BIM技术基于三维可视化的数字建筑模型, 4D、5D-BIM是在BIM模型基础上集成工程施工进度、图纸预算、场地资源、施工组织等过程中的动态信息, 在三维模型上增加时间进度和建设成本两个维度, 使得BIM技术的应用能够贯穿整个建筑生命周期。本文提出了由建设单位统筹组织的建筑全生命期BIM管理以及其在上海国际金融中心项目中的应用总结和思考, 对建筑全生命期BIM技术在大型项目的新趋势进行了探索和研究, 提出相应的启示建议, 为类似复杂项目的管理提供参考和借鉴。

上海国际金融中心项目由三个建筑单体组成, 分属上海证券交易所、中国金融期货交易所、中国证券登记结算有限责任公司。三个建筑单体的地下部分相连、能源系统共用, 但三个项目分别立项、报建, 产权分开。作为一组超高层建筑群体, 在规模超大、功能丰富、结构复杂、幕墙系统多、工期紧, 采用立体交叉施工工序技术难度大的基础上, 三家建设单位共同委托上海竹园工程管理有限公司 (以下简称:项目公司) 对该项目建设过程及楼宇物业进行建筑全生命期管理。

(1) 项目管理难度大。上海国际金融中心项目位于上海浦东中心城区, 紧邻世纪大道和杨高路商务走廊, 文明施工要求高, 周边环境复杂, 且参建方包括建筑结构、机电、幕墙、消防、精装修等60余家, 高峰期施工作业人员达3000多人, 项目协调管理和成本控制难度大。

(2) 工程技术复杂。三幢塔楼采用框架—核心筒结构体系, 每幢塔楼的核心筒均由相距26m的双核心筒和之间三道支撑桁架所形成的巨型框架组成, 连接三幢塔楼的“空中廊桥”呈T字形布置, 长度达158m。地下室分为5层, 包括带有升降舞台的800座金融剧院。塔楼内部设有能源中心、Tier4级数据中心, 办公楼层全部采用地送风技术、中央吸尘与碎纸技术和厨余垃圾自动处理技术, 机电设备复杂、管线密集。项目整体施工管理要求极高。

(3) 社会关注度高。上海国际金融中心项目与小陆家嘴金融建筑群遥相呼应, 将与周边的上海期货交易所、上海钻石交易所等金融要素市场共同形成上海新的金融热点和资本市场的核心乃至全球金融中心之一。该项目是上海市重大工程, 同时也是住建部信息化应用技术科技示范工程, 受到社会各界的高度关注。

项目建设伊始, 采用由建设单位主导, 项目公司对各家参建单位进行管理的模式, 聘请专业咨询公司和行业专家组指导, 从而控制工程整体品质。项目的许多BIM团队来自设计、监理、施工单位, 为了保证各团队提供的模型质量, 提高建模效率, 有效实现BIM应用软件与项目管理系统之间的数据转换, 项目公司针对项目的性质、构成、各参与方分工和责权等多方面约定了详尽的BIM建模标准、手册及应用规程, 并聘请清华大学担任BIM咨询顾问, 负责进行CS-CMS、BS-PMS开发, 聘请上海建科工程咨询有限公司担任BIM监理, 确保交付模型信息的准确性。各家团队在BIM数据管理平台上协同工作, 形成了唯一的共享数据库。

针对项目的特点和需求, 清华大学主持开发“基于BIM的全生命期信息化管理系统”。确立数据规划目标为主要解决全生命期的数据问题、信息模型搭建以及不同阶段的业务功能的实现问题。为了确保各阶段的数据共通, 便于后期BIM应用的规范化管理, 约定了数据源、接口层、数据层、平台层、模型层及应用层的协同开发原则, 建立了统一的文档编码体系。以设计和施工阶段数据管理为例, 其技术架构如图1所示。

