BIM在设计和施工的应用

BIM在设计和施工的应用项目概况平凉街道22街坊商业办公综合体项目位于上海市大连路总部研发集聚区的核心组成地块，地块的西南方向面向国歌广场，邻近地铁换乘枢纽。该项目规划设计定位为大型城市综合体，集甲级办公楼、精品商业设施于一体。在目前的项目方案中包含2幢地上23层的办公塔楼（A、B楼），分别沿荆州路和霍山路布置，形成区域性地标，对应国歌公园的办公广场入口空间。地块南侧设置了一栋地上10层的独栋办公楼（C楼），与百米塔楼构成办公建筑组团。另有一栋地上16层的独栋办公楼（J楼）设置于地块北侧，以其体量和商业裙房标识出商业内街在长阳路、辽阳路上的入口，并平衡地块内建筑高度，且与23街坊的独栋办公楼形成视觉上的延续。各办公建筑采用清晰的以五边形为基础的几何造型，平滑的圆角外立面构成面向长阳路的波浪式流动外观（图1）。项目包含了5个小体量地上2～3层高的商业建筑（D～H楼），形成沿长阳路展开的商业面和一条与之平行的商业内街，其五边形圆角造型与办公塔楼取得一致，且能形成活泼丰富的城市空间。三个下沉式广场和四通八达的廊桥将来自城市各个方向的人流引入至地下和地上二层的商业空间，呈现立体化的商业格局。地块内还包括一栋两层高的垃圾及班房（P楼），另设三层地下室，功能为停车及设备用房。概念设计我们充分考虑了两个地块之间的连接、与用地西侧现状公园的连接，以及依据相邻交通流线形成的多通道现状，最大限度地实现了内部精品街流线的协调和综合体各侧的通透性。独立的圆角建筑引导着综合体内的行人，最大限度地拓展了商业空间精品内街沿线。圆角的建筑体量顺应人流动线，展现出流畅、有机的入口姿态。协调的流线在建筑内部随着流动的桥梁继续伸展，将所有的商业空间相互连接起来，从而营造了一个舒适、轻快、开放的购物氛围。建筑采用清晰的基本几何造型，以五边形为基础。整体系统建立在一个模块化的体系上，仅通过旋转或镜像反射对各种造型进行组合，但又不失生动、趣味，所有建筑共同构成了一个协调却又独一无二的建筑综合体。作为上海杨浦区的新地标之一，这一充满活力的建筑综合体以其柔和的造型为地块各方位和整个精品街区提供了流畅的朝向指引，并在大连路这个初始入口处与城市空间和谐地融为一体。设计阶段BIM应用三维可视化BIM模型项目依据二维设计平面图、立面图、剖面图、详图及设计说明、材料表等设计图纸建立三维BIM模型，以解决设计方式中最常见的错误，各种复杂的平、立、剖面图之间的差错，机电管线之间的碰撞及错位（图2）。BIM模型解决“错、漏、碰、缺”问题三维动态可视化模型将以往的线条式的构件形成一种三维的立体实物图形展示在业主的面前。如建筑设备专业间的设备走线、管道等可以用直观的立体三维效果图表示，可以更好地进行优化设计，更合理地利用建筑空间，一目了然地发现问题并及时解决，有效避免各专业之间管线“打架”的现象，提高各专业之间的配合和协调，减少了各工种图纸间的“错、漏、碰、缺”的发生。项目中，根据地下室施工图建模出具土建BIM碰撞报告，其中包括建筑结构问题23个。地下室机电管线设备BIM碰撞报告A版中，暖通空调专业问题19个、给排水专业问题25个、电气专业问题5个。BIM问题协调会上，针对地下室土建BIM碰撞报告A版与地下室机电管线设备BIM碰撞报告B版问题进行现场讨论，针对每个问题提出解决方案，最终将设计问题在前期阶段解决（图3）。BIM模型验证复杂空间问题针对复杂位置进行数据整合和验证，使多维设计得以实现。本项目功能复杂，大体量的建筑、机电管网错综复杂，容易出现管网交错、相撞及施工不合理等问题。应用信息技术系统及相关设备进行管网综合排查。BIM同时检测平面和剖面的位置，建立机电设备管网三维模型，合并在建筑模型中，系统可自动检查出“碰撞”部位。空间净高也是管线综合相关检测工作的一部分，基于BIM信息模型对建筑内不同功能区域的设计高度进行分析，查找不符合设计规划和缺失的部分，提高效率及设计品质（图4）。BIM模型解决净高问题由于层高及精装净高的限制，复杂的机电系统和管线排布将直接影响到后续的机电安装及装修的质量和效果。