中共一大纪念馆BIM深化设计及管理应用

郭子阳 曹 强 赵 泳 刘 峥 陈 凯

(上海建工四建集团有限公司，上海 200240)

引言

21世纪是信息化技术逐步同各行各业发生剧烈融合的时代，BIM、大数据、云计算、IoT以及人工智能等前沿信息化技术得到了蓬勃发展。建筑产业作为国民经济的支柱性产业，仍然需为国民经济的健康可持续发展提供强力支撑。

国家部委、地方政府及行业协会已出台了多项政策或指导意见，规范和引导BIM、智慧工地在工程项目中的落地，助力工程项目尽快实现数字化、精细化、智慧化管理。

在当今建筑业发展中，舒适度、环保性、经济性等已经成为建筑工程施工所需考虑的重要因素[2]。BIM技术作为住建领域“十四五”规划发展的新方向，相关技术手段已不断完善。BIM技术可在项目策划、建筑设计、施工深化及运行维护等多个阶段发挥作用，既可以改变传统的“边做边改”的施工模式，在模拟建造的环境下提前解决问题，还可以有效减少建筑材料损耗，避免过多返工，助力施工企业降本增效，高精度BIM模型也是运营维护的基石。

1 项目介绍

中国共产党第一次全国代表大会纪念馆，是讲述建党故事、彰显建党初心、弘扬建党精神的红色殿堂，其功能定位包括：建党历史资源高地、建党精神研究中心、建党故事传播窗口[1]。对于维系中国共产党人历史、现在和未来的精神血脉，教育引导全国广大党员在新的历史起点上凝心聚力有着重大的现实意义和历史深远意义。中共一大纪念馆建成效果图如图1～图3所示。

图1 一大纪念馆北侧

图2 南侧入口门厅 图3 北侧太平湖

中共一大纪念馆总建筑面积9 690 m2，地下一层(局部夹层)，主要功能为展厅、陈列厅、文献库房、主要设备机房(建筑面积6 780 m2)。本项目基坑范围内需要保护的建筑物与地下管线众多，在施工过程中要确保历史建筑的安全，严密检测围护结构和土体变形情况。

本项目性质特殊，立项时间短，又遇疫情影响，施工工期十分紧张，因此对施工材料加工工期如门、天窗、砖块等定制加工的材料供应商和砌筑清水墙的施工班组的施工工人的选择上要求很高。BIM技术的应用能够减少建筑材料损耗，助力施工企业降本增效。

2 BIM技术应用框架

2.1 BIM应用框架

本项目BIM技术应用框架如图4所示，主要包括如下五大板块，助力工程施工顺利推进：

(1)多专业模型深化；

(2)施工工艺模拟；

(3)智慧工地应用；

(4)研发的工程管理平台精细化管理；

(5)虚拟、混合现实应用。

图4 一大纪念馆BIM应用框架

2.2 本工程BIM软硬件配置

(1)BIM交付标准

根据国家制定及颁布有关BIM交付标准及设计合同要求确定本工程BIM的交付标准为至少达到LOD-500标准，施工阶段模型精度需至少满足LOD-400标准。本项目建模软件统一使用Revit 2018系列软件，但考虑到各专业施工单位的各自特点，向业主方和总包方报备并得到认可后，可以选用Tekla Structure、Solidworks等软件，要求符合本项目软件平台整合数据传递要求并能完全整合进Navisworks2018，其中精度、原点等的控制应严格满足模型整合要求。

(2)主要软件配置

项目使用的主要数字化应用软件如表1所示。

表1 项目主要数字化应用软件

3 多专业深化设计

3.1 模型搭设深度

建筑模型的搭设主要是作为施工管理的工程信息的载体及施工过程中的技术应用基础。模型的精细程度应完全根据项目立项初期对精细化管理的实质性需求以及工程实际的应用价值，从技术价值、经济价值和政治意义等多个方面进行对比，图5为中共一大项目各专业模型汇总。

