建筑信息模型, 简称BIM (building information modeling) , 是一场由3D技术向2D技术发起的革命, 是以信息共享作为利刃尖兵向传统建筑业发起的冲击。BIM技术是将三维数字技术作为根基, 一种集成了工程全项目信息的数据模型, 是对于工程具体实施过程 (包括前期的设计和工程造价、中期的现场施工、后期的维护和修复) 的数字化表达。BIM的特点决定了其对建筑业的影响和价值将会远比CAD来得更为广泛和深远, 同时也决定了学习掌握和推广普及BIM所需要付出的努力和可能遇到的困难要远比CAD大得多。与传统依赖CAD图纸进行施工的方式不同, BIM技术在应用的第1步, 通过REVIT软件对二维图纸进行“升维”, 以CAD图纸为底图, 通过类似于创建、添加构建的方式使其立体化。模型创建完成后, 导入到国内土建算量、钢筋算量软件中进行材料用量的统计, 添加清单定额, 并通过计价软件形成招投标文件。同时利用国内三维场布软件、模板脚手架软件, 可以实现现场漫游, 了解施工环境内的每处细节。然后利用BIM5D软件对施工进行模拟, 可以针对不同施工段、施工阶段对拟建建筑进行观察。

北京建筑大学 (大兴校区) 体育馆总建筑面积为19 152.38m², 其中包括:地上建筑面积7 834.73m², 地下建筑面积11 317.65m², 建筑占地面积4 457.57m²。建筑物主体地上1层, 局部3层, 主要功能为篮球训练场所和小型比赛场地, 同时兼顾表演。地下2层, 主要功能为学生训练使用的游泳馆。建筑高度为27.95m。主要结构类型为钢筋混凝土框架剪力墙, 屋面结构为钢网壳屋顶。在项目开展的前期, 使用BIM技术对其进行设计、施工、造价等阶段工程管理方面信息维护。

与以往建筑项目中人员应用平面图纸在现场进行施工不同, BIM技术的核心之一就是利用三维模型, 使项目中全体人员更好地理解所承担的建设任务。而其中, 将二维转化为三维的关键核心就在于利用REVIT翻模。操作过程概括为:定义建筑中需要的构件材料→建立轴网和标高线→导入CAD图纸→将CAD图纸上梁、板、柱、墙等构件在指定位置上画出→3D漫游。其中, 绘制梁、板、柱、墙等构件时可能会出现异形结构, 此时需要使用已有族或者新建族、体量来解决。这里的族和体量是最能体现BIM中将复杂构件参数化绘制功能的步骤, 比如本工程的REVIT建模, 主要通过创建族或体量实现了幕墙体量的建立、铝板和玻璃板的叠合、幕墙与主体结构的附着、曲面幕墙门窗的创建。钢结构建模除了使用软件中的已有族, 在本例中还设计到Ⅱ字形钢族的创建、弧形钢的绘制, 如图1所示。在目前传统钢结构、幕墙的设计深化过程中, 仍存在建筑设计与工程设计之间的协同体系仍不完善的问题, 建筑师对于钢结构、幕墙的构造设计缺乏预见性, 导致设计方丧失主动权, 从而限制了设计师的创造性设计。而REVIT利用参数化设计, 配合参照线、参照平面, 通过建立“族”实现三维化的设计, 能使设计过程更加高效、精确, 便于后期出图, 从而使建筑施工方更好地理解设计师的理念, 提高建筑设计信息传达的可靠性。

此外, 利用REVIT建模时, 应首先对材料进行定义, 这样可以通过REVIT软件实现三维模型的渲染效果, 如果模型建立以后再进行材料定义, 对于几千种杆件的定义是一项繁杂而庞大的工程, 定义的结果也势必不精确;其次需要注意绘图时注意梁、板、柱等构件之间的连接, 区别于以往的平面模型, 三维模型可以直观体现出构建的联系, 因此在绘制时, 对于墙柱板的平齐问题需要特殊注意。

Magic CAD是用来建立水、暖、电管道模型的软件, 模型是根据深化后的设计图纸所构建出, 建模时利用分屏的功能, 按照设计单位提供的管道图纸来绘制平面图, 然后通过软件二维转化成三维的功能, 实现管道的三维化, 利用Magic CAD可以实现管道预留洞口的功能, 结合REVIT的建筑模型还可以实现碰撞检查, 简化了建筑物含有的全部设备, 包括暖通、给排水、电气之间的协调统一, 也实现了建筑物外观与功能性原件之间的配合, 可以使工程人员尽早发现设计中存在的问题, 从而提早解决, 减少对工期以及项目经济效果的影响。

