BIM技术在土木工程施工领域的应用分析

张志敏，肖燕武

（广州城市职业学院，广东 广州 510405）

0 引言

建筑信息模型（简称BIM）是一个建筑全生命周期各种信息、数据的集合，是一种新兴数据化工具，目前在建筑学、工程学、土木工程等领域得到了广泛应用。BIM技术以信息技术为支撑，在土木工程活动中发挥着可视化、模拟性、协调性等作用，将图纸变为三维模型，实现施工过程的模拟分析，可有效节约时间、资源成本，提高施工效率、质量，本文就BIM技术在土木工程施工领域的应用展开具体分析。

1 BIM定义及其在我国发展现状

1.1 BIM定义

BIM，即为“Building Information Modeling（建筑信息模型）”，此概念可追溯至1974年，原卡内基梅隆大学Chuck Eastman提出了“Building Description System（建筑描述系统）”这一理念，但是受到当时技术水平的限制，此理念未能够真正实现。随着现代信息技术的不断发展，1982年Graphisoft公司提出了“VBM（Virtual Building Model，虚拟建筑模型）”理念，并于1984年推出了首款建筑专业的三维设计软件Archi CAD。直至2002年，Autodesk发布了一份名为“建筑信息模型”的白皮书，“Building Information Modeling（BIM）”这一术语得到了广泛应用。

2010年开始，国际上各大著名建筑软件公司开始大力推广各自的BIM软件，包括Autodesk、Bentley、Graphisoft等，至此BIM技术开始大规模应用。在2007年第一版美国国家BIM标准（NBIMS）中，BIM定义分为三层：①一个建设项目物理、功能特性的数字化表达的；②一个共享的知识资源；③不同相关方通过BIM插入、提取、更新、修改信息，支持和反映各自职责的协同作业。BIM技术最初的提出，是为了实现各专业的数据互通，切实解决信息孤岛问题，目前随着数据共享需求的不断增大，2015年第三版本NBIMS新增了相关内容，包括6项信息交换内容、11项参考标准介绍等。

1.2 BIM在我国发展现状

现阶段，我国土木工程领域中，BIM技术已经得到了广泛的应用，包括几何信息、建筑信息等方面，前者诸如三维建模、虚拟仿真、碰撞检查等，后者为多方数据集成、管理与应用，提高数据交互效率。基于此背景下，有条件的企业均开始BIM技术的应用研究，建立基于BIM的项目管理信息系统。对于各大施工企业而言，通过BIM技术的研究与投入应用，可提高项目综合效益，如：减少工程变更、优化施工方案，实现复杂施工节点的三维技术交底与实时项目成本动态控制，增强企业自身竞争力。目前BIM技术在我国的应用主要包括三大模式，分别为全外包模式（图1）、混合模式（图2）、全自建模式（图3），满足了不同企业发展情况，为推进BIM技术提供了多种思路。

图1 全外包模式

图2 混合模式

图3 全自建模式

1.3 BIM技术应用的硬件、软件条件

值得注意的是，BIM技术的硬件、软件条件直接影响和制约其应用和发展，在土木工程实践中还需进一步完善BIM硬件、软件。

硬件配置需在保证BIM技术正常使用基础上，合理控制实际投资，包括：服务器（如：BIM中心关口服务器、Revit server服务器、项目部数据库服务器、文件管理服务器、Web服务器、BIM中心文件服务器以及数据网关服务器）；NAS存储设备；供电设施（如UPS）；图形工作站等的选择和布局。

在BIM软件配置方面，表1列出了可参考的几类BIM软件。

表1 BIM软件类型

2 BIM技术特征及其在土木工程施工中的应用要点

2.1 BIM技术特征

随着现代土木工程的发展，信息化、智能化、精细化是一个重要方向，BIM技术凭借着自身的可视化、协调性以及模拟性等诸多特征，获得了广泛的应用。基于BIM技术在土木工程施工中的应用，可有效破解土木工程施工进步与转型痛点，提高工程整体施工水平，获得更佳的综合效益。

针对土木工程施工阶段任务需求，BIM技术特征主要体现如下：

（1）BIM提供了一个富含工程信息的数据库，可真实提供工程量计算所需物理、空间信息，由此实现各个构件快速统计分析，有效避免人工烦琐的计算操作与潜在错误，提高工作效率与准确性。

（2）BIM实现了项目虚拟场景漫游，由此完成施工组织方案论证、现场环境模拟分析与施工重要环节可视化分析等，有利于实现工程质量的可靠控制。

（3）BIM涵盖了建筑物图形、非图形属性，可提供虚拟现场模型，以此为平台可整合发展为带有时间属性的4D、成本属性的5D模型，及时解决施工中存在的各类问题，实现土木工程施工进度、成本管理。