图5 中共一大项目模型汇总

项目因后期存在孪生交付及运维管理等需求，故对模型搭设提出如下要求：

(1)结构及建筑模型

需与设计图纸及现场施工情况三者之间保持完全一致； 每一个构件均需进行信息编码操作(信息编码已由人工编码变为插件随机生成)，以满足进度管理模块需求。

(2)机电安装模型

因支吊架、风管等均须在现场实测实量后进行制作加工，存在一定程度上的人为偏差，故不要求现场机电安装情况与模型完全一致，但需保证偏差不影响到管线的排布顺序及管线走向，检修处及机房区域不存在偏差影响。在建筑物完成交付时，机电模型需对此类区域根据现场实际情况进行模型维护，并最终达到交付目的。

(3)室内装饰模型

室内精装饰模型主要应用于净高分析、设计视觉效果展示及机电管线末端定位等，故对精准度及视觉质量要求高，需确保模型三维视觉效果与设计要求一致，材质不应存在色差。

3.2 多专业模型深化

深化设计阶段采用多软件、多系统集成，具体包括Autodesk Revit 2018、Autodesk Navisworks 2018、品茗HiBIM3.1.1、Twinmotion等。

(1)结构深化

根据经验，结构留洞、梁加腋及楼梯间等部位需重点排查，如图6所示。

图6 多专业模型问题排查并出具碰撞报告

在本工程BIM工作开展过程中，结构专业自身出现的问题处在不同的标高处，如斜梁、梁加腋、楼梯间，应重点进行排查。

针对特殊节点如防水节点模型，二维图纸很难将效果向班组展示清楚，可针对部分构件做透明处理，如图7所示，为班组提供更直观的技术指导。

图7 特殊防水节点三维模拟

(2)建筑深化

二次结构深化部分，在完成了初版建筑模型基础上，通过对比市面上现成的插件测试评估，选择适合本项目的插件，评估结果如表2所示。

表2 二次结构插件比选

控制相关构件参数规则来实现模型一键生成，并导出CAD底图，进一步为施工图深化奠定基础。

改变以往的模型处理顺序，优先考虑建筑深化构件避让机电管线，若无法避让，再由机电单位进行管线改道，这种办法不但可以增加空间净高，而且能够节约少量管线材料，如图8所示。

图8 二次结构深化布置图

(3)机电深化

纪念馆针对复杂机房，为避免在实际施工过程中出现：支架支腿密集的情况，影响后期调试维护，技术部门多次组织现场复核，确保支吊架布置的合理，如图9所示。

图9 复杂机房管线优化出图

地下一夹层管线密集，项目部在机电走廊综合完成后，进行剖面出图，确认共用支架间距尺寸，保证走道空间净高，并可节省一些建筑材料，如图10所示。

图10 走道支吊架优化出图

(4)室内装饰深化

本项目展陈功能复杂，机电管线繁多，对于空间占用很大，故机电管线综合深化的情况对于装饰吊顶底标高的控制起到至关重要的作用。

在对地下室标高进行分析时，共发现2处标高未达到设计要求的情况，而装饰封板至少要有100 mm的空间，在确认了管线调整已无法影响净高的前提下，将此处的净高下调150 mm，如图11所示。

(5)外立面深化

对于门头等复杂部位的排砖都需细致地进行模拟深化，并制作成施工模拟动画，为现场进行工艺指导，如图12所示。

图12 地下室净高分析

对于部分施工工艺复杂的门头工序，项目组为了确保工人不出错漏，对于此部分工艺及相关的图纸、文件集成在一个或多个二维码上，如图13所示，并在现场的施工大门入口及相应的施工部位进行张贴，不但方便工人随时查看，也方便其他参观人员深入理解现场工艺。期间，上海市委常委及政府部门领导多次组织会议，对门头造型、外立面样式等提出了多种修改意见。

