建筑信息模型 (building information modeling, BIM) 由3部分组成: (1) BIM是一个设施 (建设项目) 物理和功能特性的数字表达; (2) BIM是一个共享的知识资源, 是一个分享有关这个设施的信息, 为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程; (3) 在项目的不同阶段, 不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息, 以支持和反映其各自职责的协同作业。

它是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具, 通过参数模型整合各种项目的相关信息, 在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递, 使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对, 为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础, 在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥着重要作用。

BIM是一项技术的统称, 根据专业的不同也有不同的专业性软件, 如适用于建筑设计、结构设计、暖通设计的Revit绘图平台, 钢结构的Tekla等。目前在土建施工中, BIM应用主要基于Revit平台, 将CAD二维图纸导入Revit中进行三维建模。建好的土建模型与机电、钢结构等相关专业模型进行整合, 可以及时发现各专业间构件碰撞连接问题, 方便技术人员对结构进行深化设计, 通过设置预留洞口等方式解决碰撞问题, 对于施工中可能出现的问题事先做好有效应对, 防患于未然。

在利用Revit建立土建模型之前, 需要CAD版本的二维图纸导入Revit中, 这个其实是一个对图纸再复核的过程。建模是一个对精细度要求非常高的工作, 它需要考虑到很多细节, 这样在建模过程中就可以核查CAD图纸中一些尺寸标注不清晰的地方。另外, 设计单位下发图纸一般分为CAD和PDF 2个版本, 有时可能会出现CAD图纸与PDF图纸部分位置有出入, 通过建模也可及时发现类似问题, 在施工到该部位之前及时与甲方、设计单位沟通, 及时处理避免后期返工, 节省了工期、成本及劳动力。对于拥有成百上千张专业图纸的大型、特大型项目, 建模过程即是图纸审核后对专业图纸进行查漏补缺的一个重要过程, 同时它也可帮助技术人员更加快速准确地熟悉相关专业图纸。

超高层施工中, 结构复杂, 施工过程中安全隐患较多。为了确保施工过程中结构的安全性, 在模型完成后, 可通过Revit中的分析选项对已建好的模型进行预加载, 如图1所示。

编辑荷载名称、类型、性质, 设置组合荷载系数公式, 对设置好的集中荷载 (点荷载) 、均布荷载 (线、面荷载) 加载到单个构件或者整体框架上来分析结构构件的受力性能, 从而找出受力最不利部位, 现场工程技术人员根据模型受力分析编制相应措施性施工方案, 针对结构最不利受力部位, 在混凝土浇筑时, 达到标准强度之前、之后分别采取不同的加固措施, 确保结构安全性和施工过程中的安全保障。

对于超高层建筑结构, 通常涵盖了土建、钢结构、机电安装等多个专业同时交叉施工的情况, 施工过程中, 各专业间也会产生一定的冲突, 特别是在主体核心筒施工时, 结构框架不是简单的钢混结构, 通常情况下, 在墙体中会有钢板墙等大型钢构件。在深化设计时, 平面图纸不能清晰直观地显示各专业间在三维中的立体关系, 而利用Revit建模, 将各专业模型整合在一起, 在三维模型中直接观测到冲突碰撞情况。例如, 对于有型钢混凝土结构的剪力墙、巨型柱、钢骨的超高层结构, 钢筋与钢构件冲突形式主要可以归类为4种: (1) 钢板墙与暗柱箍筋冲突; (2) 钢梁牛腿与暗柱箍筋及主筋冲突; (3) 钢连梁与暗柱主筋及箍筋冲突; (4) 埋件与暗柱箍筋及剪力墙水平筋冲突。对于以上冲突情况需要在钢骨上焊接接驳器、连接板或者穿孔来保证钢筋的连接。深化设计过程中, 钢结构方提供了提资图后, 土建技术人员在深化设计时, 需要对着配筋图手动测量尺寸确定接驳器或者开孔位置, 这样难免会有偏差, 而利用Revit进行三维建模, 可直接将配筋图导入, 在三维模型中检查钢筋与钢骨碰撞情况, 从而快速、准确地找出需要连接深化的部位, 提高技术人员工作精度与效率。同理, 在处理土建与机电管道冲突过程中, 也可利用模型准确地找到需要开孔的部位、孔尺寸大小, 从而避免二次结构施工以及管道安装时反复开孔, 浪费材料、人工。

如图2所示为武汉绿地中心636项目利用BIM技术建立三维模型处理竖向主筋与钢梁碰撞节点示意。图2a为在钢梁上翼缘焊接接驳器, 机械连接上部竖向主筋;图2b为在钢梁下翼缘焊接连接板, 焊接连接下部主筋, 连接板长度应大于主筋焊接长度, 且留置足够的操作空间。通过图2可见, 利用BIM技术建立的三维模型处理工程中遇到的节点碰撞情况比平面图纸更加清晰直观, 利于深化设计、技术交底及现场工人施工作业。

同时, 现场技术人员也可结合模型与CAD图纸进行深化设计, 编制施工方案, 或者利用Navisworks将模型做成动画进行三维动态技术交底来完成某些复杂节点施工的方案与施工模拟。例如, 武汉绿地中心项目, 外框12根巨型柱钢骨结构形式复杂, 箍筋与主筋排布密度大不利于现场施工, 为了解决实际施工的难题, 技术人员利用BIM建模技术模拟现场巨型柱钢筋绑扎, 根据巨型柱钢骨结构形式, 将外框箍筋打断成4节分段进行绑扎, 竖向主筋与小箍筋交错施工, 分为6步逐渐完成一个标准节的钢筋绑扎工作。