（4）BIM提供了土木工程施工中所需的各项资源信息，为各参与方的协作奠定了重要基础，有利于资源调配管理，最大限度减少库存，也减少不必要的等待，全面提高施工效率。

（5）BIM实现了危险空间区域划分，土木工程施工前可做好相应的施工部署，确保施工有序开展、工作人员生命安全；同时，可利用BIM技术制定、优化相关应急预案，如安全出入口设置、机械设备运输路线与救护路线等。

此外，基于BIM技术在土木工程领域的广泛应用，各大施工企业已经开始自主组建BIM团队，设置BIM技术实施流程（图4），由于BIM技术的设备、软件、学习培训需要一定的成本，因此企业必须具有足够的经济基础，同时BIM技术水平的提高也有利于增强自身的施工管理自信。

图4 BIM技术实施流程

2.2 BIM技术应用要点

基于BIM技术在土木工程施工中的应用价值，下文主要就以下几个关键点展开分析：

2.2.1 土木工程模型构建

土木工程施工领域中，通过BIM技术可进行三维几何建模，并创建各专业模型，包括主体结构、机电设备、内外装饰工程等，为后续分析提供可靠基础。土木工程模型并非是单纯的三维模型，还存储大量的数据，包括非构件对象与构件的相关信息，由此形成与实际设计意图一致的建筑工程信息库。

BIM模型建立流程如下：①划分模型工作集：通过各专业模型工作集的划分，为数据协同处理提供了可靠基础，不同工作集以不同颜色标注，具体划分标准如表2所示；②模型文件命名：通过清晰的文件命名帮助企业更好地运用BIM模型，如：项目简称—1区—施工阶段—墙—建筑—砌体—1层—14版—修1；③模型精度：根据美国建筑师学会定义的5个级别，模型精度有LOD100（概念）、LOD200（粗模）、LOD300（精模）、LOD400（加工制造，预制及预安装深度模型）、LOD500（建成竣工，运维深度模型）；④模型更新：为确保BIM模型信息数据的准确有效性，需做好模型更新与维护工作，出具设计变更或是通过其他形式需修改信息的，必须在5d内更新模型；对于发生重大修改的，必须立即更新模型。正常情况下，模型至少60d更新一次。

表2 模型工作集划分标准

基于BIM土木工程模型，实现了设计方案更为直观的展现，包括项目基本形状、空间分布，且模型可任意放大、缩小，实时调整各个部件数量、尺寸、材料，剖析施工中的重点、难点，并引导装饰、安装等构件布置。如图5所示为某建筑施工阶段模型图，此模型中明确展示了施工中所需的各种材料类型，如钢架结构、玻璃、外墙涂料，通过不同颜色直观展示，可根据BIM模型明确材料、施工设备的采购与应用，有效避免施工材料的浪费，同时保质保量的完成工程建设，确保项目在规定工期内完工。

图5 某建筑施工阶段模型

2.2.2 土木工程虚拟施工

基于BIM技术开展土木工程施工作业，可创建虚拟施工图、动态视频动画，模拟实际施工过程，指导并优化实际施工操作。同时，利用Synchro4D施工进度模拟软件，可对土木工程实际任务、场景中模型进行关联，链接BIM与施工进度计划，形成可视化的、动态化的虚拟施工视频，减小各部门信息差，模拟并优化施工进度管理。

在土木工程施工过程中，4DBIM模型可动态展现施工各个过程，检测各专业碰撞，实现工作结构分解，提前经历施工过程，有利于调整施工方案，避免后期返工浪费；同时，施工过程中，可提供准确的形象进度、过程计量数据，有利于安排实际施工、梳理复杂工序，达到既定的项目工期目标。

2.2.3 土木工程碰撞检查

对于BIM技术而言，可视化是基本特征，通过三维可视化功能的充分利用可有效解决二维图纸的各类不足，实现碰撞检查与碰撞优化，提前发现各专业、结构之间的冲突，适应复杂土木工程实际施工需求。根据土木工程碰撞检查情况来看，主要由软件检查+人工检查共同完成实际工作。其中，全专业碰撞检查时，通过BIM模型分析各专业管线数据信息，检测管线碰撞；碰撞优化时，根据碰撞检测报告获得优化后的管线方案，要求准确表达各专业管线标高变化。