图13 复杂工艺资料集成二维码

3.3 算量成果应用分析

(1)应用流程概述

在已建立的BIM模型中完善模型信息录入，运用比目云插件，自动计算构件、混凝土用量、支模模板等，无需建立模型的实物工程量，并导出对应清单计价表，如图14所示。

图14 算量应用流程

基于BIM模型出量能够根据算量规则实现智能化设置与调整，能够应用不同地方规范，进行符合特定条件的工程量计算。

利用算量插件自带的清单定额库对构件的实物工程量自动赋予清单编码，实现匹配本企业开发的智慧平台中的定额库[3]。

(2)算量成果分析

本项目施工结束后，项目组利用本项目和某性质类似且体量相近的项目进行算量成果比对，如表3～表4所示。

表3 某项目砌体结构算量情况汇总分析

表4 一大纪念馆项目砌体结构算量情况汇总分析

由于本项目相较迁移项目深化水准更高更精细，洞口更小更加贴合实际需求，故产生了比前项目多出2倍的洞口数。深化成功率虽未明显增加，但如能够在现场顺利落实，将会节约封堵洞口缝隙所花时间，即过大的洞口需要砌块加防火泥封堵，而精细的洞口仅需要防火泥封堵即可，两种现场洞口封堵情况的对比如图15所示。

图15 现场洞口封堵情况对比

对现场洞口漏开率明显提高，项目组翻阅管理过程资料，并进行分析对比，如表5所示，研究讨论后认为是责任划分问题。当二次结构劳务单位完全不对安装开洞过程承担责任时，安装分包虽有足够的动力去跟进现场留洞，但依旧不能够全面掌握二次结构砌筑施工队伍的全部工作面信息。

对于两个项目最终BIM算量结果的对比得出：本项目的深化水准较为出色，且算量的精准程度都符合预期；但与此同时也暴露出了责任划分问题的重要性，要让二次结构单位和安装单位共同承担相关责任，这需要在签合同时就提前约定好。

3.4 三维扫描技术应用

施工现场往往存在着或多或少的偏差，人为复合将耗费大量的时间，且操作难度极大，故选择使用三维扫描仪对已完成结构进行质量复核工作，如图16所示，当发现较为明显的结构偏差时，可以及时组织技术会议解决问题。

4 混合现实

4.1 BIM 4D施工流程模拟

建立BIM 4D施工流程模拟，可找出施工中的冲突点进行讨论。通过模拟制定相应的解决方案，尤其是工序、工法及施工下料等关乎成本的系数，都可以通过模式过程进行一一确定，最终制定最佳施工方案，图17为4D施工方案模拟动画截图。

图17 4D施工方案模拟

4.2 虚拟现实应用

在施工现场中经常出现：现场经验足的不懂新技术，懂新技术的不了解现场工艺。针对这一问题，项目组发现了一种VR导出文件的格式BIMmotion，无需安装软件，只要有源文件，就可直接对项目进行漫游，这让管理人员之间的交互协作变得更加便利。利用BIMmotion直接进行机电管线VR漫游模拟，发现了多处问题，如楼梯间墙体偏移、消防通道，这一应用被现场技术员普遍接受。

导入FBX模型前，需在Revit 2018中对原始模型进行“模型组”分类，针对同一材质的构件导出一个FBX模型文件(其余构件选择隐藏，并将隐藏应用于导出模型)，再导入到Twinmotion中，选择“合并全部”，则软件会识别模型组并对材质进行整体修改，如图18所示。

图18 Twinmotion模型导入分类

4.3 混合现实应用

本工程为项目组配备头戴式MR眼镜，基于MR眼镜对项目进行施工质量交底、放线测量和施工质量验收，如图19所示。

光学:全息透视镜(波导)分辨率:2K 3:2 光引擎头顶追踪:4个光源摄像头眼部追踪:2 个红外摄像头深度:1-MP飞行时间深度传感器相机:800万静止图像麦克风:5通道存储:64GB UFS2.1包括WiFi、Bluetooth:5.0模块图19 MR眼镜及相关参数

通过预先在MR设备中上传BIM模型，到达现场后，根据当前所处实际位置，在模型中找到相同的虚拟位置，并将二者加以对正重合，使虚拟模型与实际场景进行叠合，最后在MR眼镜中进行对比，查看实际的差异。可以通过手势交互，测量实际物体与实际物体、实际物体与虚拟物体、虚拟物体与虚拟物体之间的间距，将发现到的所有差异性情况作为质量问题，进行记录备案。

