所谓被动房即被动式超低能耗建筑的简称,是建筑工程与节能降耗等各类技术产品的集大成者,该类建筑物在大幅提高气密性、隔热性和舒适度的同时,还能有效缩减自身对外部的主动性能源诉求与获取,是一种高度节能且居住体验感极佳的新型建筑。抛开被动房诸多优点不谈,包括被动房在内的任何建筑工程管理最核心的内容依然是工程质量全程动态控制,而该类管控涉及施工人员、建筑材料、施工技术方法、机械设备和环境因素等诸多不可或缺的关键元素。在住建部发布的《建筑信息模型应用统一标准》(GB51212-2016)中,将建筑信息模型(BIM)定义为在建筑设施全生命周期内对其物理和功能特性进行数字化表达并据此设计、施工和运营的过程及结果的总称。可引申理解为一种依托计算机信息科技融汇建筑学、工程学和土木工程的新工具,该技术一改传统工程质量控制方法单一依赖二维工程图纸的弊端,转而基于三维图形从建筑设计、施工、运维乃至建筑存续全生命周期检修维护实施电脑辅助,从而真正实现了设计团队、施工单位、运营部门和广大业主的深度有效协同。

传统的被动房项目质量控制的工作重点在于,在不延误工期进度和尽可能节省成本的前提下,通过提高审图和技术交底能力,力求提早识别质量隐患。在大数据、云计算、智慧建设等新技术、新理念的影响下,将建筑信息化工具BIM引入被动房项目的质量控制中,对提高建筑施工企业项目综合管理能力,确保被动房工程项目质量,都具有积极的促进作用。因此本文研究被动房项目质量控制中如何引进嵌入BIM技术,合理构建依托BIM的质量控制体系,以期帮助企业提高被动房项目质量控制水平和利润率,增强建筑市场核心竞争力。

BIM为建筑工程项目质量控制提供了可视化模式,让过往线条式构件呈现得以以三维立体实物效果图的形式表达出来。除此之外,BIM的可视化不同于传统的效果图,而是可以与构件之间形成实时互动与反馈,由于全程可视其结果不仅能够透过效果图表达及生成相关数据报表,还能够让项目设计、营建、运维过程中的讨论沟通、信息传递都得以在可视化状态下顺畅进行。

协调是建筑工程项目中的首要问题,无论设计单位、施工单位亦或业主,自始至终都是需要协调沟通配合。BIM的协调性特点刚好可以提前予以处理,在建造前期就能生成协调数据,有效解决各专业之间的碰撞问题。不仅如此,BIM还能解决类似电梯井布设与其他设计布置及净空要求的协调、防火分区与其他设计布置的协调、给排水与其他设计布置的协调等。

模拟性并非单指所设计建筑的模型,还能模拟出不可以真实操作的事物,比如节能减排、应急疏散、热能传导等各类模拟。在招投标和施工阶段还可以实施三维+项目时间的4D模拟,进而实现4D+造价控制的5D模拟,对于整个项目质量控制将大有助益。

在整个工程项目设计、营建和后续运维的过程中,都可以借助BIM更好地实现优化再造,BIM能够预先提供建筑物的未来实存信息,遇到复杂程度较高的项目,BIM的辅助作用则更为明显,有效破解了传统项目优化可能遭遇的信息、复杂程度和时间制约难题。

BIM不仅可以出具以往设计院提供的二维图纸,同时还可以出具三维节点详图,以及对建筑物进行可视化展示、协调、模拟、优化后的内容,如:综合管线设计图纸;综合结构留洞图纸;碰撞检查侦错报告和建议改进方案等。