2.2.4 土木工程内部空间查看

以BIM技术为基础，可为项目各参与方提供信息交流与共享的平台。基于现代科学技术的发展，VR与BIM技术联合使用成为可能，其增强了土木工程可视性、具象性，可全面展示建筑物内部构造。如图6所示，BIM+VR技术可通过漫游、模拟、渲染，实现人物进入建筑物游览的效果，移步换景，真实展现土木工程内部情况；同时，戴上VR头盔眼镜后，施工或管理人员可查看各个构件信息属性，快速浏览土木工程施工信息，实现可视化交底、方案论证，效率和效果显著提高，有效保证各参与方的协同工作质量。在施工阶段，通过现场视频监控系统与BIM技术的联合应用，可全面获取、快速准确的传递施工信息，在此基础上最优安排工作与分配资源，最大限度降低时间与成本浪费。

图6 基于BIM技术的土木工程内部空间查看

3 实例探析BIM技术在土木工程施工领域的应用情况

3.1 工程概况

本文以某大型工程为例，对BIM技术在土木工程施工领域的应用情况展开分析。此项目体量较大，且土建、结构、机电系统复杂，工程施工过程中涉及诸多参建单位，同时工期较紧，存在较多交叉作业。为保证项目顺利实施，经综合考虑后决定在项目中集成使用BIM技术，并委托专业BIM咨询方辅助BIM工作管理。

3.2 项目组织结构

本项目参与方包括建设方、BIM管理咨询方、设计方、施工承包单位、材料和设备供应商等，具体组织结构如图7所示。其中，BIM团队成员主要包括：BIM经理、BIM模型操作人员、BIM技术协助人员、BIM标准管理人员、BIM系统管理人员、BIM应用开发人员等，具体的职位分类及职责如表3所示。

表3 BIM职位分类及职责

图7 组织结构

3.3 BIM技术的应用情况

本项目以BIM技术为基础，为项目各个参与方提供了一个工作协同与信息交流平台，具体应用情况如下：

（1）项目准备阶段：建设方组织编制项目目标规划、BIM实施规划，明确各参与方职责、工作目标；BIM咨询方编制BIM应用统一标准、工作流程，提高各方协作水平；设计方利用BIM技术进行碰撞检测，及时发现图纸错误，减少因设计所致的不必要的浪费或是工期延误。

（2）项目建设过程：①基于BIM技术与现场视频监控系统的联合使用，准确获取、传递施工信息，并优化工作安排与资源分配，提高工期与成本管理效果；②基于建设对象功能要求特殊性，如施工技术难题的解决，主要采取以下工作流程：施工方提出技术难题，协同管理组协助搜集相关信息；BIM小组将相关信息关联BIM模型，便于各方了解技术问题的各项信息，并经由会议讨论解决方案；BIM小组根据解决方案模拟施工过程，并对各个方案进行对比分析，确定最优解决措施，并将其反馈给项目管理组。

3.4 BIM技术的应用效果

基于建设方的主导下，本项目基于BIM技术的应用实现了工期提前，并达成了项目各项目标。项目建设期间，BIM技术为各方提供了可靠的信息支撑，有利于共同解决各类技术问题，有效减少了工程变更，并提高了项目管理信息化水平。

4 结语

综上所述，BIM技术是信息技术发展下的重要产物，在促进产业升级、为参建各方带来效益等方面发挥着重要作用，因此其在土木工程领域的推广应用成为必然。在土木工程施工领域，BIM技术的应用可通过模型构建、虚拟施工、碰撞检查、内部空间查看等功能，有效解决专业配合不到位、施工工期有偏差、管理存在缺陷等问题，保证项目按时、保质的完成，提高项目综合效益。目前，我国BIM技术在土木工程施工领域的应用尚处初级阶段，还需在以下几个方面加大研究力度：

（1）深入挖掘BIM数据的价值，加强数据交换、建造与运维的数据共享等问题研究，探索一种适合中国标准和工程规范的数据组织模式，为基于BIM技术的土木工程全生命周期的协同工作提供解决思路。

（2）加强BIM技术与各种先进技术的结合运用，实现BIM更高科技的发展，如：3D打印机器人，BIM模型直接对接3D打印机器人进行现场施工，完成“无纸化”交付；人工智能技术，基于大量的BIM模型数据化、结构化，结合人工智能与机器学习技术的应用，实现人工智能化设计；大数据技术，通过大数据与BIM技术的结合运用，可为未来BIM设计、施工提供更为可靠的决策支撑。

（3）以BIM技术促进绿色建筑发展，绿色是现代土木工程发展的重要方向，也是国家相关政策的明确要求，借助绿色BIM概念理论与技术，可实现风能、光能的高效利用，对噪声、能量消耗、污染进行监测改进，实现有机化绿色项目，推动我国土木工程领域的健康、可持续发展。