通过Magic CAD与REVIT的结合使用, 可以将建筑与水暖电等多专业相结合, 在一个平台上多专业工程师协同工作, 并且通过碰撞检查, 为工程项目检验建筑物预留孔洞与管道位置之间的关系是否匹配, 预先规避了施工时潜在的问题并及时反馈, 再形成正确的具有指导意义的二维模型。

钢筋算量软件是添加建筑物钢筋并对钢筋量进行汇总计算的软件。由于是对钢筋用量进行汇总计算, 因此只需要按照图纸绘制包含钢筋的梁、板、柱、墙等集中在一起的土建模型, 无需绘制幕墙、钢结构等复杂模型。按照钢筋平法绘制的要求, 绘制梁、板、柱、墙中的钢筋, 同时可以对节点、箍筋、马凳、钢筋的锚固长度等参数进行选择, 然后利用软件的计算功能, 对钢筋量进行计算, 这样简化了以往人工计算的繁杂过程, 也利用更加精确化的结果代替了项目人员根据施工经验计算的结果, 避免材料浪费, 提高了计算效率。

在本工程中, 主要包含了梁的通长筋及局部加固筋, B1层还包括部分预应力钢筋;板上钢筋依据功能局部加密, 个别部位采取2层钢筋布置, 柱钢筋也采取通长筋, 并进行局部箍筋加密, 三级钢筋总用量为2 624.747t, 其中直径<10mm的钢筋用量为414.147t, 直径>10mm的钢筋用量为2 210.6t。钢筋参数如表1所示, 钢筋示意如图3所示。

土建算量软件同钢筋算量软件相同, 是对建筑土建部分工程量进行计算的软件, 首先需要建模, 建模的途径大体分为3种: (1) 在土建算量软件中建立轴网进行绘制; (2) 利用广联达GFC插件, 将REVIT建立的rvt工程文件转化成GFC交互文件, 导入到土建算量软件中; (3) 将钢筋算量软件中的模型导入到土建算量软件中并做相应补充、完善建筑模型。需要说明的是, 在实际操作中, 钢筋及土建算量软件对于异形结构的绘制方面存在桎梏, 加之REVIT与广联达土建算量软件交互通道的兼容性尚未达到高度一致, 因此对于复杂项目的容错率很低, 这意味着REVIT建立的模型有可能无法成功导入到土建算量软件中, 也无法单纯利用算量软件进行模型的绘制。有时需要对REVIT模型的绘制过程按照插件的识别要求进行反复修改, 或者采取绘制和导入2种办法相结合的方式编制模型。模型建立成功后, 对构件添加清单定额, 选择构件合理的计算方法, 由软件计算出工程量。需要说明, 通过REVIT软件自带的工程量统计功能, 可以获得各种构件的工程量, 但是, 这种工程量并不一定符合我国定额计价规范的工程量计算方法, 因此需要使用图形算量软件重新绘制符合定额标准的图形, 从而获得精确的工程量结果。

绘制建筑大学体育馆的土建模型时, 采用在土建算量软件中建立基本模型。利用插件导入的方式建立复杂的幕墙结构模型, 如图4所示。

工程项目人员利用广联达计价软件计算工程项目所需的各项费用, 编制招投标文件。其流程为:将GCL中工程文件直接导入到计价软件中, 或者导入工程项目的清单定额汇总表的Excel文件, 然后对分部分项费、措施项目费等进行补充。编制时要注意清单定额与构件的匹配、清单编号项目信息不重不漏、计算公式选择正确、工程量单位吻合。计价时选择要先完善工程项目信息, 尤其是对定额选择存在影响的建筑面积以及建筑物檐高, 然后选择当地的定额文件。对于具体材料的价格, 可以利用软件提供的最新市场价格库进行加载匹配, 生成合理正确的招投标文件。经过软件计算, 将其他项目费暂定为22 436 616元, 得到本工程的总造价116 284 611.04元, 单方造价为8 888.4元, 与本工程实际投标报价基本相符。