数据源为设计方和BIM团队利用软件绘制的基于IFC标准的模型, 以及监理方、第三方监测、施工总承包、分包等各参建方通过Web远程填报的数据、表单、文档等。通过接口层实现BIM数据接口与交换, 在数据层形成共享BIM数据库。在平台层建立BIM数据集成与管理平台, 主要提供建筑信息模型的数据读取、几何图形显示、统计分析、模型修改等功能, 可以对IFC文件进行解析后结合互相之间的对应关系建立树形层次结构关系。在模型层中4D-BIM管理系统实现了与施工BIM模型的链接, 利用自主开发的进度管理引擎实现与Microsoft Project软件的链接, 对施工全过程进行信息化管理。在应用层实现4D-BIM系统与综合项目管理系统的信息交换, 开展施工模拟与优化、设计及施工碰撞检测等具体应用。

根据项目的需求, 主要选择了Autodesk Revit系列软件, 包括Revit Architecture, Revit Stuctural, Revi Stucture, Revit MEP, Autodesk Ecotect Analysis, 用以创建建筑、结构、机电模型, 建立模型集成的平台, 开展可持续设计及仿真分析。在施工阶段, 还选择了Tekla Structures用于建筑结构设计分析, 整合从概念设计到制造及吊装的结构建筑信息模型流程, 并自动生成结构详图和各类统计报表。

在设计阶段, 项目公司组织设计方和BIM团队应用BIM技术建立建筑信息模型, 对设计方案的整体建筑效果、技术经济指标、使用的便捷程度等有更为直观的认知, 为方案的调整和完善提供了数据依据, 从而做出更有利于建筑可持续发展的选择。

本项目设计包括各专业系统, 涉及建筑 (包含幕墙、景观) 、结构 (包含围护结构、钢结构、一结构、二结构) 、机电 (包含智能化、会议系统) 、装饰 (包含剧院舞台音响、数据机房) , 设计之间的界面众多, 空间关系极为复杂。传统按照施工图设计开展深化设计的模式, 经常会遇到结构或管线碰撞、施工空间不足等问题, 导致工程推进效率低下。

在施工图设计阶段, 利用BIM模型可视化的特点, 基于各专业施工图全部采用参数化设计方式建立3D立体模型。通过合模发现各专业施工图纸的“碰撞问题”, 主要是结构与幕墙、结构与机电、机电与机电互相之间的碰撞。这一阶段主要解决了施工图的“错漏碰缺”问题, 寻找标高、位置错误或缺、漏项, 此时图纸上可见区域内通常存在成片碰撞、局部标高不足, 以地下室B1层为例, 机电碰撞统计见表1。BIM团队汇总问题后要求设计方优化原设计, 调整部分管路走向甚至对系统局部进行调整。

在深化图设计阶段, 各专业系统承包商在BIM设计模型的基础上进行一体化深化设计工作。通过深化设计建模和合模发现大多数是“空间问题”, 即安装空间不足, 需要适当调整原设计、预留管线交叉空间、管线与二结构、装饰之间的空间。在深化设计阶段, 经常会遇到BIM构件信息过于简单不够精细, 造成模型表达受限和多点碰撞。遇到此类问题应提高BIM构件细度级数, 补充详细参数, 明确避让原则。在BIM模型中, 所有构件都存在关联, 因而一体化设计得以实现, 例如在钢结构梁柱的细部接合上, 若螺栓偏移, 则接合板上的孔位也会随之移动。形成准确的深化设计模型后, 可指导或自动生成深化设计图纸。

项目位于浦东陆家嘴金融城毗邻世纪公园, 一侧是陆家嘴建筑高耸的密集办公区, 另一侧是广场、公园、艺术中心等开阔的文化休闲区, 属于比较特殊的人行风环境。为此, 项目公司委托加拿大Rowan Williams Davies&Irwin Inc.在建筑群塔模型上进行风洞试验, 并在BIM模型基础上开展室外行人风环境分析研究, 以评估工程周边的风舒适性和风安全性。通过模拟优化, 在塔楼入口处设置6处凹形的入口, 结合景观设计长青乔木和遮风屏体, 有效减缓建筑塔群和空中廊桥下洗风带来的加速气流, 成功将冬季和夏季人行区域的风速控制在19公里/小时的舒适级范围。

本项目为一组高层建筑群塔, 互相之间存在日照遮挡的问题;地下室设有金融剧院, 地下空间自然采光要求非常高。在BIM模型基础上, 利用Autodesk Ecotec Analysis软件进行模拟计算, 通过在指定日期进行模拟计算日照影响情况, 根据技术管理规定要求控制建筑塔群间的日照间距;采取下沉式庭院、采光天窗、台阶式电梯口等多种方式, 使地下一层、二层采光系数达到1.1%以上, 有效改善地下空间的采光效果, 节约照明电能。

