基于复杂性项目建设全过程精细化BIM 模型集成方法

黄珂

（万达地产集团有限公司，福建厦门 361000）

0 引言

随着城市化进程的不断推进，各种大型、复杂建筑项目越来越多，因此，对工程项目管理模式的要求也越来越高。复杂性项目的组成要素过多，这些要素存在的多样性也导致了整个建设项目的多种结构之间充满差异性，而这些差异正是组成整个建设项目的复杂根源。从建设项目的复杂性视角来看，建设项目的结构效果比项目建设规模重要得多。因此，在复杂性项目建设的过程中，实现建设项目的全过程精细化管理是重中之重。

BIM 技术可以将复杂性项目建设过程中各种信息进行集成，从建设最初的方案设计，到实施的开始，再到运营直至施工全过程的完结，均能够把所有数据集成在构建的三维建模技术系统中，建筑设计人员、施工单位、设备管理单位以及企业的各方工作人员均可通过BIM 进行协同作业，这在有效提升管理水平的同时，也节约了资金和成本，进而达到建筑的可持续开发[1]。但工程实践中，许多复杂性项目仍使用普通的施工项目管理方法，虽然可以有效控制成本，但在实际操作中协调难度较大[2]。

因此，基于我国当前建筑行业发展情况，要提高复杂性项目建设过程中的整体管理水平，就需要把智能化管理模式运用到建设全过程中去，并在建设中推动BIM 技术发展。然而，在具体应用实践中，由于分包方式相对较多，很容易出现无实际意义的总包单位，导致各个分包之间的协调工作仍由甲方完成，不利于复杂性项目的建设，亟需构建一种完善的集成方法。因此，本文针对复杂性项目工程的施工建设，构建全过程精细化BIM 模型集成方法，以山东青岛东方影都大剧院秀场项目为例，对精细化BIM 模型集成方法进行实例分析与验证。

1 工程概况

东方影都大剧院的秀场直播项目工程，位于我国山东省青岛市黄岛区经济开发区的中心商务区内。该工程所占用段大部分为人工开垦地，北面为城市沿海一路，海滨路段北部为灵山湾，南面为城市沿海四路。该工程属于复杂性建设项目，主要建设内容由近2000 个特大型企业国际综合电影、近1480 套秀场直播设施及其相应的附属用房等构成，其功能重点是成为上海国际电影节的主会场，同时展示海外电影，承办上海国际电影节开闭幕式、文艺演出以及音乐会等。工程建筑总面积约11.38 万m2，其中大剧院面积24000m2（地上19300m2，地下4700m2），秀场面积21500m2（地上17100m2，地下4400m2），停车楼及其他的建筑面积68300m2。大剧场钢结构主要分布于台塔、观众厅和前厅内，总用钢量1953.7t。而大剧院幕墙设计为以螺旋形上升的复杂面体结构，从设计时就使用了Rihno（犀牛）模型，确保与后续BIM 模型应用的一致性。

2 精细化BIM 模型集成方法

2.1 现场数据采集

在进行模型构建之前，需要对项目进行现场数据的采集。由于大剧院秀场项目施工工期较长，项目建设较为复杂，每天都会产生较多的施工信息，且施工信息会随着工程进度的推进而发生改变，因此需要及时上传施工信息，以确保对施工项目进行精细化管理。施工现场管理人员根据现场实际施工进度，将各项应用的构件种类、数量、应用位置、建设情况等信息绘制成工程量清单表格，每天上传至云平台，实现施工现场数据的采集。

2.2 精细化BIM 模型构建

精细化BIM 模型的构建，首先需建立一个高精度的BIM 族，主要体现为BIM 部件与BIM 族信息的详细程度，准确来说就是需要更加具体的项目工程几何参数、性能信息、定位连接信息、价格信息、供应商信息等。高精度BIM 族适用于对细节要求较高的工程，尤其适用于复杂性项目。

在大剧院秀场项目建设工程深化设计过程中，在对各类场馆构件进行三维BIM 建模的同时，还需要将多种机电设备的厂家、阀部件尺寸、技术参数、运维信息、设计图纸等信息录入BIM 族，保证族内设备、部件信息与实际信息相吻合，实现精细化管理。

