BIM 技术在丘陵地貌群体建筑的应用研究

2022-07-15崔之谦

工程质量 2022年6期

崔之谦

（上海建工五建集团有限公司，上海 200063）

0 引言

如今的建筑业，正在面临着各种新技术、新兴事物带来的革新与冲击。除了 AR、VR、3D 技术、物联网、人工智能，甚至连互联网大数据都在潜移默化中改变着建筑业。其中，BIM 技术凭借可视化、可协调、可模拟、可优化等众多优点，已逐渐被建筑行业接受并广泛使用。

笔者单位承建的大连某学校项目，地处辽东的丘陵地带，项目的占地范围内，高差最大可达 40 余米。由于地势起伏、地质条件复杂，工程面临施工总体布置难度大，施工空间受限矛盾突出，综合管线布置要求高等一系列施工难题。BIM 技术在该项目的应用，可有效、直观地将丘陵地貌施工难题进行提前预判分析，通过地貌数据采集、施工模拟、节点优化等方式，为工程提供可行的实施方案。同时，使用方还可利用 BIM 技术的建筑三维信息模型，实现项目的可视化运维管理。

本文将结合该项目的实施建设，对 BIM 技术在丘陵地貌群体建筑的应用进行研究。

1 利用无人机倾斜摄影技术进行地形数据采集

丘陵地貌地势起伏、地势高差较大，特别是群体建筑工程，其场地在水平与垂直方向空间范围很广，对工程建设前期的台地建筑设计、施工场地平整、施工道路设置等设计与施工总体部署造成了许多不便。

无人机倾斜摄影技术有效突破了丘陵地貌的空间限制，利用无人机数据采集便捷、成果模型精度高的优势，对工程建设场地及周边进行一次扫描，无人机通过软件（Altizure）进行指定范围内的飞行与拍摄，采集丘陵地貌照片参数特性，再通过计算机上的 Smart3D 软件（Context Capture）将拍摄的图像文件进行数据处理，组建成数据点云模型，通过渲染和分析，形成整个区域内的丘陵山体模型。

无人机倾斜摄影在实际操作前，首先需要对施工项目现场的周边情况进行简要了解，由于周边无高压线缆及过高的建筑，这对于使用无人机进行飞行规划轨迹来说就方便了许多。现场优先对场地内的灌木杂物进行清理，方便无人机倾斜投影的开展。无人机航摄的高度需要选择合适的地面分辨率，然后结合无人机自带的倾斜相机的性能，按照式（1）［1］计算航摄高度。

式中：H为航摄高度，m；f为镜头的焦距，mm；α为像元尺寸，mm；GSD 为地面分辨率，m。

根据航空摄影的相关规范 GB/T 39612-2020《低空数字航摄与数据处理规范》规定，航向重叠度一般为 65 %～75 %，旁向重叠度一般应为 30 %～45 %；在陡峭山区、高大建筑物密集的城镇地区、海岛、道路、管线、河流等摄区航摄时，重叠度设计宜适当加大［2］。据此，项目的无人机航摄的高度和重叠度均已经确定，由于无人机倾斜摄影利用的是无人机自己的 GPS 定位与自身所带的 POS 数据，现阶段的无人机航摄的布置工作即已成型。在手机端使用软件（Altizure）进行自动航拍，选择好高度、航线区域等参数后，进行无人机的自动航拍工作。将所需建模区域及周边区域的航拍工作完成后，使用电脑软件（Context Capture）载入航拍照片，进行软件的运算。空中三角测量提交完成后，就可以进行项目实体模型的计算与输出工作。输出的模型可以进行简单的测量工作，并且也可以导出和 Autodesk 相关的 BIM 软件格式的模型文件。导入到 BIM 软件中，即可进行工程量和场地土方规划等的工作内容。

相对于放线进行的方格网测量，无人机倾斜摄影技术所呈现的丘陵地貌山体模型更直观、更便捷，比平面图上进行方格网标注标高更能体现出丘陵地貌山体高低不一的特性。利用丘陵地貌山体模型，可直观、快速、有效地描述场地地理特性，便于对现场进行总体施工部署，分析土方挖填区域，规划坡缓可行的施工道路。若采用 EPC 工程总承包管理模式，设计阶段也可以根据场地的高低情况进行整体的台地建筑规划设计，节省土方工程量，节约工程成本造价（见图 1、图 2）。