在BI M模型基础上, 利用三维疏散模拟软件STEPS, 对项目内办公场所、数据机房、剧院、博物馆等场所各种复杂的消防疏散状况进行了模拟分析。遵循美国防火协会NFPA的规范, 结合STEPS拥有的障碍物、楼梯、出口、车辆、电梯等专有模型元素, 按照消防顾问美国ROLF JENSEN&ASSOCIATES, INC.设定的疏散路线和速度行动, 通过内部优化算法和规则分析了紧急状况下人员的行动规律, 计算得出自行疏散所需时间, 形成人员安全疏散的分析报告, 对防火分区、消防楼梯的设置提出优化建议。

在交通车流组织设计过程中, 利用清华大学开发的基于BIM模型的车道仿真软件, 模拟轿车行驶的点位和转弯, 然后在前后两点之间进行密集插值, 实现平滑过渡, 最大程度模拟真实行车轨迹。通过仿真模拟发现地下室车道转弯处有设计缺陷, 即内车道转弯困难, 内侧车道的轿车在实际行驶过程中转弯无法避免越过车道线, 而实际开车过程中不太可能离墙柱很近。后续通过协调结构设计进行调整优化, 最终顺利解决行车问题。

在施工阶段, 项目公司在与所有施工方签订的合同中均明确约定承包人与BIM有关的义务, 组织各方共同开展BIM技术应用工作。

本项目三幢塔楼均为“双核心、高中庭”的内部空间形式, 采用钢管混凝土框架-双核心筒-巨型支撑结构体系;联通各塔楼的5层地下室属于超深大基坑工程。根据工程结构功能及受力特点, 在BIM模型基础上对围护结构、主体结构、幕墙支撑钢结构等施工过程中的力学形态进行模拟, 分析预测结构变形值, 对变化趋势进行初步判断。基于BIM模型建立4D信息化监测平台, 见图2, 综合运用GIS可视化技术、数学模型分析、通讯网络等技术, 按照监测类型在模型中布置三维变形监测点, 建立以实时监测数据为核心的数据管理中心, 同时实现传感器设备与用户间信息的实时互动, 使管理人员随时掌握监测信息。监测平台还包含多种数据库, 实现对工程地质、周边环境地理信息的集成管理, 通过设置各监测项目的预警值、报警值实现分级报警, 确保工程结构和周边环境的人员、财产、建筑安全。

在复杂工序条件下, 本项目超大体量的施工组织及工期控制、风险控制难度大。施工总承包运用BIM建模软件搭建基础、结构、场地的模型, 开展场地、交通组织和工期控制等方面的整体施工部署, 力争资源配置均衡最优, 工期最省。在场地和交通组织转换方面:塔楼区域顺作阶段, 道路及材料堆场均利用未开挖区域;纯地下室逆作区首层板完成后, 进行结构养护, 达到设计强度后可作为行车通道;同时在纯地下室逆作区首层结构的加固区域内及部分栈桥板上布置材料加工及堆场。在工期控制方面:顺逆结合的施工方案对整个工程工期的影响包含两条关键线路:一是以三幢塔楼为关键线路, 突出塔楼工期;二是以地下金融剧院为关键线路, 因为支撑廊桥的核心筒位于剧院区域, 优化后确保廊桥施工不受剧院结构施工的制约。

在深化设计阶段, 构件分拆设计人员利用BIM可视化技术建立预制构件的三维模型, 并生成深化设计图。考虑到传统的实物预拼装费时费力, 利用BIM合模开展信息化构件预拼装模拟, 有效提高加工制作的精度。要求工厂人员实际测量将要预拼装的构件的控制截面数据, 通过坐标转换后导入BIM模型, 核对构件加工偏差和构件之间的空隙是否满足规范要求, 实现工地施工的整体拼装一次性就位。