被动房“外部能源诉求最小化,内部资源供给最优化”的建筑理念原则,决定了其具有侧重生态宜居和节能环保的突出特点,体现在设计数据方面就会有异于一般建筑工程项目的基本数据要求,比如不同气候区的累计供热、供冷量上限,单位建筑面积供热、空调和照明总计一次能源消耗不能大于45KW•h/年,气密性需满足N50不得大于0.6(即室内外压差50Pa的条件下,换气次数不得超过每小时0.6次)等,另外在环境参数上也较一般房屋更为苛刻。设计数据的诸多特殊要求,必然导致被动房项目在设计、施工和运维阶段的质量控制更为复杂,比如架空楼板上岩棉板的添加,外围护结构上岩棉带、聚氨酯板的设置以及天窗多层超白玻璃的采用等,置换式通风与热回收以及可再生能源优化利用技术的应用等。在这些较之普通房屋营建额外增加的工序流程中,如果沿用传统的设计、施工和运维技术及理念,由于涉及专业较多且可视性较差,很容易滋生事前不易察觉的施工图纸问题以及工程结构、被动房专有节能设施和众多管线之间的图元冲突。而BIM技术的可视化、协调性、模拟性和优化性特点,刚好可以破解被动房设计施工中可能暗含的种种质量隐患,通过三维建模直观模拟展示被动房未来效果,穿行检查并揭示被动房较为复杂的结构、设施和管线之间的冲突点,提早为高质量施工和高效率运维扫清障碍。

被动房独有的技术标准要求主要体现在四个方面:一是建筑外围护结构保温性能标准高于一般建筑且需将“冷桥”作阻隔处理,故而外墙和屋面多以挤塑聚苯板(XPS)、聚苯保温板(EPS)或岩棉予以加厚;二是被动房气密性要求较高以降低冬季热量损失,故而室内外空气交换多借助附加机械系统来完成;三是需加装机械新风排风热交换器以增强室内空间密闭性和舒适感;四是采用低热负荷采暖方式以减少对外部能源的主动诉求,一般可能要加装地源热泵、光伏集热器和生物质燃炉等环保设备。

针对被动房上述有别于一般建筑的技术特点和要求,在被动房项目质量控制中引进嵌入BIM技术时应注重做好如下融合协同环节:一是在利用BIM模型三维建模和在线云碰撞检查时,要突出被动房外围护结构保温材料的模拟呈现,对于被动房附加较多的节能设备和管线要反复进行穿行检测,根据BIM检测显示的碰撞点在各专业沟通协调的基础上加以完善改进;二是在利用BIM技术进行被动房施工事中质量控制时,应运用BIM可视化三维图形展现“冷桥”阻隔处理等复杂施工节点,并对被动房保温密闭和新风热交换等特殊施工工艺加以虚拟模拟和动漫展示;三是在利用BIM模型进行的被动房运维事后质量控制时,应运用BIM技术一模对多点的功能,重点监控被动房保温材料、新风排风热交换设备和其它光伏节能设施的后续运行情况,如有问题故障随时跟进处理排除。

改变现有被动房设计团队本专业设计能力强而BIM能力偏弱的情况,以及建模人员BIM技术掌握运用不全面的不利局面。在设计团队组织架构方面专设BIM总监,负责制定BIM应用战略规划和具体目标,提出BIM流程、数据标准和审核办法,协调本团队与企业高管及各部门之间的关系;专设BIM项目经理,负责BIM综合模型的运管维护,审核统筹、集成归类和实际运用各专业生成的BIM数据,把控BIM流程和数据标准的执行落实。下设建筑、结构和机电等各专业设计师和BIM技术人员,具体负责基于BIM的各项设计工作,合力完成各专业设计的BIM建模及应用。具体如图1所示:

被动房项目设计作业在未引进嵌入BIM技术之前,一般都是设计人员根据业主客户诉求,在可行性研究的基础上先拿出方案和初步设计进而形成施工图设计。BIM模式下,设计人员在设计之初即可依循业主要求构建三维模型,十分形象直观地向非专业内客户展示专业设计信息,及时沟通、协调和听取对方的设计变更意见;传统模式下图纸会审只凭借数量庞杂且相互间衔接性较差的二维图纸实施,其间暗含的不同专业交叉碰撞点和问题隐患不容易被识别揭示。引进嵌入BIM技术后,设计人员凭借直观的三维图形并借助BIM的剖切、漫游、测距和跨专业集合碰撞筛检等技术功能,利用发挥其可视化、协调性、模拟性和优化性特点,通过参数建模及不断调整修改相关参数、集合归类实施穿行碰撞检测、一模多用提升信息交流及设计交底效率,既能在施工展开之前发现设计中潜在的问题,又能在不断优化改进中获取敲定最佳最优设计方案和施工图。在设计阶段基于建筑信息模型的质控流程构建中,可以再融合引入PDCA闭环式质控方法,使BIM和戴明环两种管理工具交互作用、相辅相成。具体如图2所示:

施工管控团队同样专设BIM总监,负责统筹理顺本团队内各专业之间的工作衔接,向上争取经费及各种资源保障,安排组织和调度督促团队内各项目经理的职责落实,全程管控督查各项工作进展情况确保BIM交互成果质量;下设BIM项目经理,负责BIM建模计划制定和相关硬件软件的构建配置,草拟制定各项BIM规范标准,搭建BIM施工管控团队并明确人员职责分工,定期实施考评奖惩以督促保障工作效果,制定并不断优化工作流程,动态调度协调各专业工作衔接;下设土建与机电模型、深化模型、脚本、动画制作和BIM协同平台管理等专业科室,分别负责构建土建、机电模型和构件库,利用BIM模型实施穿行巡检和碰撞检查并形成碰撞报告,依据碰撞检查结果不断优化深化设计方案,突出围绕施工重点和难点编写动画脚本并制作模拟动画,最终统一导入BIM协同平台并由平台协同管理科负责统筹,形成施工进度计划、任务派发和各类施工数据表。

进入施工阶段后,导入依托BIM技术构建4D施工进度模型和5D成本控制模型,对于工程项目质量、进度和费用三大管理都意义重大。施工阶段构建嵌入BIM技术的质控体系,同样是融合引入PDCA闭环式质控方法,使二者交互作用形成最佳质量控制效果。一是预案计划(P)层面。在确立工程项目目标的前提下,引进嵌入BIM技术并建立该项目的3D模型,进而分别制定项目质量、进度和成本计划,一并导入建成“3D+质量+进度+成本”的6D模型,在此模型管控下分别制定设备进出场、材料采购加工与使用、劳务进出场等计划,并据此制定生成资金使用计划;二是执行实施(D)层面。施工过程中在BIM 6D模型的管控下,严格按照计划环节制定的质量、进度和成本计划展开各项施工作业;三是检查检验(C)层面。借助BIM模型动态更新提供的实时数据,对工程实际质量、实际进度和实际成本进行跟踪检查,并就检查发现的质量偏差、进度偏差和成本偏差进行综合分析研判;四是处理落实(A)层面。在深度分析质量、进度和成本偏差形成原因的基础上,尽快拿出合理有效的偏差解决办法和质量控制措施。

与前述设计、施工两个阶段侧重团队组建和质控流程设定略有不同,后续运维阶段则更加注重BIM管理系统平台的合理搭建与有效运用。强化建筑信息集成与有效利用是运维阶段确保建筑质量的得力措施,BIM运维管理系统应涵盖建筑空间、设备维护、安全、能耗和综合信息管理五大方面,通过信息交互整合后将人员位置流动、空间规划分配、移动设备位置管理、设备维修养护、安全防范及灾害报警、能源耗费及预警、建筑资产管理等信息全部纳入BIM运管质控平台,为确保被动房项目交付使用后建筑运维维持高质量水准提供有力的技术支撑。