图1 无人机山体俯拍图

图2 倾斜摄影导入模型

2 利用 BIM 技术对丘陵地貌进行总体施工布置管理

2.1 利用 BIM 技术对场地进行布置

利用无人机倾斜摄影技术制作的场地 BIM 模型也有助于项目现场的实际施工道路布置。该项目红线范围内由于丘陵山地地貌的地势高差极大，最开始利用项目总平图进行设计的平面布置图中设计的道路实施了一段后发现道路的坡度过大，一旦道路因冲洗等原因出现湿滑的现象，就会使车辆难以攀坡，进而导致施工用的材料难以运输，导致项目的土方施工运输变得十分艰难。发现此问题后，项目立刻拿出无人机倾斜摄影技术绘制的模型场地 BIM 模型与原场地布置 CAD 平面图均导入 Revit 软件中进行比对，发现按照平面布置图去设计场地道路的话，还有三处类似的高坡度道路，这十分影响场内通行。项目立刻重新设计施工道路，躲避山地高差较大的位置，且保证新设计的道路可以满足材料运输与施工需求，并对已施工的这段坡道进行了粗糙化处理，保证货车的通行。根据现场的道路布置，重新在平面图和 Revit 中调整场地整体布置，将堆场、加工场地、排水措施等安排在更适合的位置。根据 Revit 中 BIM 模型的参数能力，设计场内监控设施布置，可以减少监控死角。

通过利用 BIM 模型布置场地，可以帮助项目减少因不良的布置造成的返工和窝工，并且优化设计可以节约施工成本造价。

2.2 利用 BIM 模型对大型机械管理

由于项目用地红线范围内的地势高差极大，项目设计采用的都是台地建筑，台地建筑使各个细分区的标高会有很大的差异。学校用楼皆为多层建筑，整体高度不会很高，并且在项目含有预制装配式钢筋混凝土构件种种因素下，对塔吊的布置、选型都有了极大的难度。

在台地建筑中，两个相邻的台地间有较高的高差，布置在较低台地的细分区的塔吊需要考虑其大臂运行半径不要触碰到较高一级的台地的安全范围。在塔吊的布置和选型时，利用网络中已建好的 Revit 塔吊族模型放置在 BIM 场地模型当中，进行旋转较低台地的塔吊，检查其大臂端部与上一级的布置进行复核安全距离。多塔机在台地建筑中，很容易因为施工进度的不一致造成塔吊提升的不一致，一旦不做好整体规划管理就会出现塔吊的碰撞问题，引发重大安全事故。项目中含有预制和装配式钢筋混凝土结构，主要为预制柱和叠合板。叠合板的重量稍轻，项目拟保证全部由塔吊进行吊装至作业面，这对构件堆场的设置，塔吊的吊装能力都要有很详细的计划。群塔在同时施工时，台地带来的高差、构件吊装的布置均为塔吊的选型和设置高度带来了极高的难度。引入了 BIM 技术后，通过一些列对施工的进度进行推演，找到合适的提升时机，并且做好相邻塔吊大臂高度安全差的控制。根据大臂覆盖范围，查看叠合板的重量，保证塔吊型号满足要求同时符合经济性要求。

施工升降机的排布最简单的是要临近施工道路，以方便材料运输至作业面。而升降机附墙在框架结构的附着点也十分有讲究。预先用 BIM 模型布置施工升降机可以留出更多的时间去对结构构件进行验算。一旦与设计单位联合验算该位置符合需求，才可以进行施工升降机的布置（见图 3 、图 4）。

图3 场地施工无人机俯拍实景

图4 利用倾斜摄影模型进行场地布置

为了保证大型机械的运转，采用 BIM 对施工进行简单的推演，掌控大型机械管理过程中的特殊节点，并针对这些节点进行重点把控交底，可以避免施工操作与管理不当酿成的安全事故。