在创建BIM 模型中，最基本的内容便是创建结构元素模型，即直接创建最小的结构单元模型。以CAD 底图为基础数据，在Autodesk Revit 软件中制作BIM 模型，而在创建BIM 模型中最主要的部分便是设计模型的基本参数，构成大剧院秀场建筑的所有零件，都需在软件中设定好一定的种族，以方便选用。而对于在秀场内部的梁、墙以及柱等，根据软件内部系统中设立的族可以将其原有尺寸修改成实际参数来进行应用，对于其它构成零件也可以在软件中找到符合要求的形状从而建立新的族，并对相关参数进行设置，还可将其保存以供后续反复使用[3]。

精细化BIM 模型建立的过程是为了提高模型的精准度，但各个结构之间一定会存在碰撞现象，故需要在模型中增加结构碰撞的检查。因此，可将BIM 模块导入Autodesk 的Navisworks Manage软件中，针对秀场建筑结构质检的碰撞进行检测，再通过碰撞检测的结果来对模型结构进行调整[4]。利用激光打点进行测距，每个测站至多可以形成七千万个点，并由此也可以产生点云，这就建立了一个基于建筑项目的点云模型。再将点云模型与BIM 模型相互叠加，则可获取大剧院秀场施工现场全景的扫描图片[5]。

2.3 预警阈值设定及信息可视化

为了避免秀场内部建筑结构在建设过程中出现异常，需通过建立预警阈值，实现对秀场建筑结构多方面状态的实时监测，并进行有效预警。在发出警报后，可及时了解异常原因，制定解决措施。在设定预警阈值之前还需对秀场建筑结构动力的性能进行监测，检测结构的动力性能可以利用模态曲率差来对结构异常的指标进行识别，计算如式（1）所示：

式中：（y）和（y）分别是结构异常之前和之后第x阶段模态在第y位置的曲线率。根据得到的动力性能就可以设定预警的阈值，但还需要考虑建设项目当季温度、风力与结构承载力之间的组合作用，从而计算出秀场建筑结构正常范围内的极限承受状态。正常状态下最不利的情况为该结构的一级预警阈值，最不利状态下承载能力的最大值为该结构的二级预警阈值，实际承载能力的极限状态为该结构的三级预警阈值[6]。实际检测时结构预警阈值对应承载能力的利用率，具体如式（2）所示：

式中：Xa表示可以变化的荷载效应；Xb表示恒载效应；Cn表示材料的强度；η表示强度折减的因子，并且当结构属于无损状态时，η=1.0。根据式（2）就可以得到关于预警阈值的计算公式，如式（3）所示：

式中：Y表示运行维护状态下的预警阈值；Rn表示结构中材料强度变化值；Rm表示恒载状态下材料变化情况。

数据信息可视化技术能够把大量的抽象数据通过图片甚至是视频的形式表现出来，可以有效显著减少对数据的掌握困难度。因此，在大剧院秀场项目建设过程中，采用Autodesk Revit 软件对BIM 模式下的部分模块和现场施工的有关数据进行大量的数据信息整合，实现建模信息和实际监测数据之间的交互查询，并在此基础上表现出了实际监测的大量数据信息。BIM 查询系统能够通过网站与移动终端两种方式来实现查询，所提供的客户端可查询现场全景图，并与模型进行比对[7]。根据数据信息可视化要求，可以将信息可视化插件分为五个模块，具体功能如图1 所示。

图1 信息可视化模块分布示意图

每一种功能都需要增加一个操作按钮，所有按钮均处于“附加模块”中，同时给每个操作按钮都设计一个小图标，以更加方便操作。

2.4 基于数据库的信息集成管理

数据库结构是把建设项目的需求进行分析之后，再将所得到的新需求转变成虚拟的信息结构。建立数据库模型的关键就是建立实体-关系图的模型，通过实体、属性及其联系描述实际项目中关于概念的模型，主要为根据自下而上的方法进行设计，先设计关于局部的概念模型，再设计集成后的全局模型，并进行优化，具体数据库设计结构如图2 所示。