超高层建筑施工过程中通常会出现主体结构施工偏差、钢结构施工变形、索幕墙竖索张拉变形等。通过将偏差实测数据和预测结构变形值导入BIM模型, 与钢结构构件、幕墙转接件的控制点数据进行比对和校核, 可以在工厂加工时及时调整以吸收施工偏差。BIM的一体化施工技术能够提高单元式拼装的进度和精度, 大幅减少工地现场返工修改, 降低高空作业风险。

本项目巨型钢结构廊桥跨度达158m, 主跨单根钢梁重达116t;廊桥施工工况与金融剧院地下结构同步施工、工况交错、场地紧张, 起重设备无法近距离吊装主跨钢梁, 廊桥吊装过程中的加固支撑体系与金融剧院环形支撑、地下室结构共存, 空间上局部有冲突, 施工难度非常大。为此, 各家施工单位借助BIM模型开展研究合作。通过采取廊桥核心筒先冲高, 同时剧院B3层、B2层竖向结构先施工 (相应的水平结构后施工) 以加快剧院屋盖施工进度;创新采用塔吊安装+临时支撑+牵引滑移+同步提升的工艺实现廊桥钢结构的顺利安装。

由于项目采用多项新技术、新工艺, 在建设初期就明确利用BIM技术的可视化优势向施工人员进行方案交底, 但实际应用效果未达到预想目标, 原因在于整个流程的模拟并没有想象中那么清晰细致, 主要是各道工序的搭接表现不够清楚。因此BIM团队强化模型建立的细致程度, 并减小模拟动画中单位时间内所表达的信息量。以地送风系统装配化施工方案交底为例, 在动画中有效表达出4项施工难点: (1) 地板空腔高度低; (2) 地送风管与各种管线交错, 布置困难; (3) 地送风系统采用非标L型空调箱, 机房面积小, 预留检修维护通道难度高; (4) 空腔内地板架设。可视化交底还能让该施工区域的各家施工单位协同安排现场作业, 让土建施工人员确认空腔内砌筑二结构墙体位置, 精装修施工人员确认地板上大理石和地毯铺贴顺序。

利用4D-CAD和BIM技术, 将模型与WBS进行关联用来模拟进度, 通过进度管理引擎与Microsoft Project软件链接来编制进度计划和进行预审核流程控制。施工方在综合项目管理系统中填报的实际进度数据, 经过归并处理后会成为系统中的进度计划WBS, 并自动关联到BIM模型中的建筑构件。通过对比实际进度与进度计划, 从而实现施工过程模拟、进度控制、追踪分析等功能。同时, 项目公司将无人机拍摄和施工方录入进度数据相结合, 实现自动对比计划与完成的差异、开展对关键路线上重要节点的实时动态跟踪, 分析时间滞后所带来的多方面影响, 判定工作任务滞后的主要责任方并给予预警。随着楼层精装修施工单位进场, 利用BIM模型对任一时点的工地状况进行动态展示, 实现工作面的分阶段分批次交接。

目前以BIM为基础研发的专业算量软件减少了图纸数据的重复录入, 使工程量计算更为简便精准。项目公司将投资控制的重点放在合约架构规划、设计变更预评估、资金拨付计划等方面。通过BIM模型, 可以直观厘清不同专业的施工界面, 建立符合项目特点的合约体系, 制定合理的招标采购计划, 动态监测合约履行情况。在项目建设过程中, 遇到重大设计变更事项还利用BIM信息进行增加投资金额的多种方案对比预评估, 为管理层提供决策依据。系统内设置资金使用预警机制, 当期资金使用临近每季度计划准备金额上限时发出预警, 督促责任人进行调整。

在项目运维阶段通过技术集成、系统集成和应用集成等方式, 开发基于BIM的“智能运营管理系统”, 利用BIM模型空间可视化的功能, 统一管理建筑智能化系统中的各子系统及相关设施, 设置资产管理、物业管理、安全管理等模块, 支持运营过程的精细化管理。

根据设计变更依据汇总建立的竣工图BIM模型, 作为运营管理BIM建模的基础模型。通过运营管理BIM模型的可视化展示, 帮助用户直观了解建筑内部的构件、设备分布情况, 直观展示资产在建筑中的分布位置、形状信息等。资产管理模块中房间租赁能够查询到BIM模型中房间的相关数据和信息, 能够实现通知公告、在线缴费、预交费、故障报修、投诉等功能。通过将资产信息与模型连接, 在模型中搜索可快速获取该资产的全生命周期资产信息展示, 包括设备的设计参数、建造参数、设备台账、设备维修记录、设备保养计划等, 方便运维人员快速维护维修。此外, 通过BIM模型可调取某一设备当前监测数据, 或查询该设备运行中产生相关的维修保养、备品备件记录等信息。