3 利用 BIM 技术进行施工模拟

3.1 利用 BIM 技术进行重要节点施工模拟

BIM 技术在建立初期，Autodesk 公司就是用于辅助设计的。在科技发展迅速的今天，BIM 技术在节点设计中有着至关重要的作用。

该项目屋面处使用仿古造型进行设计，白墙黑瓦的“江南庭院”式建筑造型，更是给校园增添了一份静谧、厚重的学习氛围。而施工时，学校的结构形式则为钢筋混凝土组成的框架结构。使用混凝土框架去完成仿古的屋面造型，对于施工单位存在着不小的难度。设计单位给出的 CAD 设计图纸中，仅能体现建筑四面的剖面墙身做法，而对于两墙交接的屋脊，却没有体现出来。而屋脊的位置正是防水的交接、天沟转弯坡度位置，包括后期挂瓦的钢架设置连接节点等问题极多的位置。项目在初期即对楼体进行结构和建筑的 BIM 模型的构建。目的是在施工之前，完成各细部节点的深化，并与设计展示 BIM 模型进行沟通，把不合理的和不方便施工的位置商议进行优化（见图 5 、图 6）。

图5 利用 BIM 技术布置模板排架

图6 利用 BIM 模型深化施工节点

3.2 利用 BIM 技术进行安装机电管线综合施工模拟

在 BIM 技术的众多应用中，利用于机电安装工程的管线综合排布深化可谓是最实用的一项。笔者单位承建的几所学校中，由于建设单位都是校方或教育局等机构，非专业建筑相关单位，当讲到各专业协同布置管线设计时，凭单一的平面布置图不容易直观地表述出设计思路和反应清楚问题所在。考虑到这个因素，为了能让更多的人看懂施工思路和深化设计理念，采用了 BIM 技术应用于机电安装综合管线排布当中。

借由 Revit 软件作为载体，链接结构、建筑模型后进行各专业的机电模型建立。学校项目中的地下室设备房较多，给排水、暖通、电气和消防等各专业管线密集。在有限的空间中，各专业的管线错综复杂，密集的排布，对施工和后期的维修都有很大的难度。为了避免这些难度，在接到设计图后项目便进行建模工作。各项目都在大规模的机电翻模完成后，进行小范围的碰撞检查和漫游调试工作。根据专业的施工人员的意见，将各管线按照避让规则进行翻弯，如果还是不能满足施工要求，则形成联系单，联系设计与业主进行修改。此举提前发现图纸问题，避免了施工至此发现问题再联系设计产生的等工，并且可以更高效、更经济地进行管线深化设计，可以节省管线和弯头连接件等的用量，进而节约成本造价。

通过 BIM 技术对项目的机电安装综合管线的深化，避免了随意布置管线造成车位限高复杂、车辆上方出现管线影响管线检修等。并且，在 BIM 技术对项目的机电安装综合管线的深化后，项目成本造价得到了很好的节约（见图 7、图 8）。

图7 利用 BIM 模型深化管线综合布置

图8 利用 BIM 模型施工分析模拟

4 BIM 技术在项目运维阶段中的应用

利用了 BIM 技术后，交给物业管理公司的将不只是设计单位给出的蓝图和 CAD 平面图，还要将建成的项目 BIM 模型一并交接。通过物联网及现金的监控系统，可以赋予学校的电器设备智能化。由于承建的几个学校项目业主单位都是校方或教育局等机构，没有特定的项目管理经验，选择 BIM 模型可以更便捷、更直观地让业主方了解到当前的建筑形态，方便业主方后期对物业运维单位的管理。

学校项目中，通过 BIM+ 物联网管理技术，方便物业单位操作终端的用电设备控制。比如，通过设置各种触发场景，可以实现教室内照明设备及通风换气制冷设备根据课时情况定时开关。不但使控制管理变得轻松，更是做到了节约能耗。物联网不单单是控制电灯等开关那么简单，还可以做到电力监控、暖通设备管控、电梯监控、门禁系统控制等。并且 BIM 模型中为终端可以赋予安装的初始时间参数，对于后期维护检修的时间可以进行把控提醒，方便物业管理单位对线路和易损电器件进行掌控。而且线路可视，施工与 BIM 模型一致，方便其进行检修。