此外, 在超高层施工中, 塔式起重机运输也是一项重要的技术难题, 垂直运输距离长, 塔式起重机分布密集、吊次频繁等。利用BIM技术, 对塔式起重机进行三维模拟, 分析各塔式起重机之间臂展冲突情况, 模拟每日吊次情况, 合理安排各专业使用塔式起重机次数以及时间。提高塔式起重机使用效率, 从而缩短工期、节约成本。

对于超高层特大型项目, 土建专业为了满足机电安装的需求, 需要在楼板、砌体结构上开设大量洞口;为了保证土建钢筋的连接, 需要在钢板墙、钢柱、钢梁上焊接大量接驳器、连接板、开设孔洞, 这无疑在原设计基础上增加了很多工程量;同时, 剪力墙、巨型柱内也会有钢骨, 如果纯人工计算, 计算量大、耗时长而且计算精度不准确, 不利于工程竣工结算。而利用Revit等软件建模之后, 在构件属性栏中会有构件各种属性参数, 包括材质、体积等, 同时在Revit明细表中, 也可根据用户需要列出构件不同的参数, 并且此清单可与广联达等算量软件对接, 技术人员能快速、准确地统计工程实际工程量, 方便竣工结算。另外, 技术人员也可根据列表中所列出的体积、剪切长度, x, y, z轴对正方式等参数来检查建模的精确度。

在利用Revit建模过程中, 不同类型构件连接时, 由于软件编程等原因, 往往会造成一些错误, 需要人为手工修正, 如某些不规则断面砌体墙与剪力墙自动连接时, 通常会导致剪力墙边线位移或者形状改变;又或当砌体墙遇到梁时, 默认情况为砌体墙切梁, 这样与实际情况不符。建模中此种类似情况会造成工程量统计时不准确, 且模型与实际情况不符, 无法良好地指导现场施工。对于上述情况, 需要建模时手动设置构件端部不连接, 然后将重叠构件手动进行连接或者改变构件直接连接顺序。但此操作全部需要技术人员手动完成, 从整个工程建模来说这是一个非常繁琐且工作量大, 也很容易遗漏的工作, 也是导致模型精确度不足的一个主要原因。

BIM建模是一个需要多专业相互协调、相互配合的工作。对于一栋超高层建筑, 完整三维模型包括土建、钢结构、机电等多个专业, 而施工中, 各专业分包往往又是拥有独立法人的不同企业, 所以在资源数据共享方面也很难做到及时、公开、透明;且各专业间建模的方法、标准不一致, 国内也缺少相应的行业内统一标准原则, 这也导致在BIM运用过程中, 数据收集缓慢, 模型整合出现问题, BIM数据库无法及时建立。

根据目前我国的行业状况, 对BIM技术的运用处于刚刚起步的阶段, 通常情况只在大型企业中的重点项目会运用到BIM技术, 其他从设计单位到施工单位很少具有运用BIM技术建模的能力。BIM技术数据多、处理复杂, 对硬件要求较高, 也需要配备一定量专业性人员, 这是阻碍BIM技术在我国行业内推广的一大掣肘。如今对于BIM技术的运用就犹如20多年前对于CAD的推广, 随着时代的进步、社会的需要, 行业内需要在技术上再进行一次革新, 使其服务于整个行业。

今后对于运用BIM技术辅助施工的大型、特大型项目, 可建立一个专门性的云端数据信息化管理平台, 各专业技术人员可在平台上及时地上传、更新专业图纸、模型、变更。这样可在一定程度上缓解前文所提到的利用BIM技术建模时数据收集不及时、专业间沟通困难等问题, 加快BIM在各项目上的应用, 推进BIM技术更好发展。

此外, 如上文所述, BIM是一项技术的统称, 基于BIM技术相关应用软件种类繁多。目前在欧美等发达国家从软件开发到实际应用再到后期维护完善已经形成一套成熟的产业链, 而国内真正自主研发的关于BIM应用软件数量稀少, 甚至在某些领域完全空白, 行业内主流应用软件绝大多数属于国外开发, 不能很好地适应我国国情, 且软件开发商也很难为国内应用者提供技术上的支持, 同时也缺少相关的行业标准规范。希望在今后能出现更多、更全面的我国自主研发的基于BIM技术应用性软件, 为国内设计、施工行业提供有效的技术支持。

BIM技术是对工程信息的数据化表达, 目前在我国BIM技术的发展还处于初级阶段, 但不能忽视它的巨大潜力及影响力。BIM技术的应用及推广, 将人们的技术理念从二维带向三维。然而应用成本过高、应用软件的非本土化、行业标准不健全、缺少有效的技术支持等问题也阻碍了BIM技术在我国的发展。虽然BIM技术的应用推广面对如此多的困难, 但与此同时我们也不能忽视BIM技术在建筑节能、绿色施工、科技创效、对成本工期控制等方面所起到的作用。因此, 行业内应加大对BIM应用软件的开发, 努力克服技术非本土化而造成的一系列困难, 推进BIM技术更快更好发展。