秦皇岛“在水一方”低能耗被动式房屋项目是由国家发改委批复的首批住建部中德国际科技合作示范项目之一,也是建筑行业低碳技术创新及产业化示范工程和国内首个被动房示范工程。针对秦皇岛所在地区气候特点和示范项目的资源条件,该项目应用清华同方能源环境机组,采用完全独立的分户式能源环境系统,以低温空气源热泵技术为主,新风热回收、空气净化和自动化控制等多项技术为辅,为业主提供全年室内环境解决方案,包括供暖供冷、全年送新风、供生活热水、控制室内PM2.5和CO2浓度等。该项目质量控制全程引进应用了BIM技术,竣工后经专家组讨论,符合国家发改委和住建部被动房项目的要求,顺利通过验收,成为被动房项目质量控制中嵌入应用BIM技术的典范。

一是合理规范构建BIM模型。“在水一方”被动房项目采用Revit软件构建建筑、结构、安装等专业的BIM模型,涵盖尺寸、管径、体积等几何信息和强度、纹理、颜色、耐火性等非几何信息,并注重BIM建模全程维持最新版本状态。先由建筑、结构和机电各专业BIM技术人员构建BIM模型样板,经BIM总监和项目经理核准后下发各专业BIM设计师,保证了BIM模型构建应用的规范统一;针对项目实际确定建筑信息模型拆分标准及原则。考虑到“在水一方”项目工程量较大和承建单位计算机信息系统软硬件性能受限的实际,将模型按专业合理拆分为建筑、结构、水电暖和人防等子模型,并细分至每个楼层以便于实际应用;规范模型命名。按照构件、材质、楼层、功用、尺寸等一一涵盖对应的原则,对各个分拆后的模型进行名称管理。比如S-F1-KL2-400*400即表示“结构专业、一层、构件名称为梁、尺寸为400×400”;统一模型色彩划分。按照模型色彩与施工图纸相匹配的原则,力求配色标准划一、线性明晰可辨,并运用三维配色以便于不同系统进行区分应用;针对被动房供暖供冷、冷热负荷指标、建筑气密性和季节性超温频率指标等方面的特殊要求,提前运用BIM模型予以设计优化。

二是实施碰撞和仿真穿行漫游检查。在前期各专业BIM建模完成的基础上,依托整合链接后的全专业模型实施碰撞检查,生成包含各层各专业碰撞及单一专业自身碰撞问题的碰撞检查报告;在碰撞检查的基础上继而进行仿真穿行漫游检查,识别碰撞检查中难以发现的诸如空间净高不足、构件间距不符要求、各类保温材料不达标、窗扇气密性不足、“冷桥”阻隔不彻底、节能设备管线预留洞口定位不准等等可能影响施工操作的软碰撞问题。完成上述两类检查检验后,针对存在的碰撞问题提出整改方案并逐一改进落实,进而再实施碰撞和仿真漫游检查,通过多次PDCA质控闭环确保设计施工图纸和模型的针对性、实用性和可操作性。

一是施工准备阶段抓好场地布置、可视化技术交底和信息导入。提前利用BIM模型软件对工地进行场地模拟布置,结合被动房独特的设计数据要求,针对被动房项目可再生能源优化利用设施和管线较多的实际,提早识别被动房工地布置发现存在的问题并加以破解;将被动房蕴含较多的被动式节点和梁柱节点实施3D可视化技术交底,便于施工人员完全领会掌握;将施工图纸和施工计划等信息导入BIM系统平台,便于全程把控施工质量、进度和成本。