利用MR技术(如图20所示)对机电安装情况进行校验，能够有效验证深化工作在进行流程调整、职责转移后的管理精细化程度是否得到了明显提高。

图20 MR技术现场应用

5 工程管理平台

智慧建造平台旨在通过BIM、WebGL、数据库等技术进行信息存储和可视化展现，应用物联网和智能移动设备等技术实现建筑全过程信息收集，应用云计算技术进行系统部署和数据维护，并针对不同用户情况提供 Web端、微信端等多形式的管理入口，为建造过程检测、分析和管理提供集成化信息平台，促进精益化建造管理的实施。基于BIM模型确定管理对象，包括管理对象的最小层级、细度及类别，在进度、质量及安全等管理过程中，通过定期录入施工进度信息、质量问题照片、质量检验表单等质量信息以及安全问题照片、安全问题处理情况等安全信息，并将之关联到对应的管理对象上，从而实现全过程BIM信息集成和智慧建造。

5.1 进度管理

公告管理主要分为人为发起公告和自动提醒公告，如图21所示。人为发起公告主要用于发起人在平台端进行安全会议、验收工作、技术交底等通知，发起人可对需通知人员进行筛选，若是周期性工作，也可进行周期性设定，方便工作的实施。附件可添加过程照片，保留珍贵的图像资料； 自动提醒公告主要对接气象部门发布的预警通知，若遇到极端天气，可提醒项目经理提前进行工作部署。

图21 多终端公告管理发布

通过将总承包每周的汇报内容放置于平台中，智慧建造平台在每周例会前会自动采集该周的运行数据，如图22所示，包括进度、质量、安全等方面，减少了人员重复录入的时间，提高了周报报表的生成效率，支持总承包管理人员修改并自定义内容版块。通过该措施，可使总承包汇报的工作更加形象化、直观化、具体化。平台会自动整理往期周报，并进行归档。

图22 工程周报应用实例

5.2 质量安全管理

质量安全整改单虽属于不同的管理模块，但其后台流程和操作办法基本上保持一致，能够使用终端、移动端多端问题发布，如图23所示。目前流程为：发起质安整改单——分包处理质量整改单——总包审核整改情况——关闭质安整改单。审核不通过的，可回退至处理人处要求重新整改，其他人可根据需求设置问题提醒。

图23 质全整改单应用实例

后台将实时收集管理数据，并整理归类成相应图表，显示内容包括：各专业问题发生频次、各施工阶段发生频次、各专业单位质安问题发生率、问题等级划分等。大数据的统计能够基于管理者优化管理模式，有效地提高管理水平。

5.3 资料管理

在建设工程中，工程资料是建设施工中的一项重要组成部分，是工程建设及竣工验收的必备条件，也是对工程进行检查、维护、管理、使用、改建和扩建的原始依据[9]。在资料管理板块，管理者可以对工程过程中各种记录文件进行归纳管理。资料管理提供文档标签功能，可对所有文档贴上特定的标签，以便进一步做分类管理，也可将同一图纸的所有设计变更关联，资料更新可查看历史版本，为后期的索赔提供非常便利的服务，如图24所示。

图24 资料更新应用

协同平台后台还可获取用户行为统计数据，如图25所示，分析后可得到以下结论：

图25 用户使用行为统计

(1)用户使用频率随时间波动不大，反应出平台应用融入了日常管理使用中； 反之，则使用未形成习惯，需要重点监督；

(2)用户使用模块与其所属部门较为吻合，公共模块如资料管理，使用频率较高；

(3)关注各部门、各条线用户使用频率统计，对低频使用用户分析原因，若是平台自身问题，则着重优化平台； 若是操作人员问题，则加强使用方面的监督； 本工程迄今为止已产生资料文件近300 GB。

