广播电视台等多家新闻媒体的采访报道，并获得了济南市住建局领导的高度肯定，为全市“打造花园式工地、创造安全文明工地”营造了良好氛围。

通过BIM指导被动式建筑高质量建造效果显著，目前项目已顺利通过“山东省建筑工程优质结构”，省市领导多次到现场观摩调研，对项目的BIM应用给予了充分的肯定与赞赏。