二是施工展开阶段抓好任务派发、问题标签标识和工期数据还原存储。借助移动互联技术BIM系统将前期依据施工计划生成的各项具体任务,实时自动派发至相关施工负责人的APP移动客户端,这个过程从任务提醒、流程监控督查到结果评估,都做到了责任落实、痕迹可查、质量可控;BIM系统平台将参建方施工责任人上传反馈的各类问题进行汇总,分门别类地标识问题标签,比如被动房保温层空腔、外墙聚苯板保温层防火、吹入式保温材料是否填满、外围护结构防风性能、啮齿类动物隔绝、被动房无热桥和气密性施工效果、被动房新风和暖通系统等方面的问题,为下一步被动房施工管理决策提供参考;BIM系统平台还可以发挥自身强大的数据统计功能,实时将真实的工程项目施工工期、工程量和人员材料机械使用数据全部写入系统,以备工程全部竣工后进行工期数据还原,为企业后续承接被动房项目遗留可资借鉴的质量控制经验。

三是4M1E视域下的施工质量控制。充分发挥运用BIM技术特长,从人员、材料、机械、方法和环境五个方面入手,结合被动房建设项目特点分成被动房保温施工、无热桥及“冷桥”阻隔施工、气密性施工、窗户施工、新风系统施工、暖通系统施工六大类别,分门别类地拿出针对性较强的质量控制措施办法。人员把控方面成立BIM领导小组和QC小组,借助BIM系统平台将各项质量控制责任落实到人,确保每个环节、每道工序都不出现质量瑕疵;材料管控方面将包括合格证、质保证等在内的材料信息全部写入BIM系统,透过Revit软件与构件部位进行衔接关联后生成材料信息二维码;机械设备管控方面安排专人负责设备维修保养,并将设备运转养护状况等信息全部写入BIM系统,全程予以动态跟踪管理;在施工方法管理方面,建立健全自检、互检和工序交接检三道检查机制,杜绝上道工序存在的质量问题延续至下一道工序。依托BIM系统建立了技术交底、技术复核、隐蔽部位检验、样板间示范等各项制度,确保施工质量控制丝丝入扣、不留死角隐患;在环境因素控制方面利用BIM模型模拟日照采光等未来施工现场情况,让施工人员预先感受工地实况。强化成品保护制度,已完工分项任务实时写入BIM系统加以关照保护,营造优良施工环境以确保施工成效。

一是加强营销推广辅助。利用BIM系统智能AR技术,更加直观地向拟购房客户展示被动房的居住体验,帮助他们选择变换家具尺寸样式,帮助达成交易完成;二是实时进行被动房能耗研判及异常预警。在被动房交付使用后,透过BIM运维管理系统对被动房的能耗数据实施动态监测分析,分楼层、分用户、分月份实施能耗比对统计,对于能耗超标者进行预警告知并跟踪排查问题症结。

“在水一方”被动房项目质量控制全程嵌入BIM技术后取得了明显成效,主要表现为:一是借助BIM模型碰撞和仿真穿行漫游检查功能,在图纸会审、设计深化阶段共识别排查出图纸问题61处、可待深化优化项目9项196处;二是在BIM模型统筹协调下对23项施工分项进行了优化提升;三是构建起了被动房项目BIM应用系统平台和被动房专业BIM技术基础数据库;四是缩减施工工期47天;五是节省费用支出近500万元;六是在实践中培养建立起了被动房项目专业BIM技术团队。

通过归纳阐述BIM技术的主要特点,分析被动房项目质量控制中引入应用BIM技术的必要性,探讨被动房质量控制与BIM技术的集合点,比较BIM模式与传统模式质控效果的优劣差异,构建嵌入BIM技术的被动房质量控制体系,并以秦皇岛“在水一方”被动房项目为例进行实例分析后发现,现阶段要想构建建筑存续生命全周期、质量影响因素全方位、覆盖管控环节全流程的被动房项目质量控制体系,引入建筑信息模型(BIM)技术工具是不二选择。科学构建嵌入BIM技术的被动房项目质量控制体系,并融合运用戴明环PDCA和4M1E等质控方法,能够充分发挥BIM技术的可视化、协调性、模拟性和优化性特点,对被动房项目实施全程动态质量管控,确保在被动房项目设计、施工、竣工验收和后续运维全生命周期的各个阶段都取得最佳质量预期。