5.4 协调管理

本工程由于项目施工时间短，模型深化时间紧张，项目组对模型工作进行了分工处理。由于交接版本繁多，且均是过程版，用传统手段很容易出现误用旧版、降低效率的情况，故项目组根据此需求设定了新的处理流程：发起模型交接——模型交接——结束模型交接。其中“发起模型交接”和“模型交接”两步均可相互流转，并且在这两个环节中的任一执行人均可发起“结束模型交接”，应用效果达到了预期，协同平台上的模型文件流转记录如图26所示。

图26 模型文件流转应用

6 智慧工地应用

中共一大项目在建设过程中装设了多种智能设备系统，并将各系统的数据信息整合到同一平台上，项目智慧工地平台的应用界面如图27所示。

图27 一大纪念馆智慧工地应用界面

6.1 智慧门禁系统

(1)设备布置

智慧门禁系统通过有线网络与工地服务器相连接，由安全管理人员负责系统内的信息录入、人脸识别、出勤统计、工资管理。针对疫情问题，该系统还接入了自动测温功能，能够将数据传输到云端平台，进行未戴口罩识别和体温异常识别，有效地支持疫情防控，如图28所示。

图28 智能门禁闸机

(2)人员基本信息库管理

新入场人员均需进行人员信息录入，使用身份证原件，系统可自动获取身份证信息。采集信息包括人脸图片、单位、工种和手机号等，已经逐步形成以集团为单位的人员信息库，如图29所示。

图29 后台检测进出人员信息

(3)人员出勤统计

该系统可实时统计人员进出记录，并对不同班组、不同工种工人的出勤情况分类统计，确保实际出勤与记录一致，如图30所示。若发现到岗情况不理想，可尽快协调相关分包解决问题。

图30 分包人员出勤汇总表

6.2 自动化智能称重系统

(1)设备布置

对工地现场的地磅进行升级改造，加装车辆识别探头、红外仪等设备。一般要求地磅采用数字信号输入，以便于加以改造，可将称重的数据远程传输至云端。

(2)查询运输信息

对接材料公司数据，可直接在小程序上查看当前所有在运泵车的实时详情，包括泵车当前所在位置、司机信息、混凝土级配、方量及施工部位等，如图31所示。

图31 移动端系统界面

(3)无人值守称重

当混凝土泵车进入现场并驶入车磅中，通过红外仪可判断车辆是否完全上磅，若正确上磅将自动触发称重指令，可自动记录当前车辆的称重情况，并识别该车辆的车牌信息以做好匹配； 当车辆完成混凝土卸载，可再次进行空载称重； 通过两次的重量差值，自动转化为对应方量信息，对混凝土材料运输情况进行核验，防止亏方等情况的发生。

6.3 智慧车辆识别与管理系统

(1)设备布置

将车辆识别装置部署在工地大门进出口，需根据大门宽度情况灵活选择部署的数量，保证进出车辆识别率。

(2)车辆自动放行

建立车辆白名单，对于白名单内的车辆，系统识别后自动放行，针对保存记录，可以检索到任意时间段进出记录，配合视频监控系统，查询到该车辆的历史行进路线，还可以设置现场停车数量阈值，达到上限后，不再放行。

6.4 现场安全监控与危险源智能识别系统

(1)设备布置

针对不同施工部位，分别选用固定式枪型摄像机、球型摄像机对现场进行监控。球型摄像机可以进行360°环绕查看和数倍变焦，部署于塔吊顶部，可满足管理人员对大范围区域的动态查看，也可弥补枪型摄像头无法映射的区域。

固定式枪型摄像机为固定视角，主要部署于工地四周、办公区周边、生活区周边、钢筋棚及其他材料堆放区等位置，对工程进度、材料安全等进行记录和监控。

(2)视频监控点位查看

在网页端可以查看选中工地所有视频监控画面，并定时轮播，方便了解工地视频监控总体情况。基于BIM模型查看现场视频监控点位布置，方便后续危险源分析。

(3)基于AI的实时监控功能

基于AI的夜间防盗、安全帽、反光背心识别及抽烟行为识别，在实际应用过程初期阶段，项目组也遇到了各种各样的问题，如AI在布置初期识别率仅为50%左右，在花费数月的AI学习之后才最终实现预期目标，达到识别率95%以上。