图2 数据库结构设计流程图

数据库结构设计完成之后，就可以根据数据库的内部信息与实际项目信息进行管理，其中最主要的部分就是关于运行维护的管理。

将本次大剧院秀场项目的建设信息输入数据库中，其中包括各个环节中应用到的产品材料的供应商和材料信息，预制构件的参数、设备参数等。同时，对产品质检情况与施工现场安装情况进行记录，并一同输入数据库，关联至相同的产品模块中。通过精细化BIM 模型，实现秀场项目建设全过程精细化管理，对秀场建筑构造、辅助工程项目、机械设备工况、构件阀件规格安装信息、材料供应商等关键资料和数据进行整合，可在数据库中实现查询与管理，保障大剧院秀场项目的全过程精细化管理控制工作的顺利进行[8]。

与此同时，可在秀场建筑施工现场对每个工程设置对应的电子标签，通过精细化BIM 模型实现对施工现场的监督管理。使用标签识别设备扫描施工现场各工程项目中的标签，查询施工设备的运行状态，并将采集到的设备信息上传至数据库中，实时更新现场施工情况。对秀场建设项目施工现场的施工过程产生的数据信息，全部通过精细化BIM 模型进行管控，并通过精细化BIM 模型对施工进度以及施工过程进行监督，若有不规范施工情况及时进行改正。合理运用施工信息，对秀场项目建设的全过程进行精细化管理，使BIM 真正达到对工程生产整个周期的控制，实现准确、直观、全面、关联的工程数据服务与决策支撑，进而使BIM 虚拟工程模块的数据和真实建筑物数据一致[9]。

3 应用与分析

为了测试提出的方法是否可有效解决传统项目建设过程中出现的问题，选择东方影都大剧院秀场项目为实验对象，通过实验平台构建剧院秀场模型来代替真实的剧院秀场，以有效降低成本和不稳定因素。以项目建设过程中的碰撞检查为例，对剧院秀场模型分别使用传统施工方法以及本文施工方法进行检查，通过得到的结果来分析哪种方法更加有效。

实验测试共采集到500 组数据，其中未产生任何接触的钢筋为200 组，剩下300 组则有相互碰撞的情况存在。为了保证实验结果的准确性，通过5 次对比实验来进行验证，表1 为不同方法下钢筋碰撞检测的具体测试结果。

表1 不同方法下钢筋碰撞检测结果（组）

由表1 可以看出，在复杂性项目建设全过程中使用传统施工方法，检测出钢筋发生碰撞的平均数量为198 组。而使用BIM 技术进行钢筋碰撞检测时，可以检测出的平均数量为290 组，明显比传统方法多。可见在进行碰撞检测时，本文提出的方法效果较好。为了对比在复杂性项目建设全过程中，使用不同方法进行施工建设之后，两个建筑模型整体工期的时间情况，整理实验测试结果如图3 所示。

图3 建筑施工完成程度示意图

由图3 可以看出，在复杂性项目建设全过程中使用传统施工方法，经过15 个月之后，施工的完成程度只有20%；虽然后期出现逐渐上升的趋势，但经过30 个月之后，施工的完成程度也只有60%。而使用本文方法进行施工，施工完成度始终呈现出稳步上升的趋势，在经过30 个月之后，整体建筑的施工可以100%完成。

综上所述，无论是对碰撞的检测，还是在施工完成度上的进展，本文所提出的BIM 技术在复杂性项目建设全过程中都有更好的效果，可有效改善传统方法无法准确检测碰撞发生的情况，并加快了整体工程的施工进度，施工效率较高。

4 结语

利用精细化BIM 数据模型，将传统施工流程中彼此独立的技术数据，通过BIM 系统进行统一整合，各方在施工流程中利用BIM 技术数据，共同协作，真正达到了资源共享及协同工作的效果。BIM 技术数据在项目调整及问题解决中起到了关键性的作用，节省了以往设计调整流程中翻查二维图样的时间，大幅提升了工程协同的效率。BIM 技术在工程项目中发挥了突出作用，有效辅助处理了工程实施中出现的重难点问题，真正做到了项目可视化控制、精细化控制，可取得较大的经济和社会效益。