物业管理功能模块包括机房运行监测、地下车库、监控设备、维护维修, 具有搭设便捷、通用性强、经济性好等特点, 在节约大量劳动力成本的同时, 实现高效的物业运维管理、信息的实时发布。基于建筑内各机电系统的运行状况、维护计划执行情况等计算出运行指数, 加权计算建筑综合健康指数, 并给出楼内正在执行的各项物业任务 (维护、维修、巡检、保洁等) 及位置, 便于物业人员了解建筑整体状况。基于BIM的维护计划通过建立维护任务与模型构建节点的关联关系, 通过维护维修任务可以快速定位到需要维修的构件。结合施工阶段收集好的设备相关信息, 备品管理可以实现对备品的可视化精细管理, 当备品不足时会发出预警。

基于BIM的智能视频监控系统重点在于能尽快发现异常, 需要尽量避免遗漏, 提高预报准确率。通过对人、物的运动轨迹进行识别处理从而判断某个过程进行的姿态, 一旦发现异常情况, 如有人进入虚拟警戒区域、区域内某处有人群迅速聚集等情况, 马上发出报警信息, 提醒值班监控人员关注相应热点区域。智能PTZ跟踪监控系统能够控制摄像机进行云台全方位旋转和镜头缩放, 针对被锁定的运动目标进行视觉导向的自动跟踪, 以确保跟踪目标持续以放大特写画面出现在镜头中央, 值班监控人员可以看到更清晰的信息, 同时还可以用于事后取证。智能人脸识别监控系统能够将捕获得到的人像或是指定的人像与技防办数据库中已登人脸对象作比对核实确定其是否为同一人, 可根据金融办公安全的要求实现人脸识别记录和分级管理。

上海国际金融中心项目利用BIM模型实施精准化管理已取得预期的效果。基于该应用和实践提出总结和建议:

(1) 建筑全生命期BIM技术的最佳应用模式是由建设单位主导, 协调各参建单位在建筑全生命期协同应用BIM技术进行管理的模式, 有利于实现最大的经济效益和价值。目前许多建设单位已经意识到BIM三维可视化、三维导览的优势, 但仍存在BIM模型仅作为可视化汇报工具, 以及BIM技术仅为施工管理服务的误区。建设单位未能认识到BIM技术的核心价值, 加上项目建设初期BIM的投资较大、使用门槛较高, 导致应用热情不高。而BIM技术的应用有助于建立科学的决策机制、优化设计方案、减少施工前的各专业冲突缩短工期、控制并降低项目成本, 这些对于建设单位都是十分重要的。

(2) 现代化大型复杂建筑项目的管理难度越来越大, BIM技术提供了多维度建筑的参数化设计, 促进多专业协同合作、避免各阶段交接过程中的资料遗失, 实现了设计施工图的多专业协助, 施工模拟设计效果图。目前由建设单位主导BIM应用的项目相对较少, 由于多种信息数据库缺少统一的BIM平台进行协同处理, 导致各自为阵的项目管理效率低下;由于各家参建单位搭建的BIM模型在结构化、细度级数上没有统一, 造成项目完工后大量数据无法再次利用。建议由建设单位主导在建设初期确立BIM建模标准、开发管理平台, 从而大幅减少协同问题, 提升协同效率, 降低协同错误率。

(3) 建设单位BIM成功应用的重点在于合理规划全生命期BIM实施的整体方案, 这需要聘请专业的BIM咨询顾问, 协调各参建方的BIM协同应用, 建立统一建模标准、数据标准、应用标准, 并开发BIM数据集成与管理平台, 以期在设计、施工、运维各个阶段获得最好的应用效果。同时, 有必要聘请熟悉建设过程的监理单位对BIM建模质量进行把关, 确保交付模型信息的准确性, 督促施工单位在工程交付前及时录入各类设备、构件的建造参数和安装信息。