6.5 能耗监控与智能化节能控制系统

(1)设备布置

为办公区、生活区的空调设备配备独立的插座，插座可接入平台，实时掌握空调用电情况，支持云端通过Wi-Fi远程控制插座的开关，如图32所示。

图32 能耗监控插头分解图

(2)空调能耗分析

对各个房间的空调用能数据进行多维度对比分析，针对能耗较高的房间分析其原因，若非正常，则可采用强制关闭等方式控制能耗。

(3)空调远程智能控制

在会议室内接入红外控制系统，根据人体温度判定各个宿舍或办公室是否存在使用人员，自动开启或关闭对应空调，并通过移动端通知相关使用人员[10]。

6.6 塔吊智能化安全监控系统

(1)设备布置

针对需要监测的塔吊，在其司机操作室内安装黑匣子和显示屏。将风速、幅度等传感器安装在动臂相应区域，并对塔吊的运行情况进行监测； 钢丝绳监测设备部署于钢丝绳周围，并对运行中的钢丝绳的健康情况进行监测，如图33所示。

图33 塔吊硬件安装实景图

(2)塔吊状态监测

对塔吊的载重、力矩、回转半径等进行实时监测，并将数据传递给系统后台，并通过平台端进行展示。若出现超载情况，系统会自动报警提醒，可有效保证塔机的操作安全。

(3)钢丝绳监测

当塔机运行时，对钢丝绳进行实时的磁信号监测，并经由主板进行信号分析，如图34所示。通过精确的算法识别钢丝绳的损伤情况，并进行损伤等级判断，将钢丝绳的损伤等级分为中度及重度损伤，大大提高了钢丝绳的安全性，有效降低了因钢丝绳损伤而造成的吊物坠落砸人事件发生的概率，并规避人员亲自上塔吊进行检测的风险。

图34 钢丝绳安全检测分析图

7 BIM技术的应用推广与思考

(1)应用点价值评估

BIM技术近几年虽然在建筑行业得到了很大力的推广，但事实上，细分的下级应用点还在一步步拓展，应用的范围以及深度都没有一个指导性的规范，故企业对于BIM应用过程中的成果评估是十分重要的。根据过往BIM施工经验，应组织相关人员对过往工程中的各项应用点进行量化评估，比如哪些产生了经济价值，又有哪些能够对现期施工产生积极影响等，这能让BIM应用向更加务实的方向发展，也能获得其他部门的支持。

(2)数据标准制定

目前，BIM技术在大力推广下已经得到了很好的发展，下一步的发展方向应该是集合模型及相关资料的数字孪生城市对于信息化建筑的整合，故BIM技术相关数据的集合体，是未来数字孪生城市目标实现的先头兵。对BIM技术应有一个较为统一的标准，目前《建筑工程信息模型应用统一标准》《建筑信息模型施工应用标准》是主要的规范性指导文件，但其更多停留在理论层级和指导管理层级，并没有完善到具体的执行标准，应建立企业性实施标准，进行培训且强制统一。

(3)资料线上整合

BIM不仅仅是建模工作，而是信息化集成的载体，是总包BIM管理模式的基础。目前，资料管理还处在一个较为被动的情况，各方只是将资料进行整合后上传平台，解决了资料版本混乱，人员之间互相传递文件降低办公效率的问题。但线上无法形成资料管理体系，则反而由增加工作量的可能。

(4)工作提前量要求

BIM技术的优势集中在：

1)施工前进行模型搭建，可提前发现问题并解决问题，减少返工及材料浪费；

2)将多方工程信息，集成在以模型为载体的建造平台上，并形成一个稳定的线上管理体系。

因此，BIM技术应用的越早，规则制定的越完备，价值就越高。如果项目已经施工，BIM技术的应用将错过工程的最佳时机。介入晚一些的话，不但价值体现不明显，严重的还会导致项目其他成员容易对BIM技术产生疑问，影响BIM技术在公司的推行。