三维场地布置图较以往的二维场地布置图, 具备更详细、更方便施工人员观察场地的优点, 通过三维场地的漫游效果, 可以对施工现场有更清楚的认识, 更方便项目部物资管理人员对基础、主体、装修3个阶段建筑材料的控制。操作过程可以理解为将二维的场地布置平面图进行升级, 具体为将Auto CAD平面图导入到三维场布软件中, 利用软件中带有的场地构件按照图纸重新绘制, 包括移动板房、洗车池、临时建筑等, 软件自带评分功能, 对现场布置安排的合理性、安全性、绿色施工等方面进行综合评定, 以保证布置的现场满足规范要求, 严谨、合理。成果展示如图5所示。

针对本工程场地条件, 最终制定的场地布置方案为场地长120m、宽95m, 采取U形布置, 东西两侧分别布置民工生活区和职员工作区, 南北两侧, 在塔吊75m半径布置了木材、钢筋、模板等加工区域。道路宽度为5m, 转弯半径为9m, 间距5m设置消防设施, 同时为保证绿色文明施工, 设置了生活废品和建筑废品的回收区。具体细节结合软件要求做对应完善, 最终分数评定为100分, 满足了现场场地的布置条件。

通过软件对模板脚手架的支撑方案进行编制。首先将土建算量软件中的模型导入, 软件会智能地根据选择好的梁、板、柱、墙等构件编制模板, 并智能添加脚手架, 操作人员需要将脚手架的参数比 (如间距等) 作详细规定, 然后利用安全性计算的规则, 生成安全报告书, 检验关于模板脚手架的设计是否满足规范要求、达到安全标准。从而降低了施工段风险。

本软件中结合梁、柱的长度、宽度、间距等参数以及振捣时间、浇筑方式等综合因素, 对梁、柱所采用的复合模板以及墙采用的大钢模板进行了强度、挠度等参数的检验, 均满足要求。对于本工程采用的落地式脚手架, 通过对软件进行立杆步距、根数、高度等基本参数的编制, 生成包含刚度稳定性的脚手架以及节点的安全计算书, 通过修改以上相关参数得到满足施工工艺要求的结果。

BIM5D施工项目过程模拟, 是将建筑的3D模型结合1D的时间进度计划、1D的成本造价信息形成的5位建筑信息模型。在PROJECT编制施工进度计划中依据现场的施工工艺和现场情况, 对基础部分、主体部分均划分了5个施工段, 结合施工工艺, 制定了紧前工作和紧后工作的施工及工艺间歇, 最终工期确定为699d。将土建和钢筋算量、场布模型、PROJECT以及计价软件转换成IGMS格式交互文件导入整合, 并将模型、资源以及资金与流水段进行关联, 在BIM5D软件中生成一份完整施工动态分析, 通过漫游、录制施工过程视频更全面的对施工作业过程进行掌控。

本工程施工模拟动画形成后, 通过动画展示, 发现在1层有特殊情况:在东南角有2根柱子肩并肩地拔地而起, 经过对二维图纸的校正, 发现了问题所在:即地上1层的图纸中, 在此处忽略了对斜柱的标注, 使柱在建模时发生了坐标定位的偏差, 经过修改, 修正了此处错误。

本文针对BIM技术在施工过程全周期的控制优点, 结合北京建筑大学体育馆具体工程, 系统详细地介绍了在建模、工程算量、计价、场地布置、进度计划、施工模拟几大方面的应用。通过整体建模, 使工程师在一个统一平台上协同工作, 规避了施工时的潜在问题;通过对钢筋、土建等进行系统的算量和计价, 使各项费用更加直观清晰;通过调整场地布置, 使施工现场布置更加整齐有条理, 在多次调整后得到系统评定100分, 满足场地合理性、安全性、绿色施工等布置要求;最终, 在建模、算量等工作的基础上, 结合时间进度计划和成本造价信息形成的5位建筑信息模型, 生成一份完整施工动态分析, 通过漫游、录制施工过程视频, 更全面地对施工作业过程进行掌控。

结合BIM技术的国内背景与发展情况, 还应注意到BIM在国内开展也存在一定问题, 如:国外计价软件不符合国内计价模式, 复杂模型端口不成熟, 技术人员培养不全面等方面。建议从以下几点进行增强改进:首先, 需要政府的大力支持, 并出台相应的BIM在建筑业内的使用条例及规范;其次, 需要学校加大对BIM技术相关软件的培训, 并设立相关的专业课程;同时, 行业内的企业需要与时俱进, 组织员工的BIM技术培训, 并在相关工程中勇于使用BIM技术, 并不断熟练。