我们前期设计阶段对机电管线综合考虑不足，加上业主在过程中提出了很多新的要求，建筑、结构图经常修改，使本来深化好的图纸需要重新进行调整。考虑到本项目模型体量较大，将建筑模型、结构模型、暖通空调专业模型、给排水专业模型和电气专业模型分别构建，并给各构件赋予了完整的参数（如尺寸、规格、型号、材料等）。先建立建筑模型和结构模型，然后在此基础上进行各专业设备管线的建模，再根据各专业要求及净高要求，对设备管线进行合理细致的调整、避让（图5）。BIM模型优化设计提出碰撞问题只是解决问题的第一步，而优化设计解决方案才是BIM技术的体现――对提出的优化方案重新建模。三维建模的优势是多专业合并立体展现，任何的细微更改都可以放在整个模型中直观查看并更改效果；通过三维BIM模型平台直观查看问题，极大优化工作效率；还可以通过BIM平台再将已优化的设计用二维图的形式进行设计变更及技术交底。此项目优化成果显著，不仅节约了上百万元的返工和材料费用，也大大缩短了工期（图6）。施工阶段的BIM应用施工阶段模型更新及技术复核模型的日常更新和技术文件的复核是BIM技术运用的日常工作，也是一个持之以恒的过程，其过程很有意义但却不会产生太多涉及成果的内容。本项目在模型更新及技术复核过程中，主要结合了Revit和Navisworks，重点复核不同设计院之间交接的问题。如围护结构增加的临时构件是否会影响永久构件的施工，模型更新文件的表现通过Navisworks进行注释和保存视点，让管理人员能够实时了解图纸文件的变更内容，提高识图效率，避免施工错误和返工。施工方案附图及技术交底施工A、B类方案需配三维附图，结合项目方案编制实际情况，选取部分方案进行三维附图，并结合实际需要运用BIM技术进行三维交底。项目配有三维附图的方案主要有支撑拆除方案、土方开挖方案、模板方案以及外脚手架方案。三维技术交底主要集中于方案中文字无法表述清楚或需要一定三维想象空间的方案部位，就目前的技术条件，三维技术交底仍以书面为主，三维为辅。发挥三维图形直观的优势，体现空间、时间的变换（如土方开挖方案、支撑拆除方案等）（图7）。施工场地平面布置施工场地平面的布置对布置人员操作技能和技术水平要求较高，不仅要求布置人员了解现场平面布置中的主要内容和重难点位置，还要求布置人员具备完善的构件族库和自行建模的操作技能。场地平面布置须根据时间节点对现场布置进行划分，一般分为桩基、土方开挖及地下结构施工、主体结构施工、装饰装修施工等几大阶段。每个阶段在平面布置中都需要考虑现场施工道路、大型机械设备、材料堆场、临建办公生活区、品牌墙、场地水平/垂直运输路线等主要内容。利用BIM进行场地平面布置可以充分发挥三维的优势，如平面的高低差、车辆的运输路线和现场整体的安排把控等（图8）。通过BIM模型进行辅助设计比以往单纯的效果图或动画等效果要更加明显。效果图或动画往往只能在固定方向或者线路进行查看，且经常会因为尺寸颜色等原因产生失真等情况；在决策过程中如果有不同的方案和意见，也无法及时调整和展示。利用BIM技术，可进行周边环境漫游、场地漫游，综合分析可能产生的安全冲突问题。通过不同角度查看现场布置的整体情况，对平面布置方案中难以量化的潜在空间冲突进行量化分析，精准表达施工空间冲突指标，进一步完善场地布置方案，使平面布置方案更全面科学（图9）。施工节点深化施工节点深化是体现BIM技术价值的另一个重要方面，在策划阶段就需要安排好需要深化的机电内容。节点深化工作往往容易停留在纸面上，如果制定策划时没想好哪些节点需要深化，在实际施工需要节点深化的时候，就会因为三维深化节点所需的时间过长而导致不了了之。深化节点需要丰富的现场经验做指导，更需要技术水平高超的人员来实现，所以在节点深化的过程中建议让项目中经验丰富的现场工程师与技术水平高超的BIM工程师互相配合做深化节点。需要深化的节点大多结构复杂或者形状不规则，在本项目中核心筒集水井区域深化和劲性柱节点深化等过程中，依靠现场责任工程师能够快速准确地了解集水井布置方式、土方开挖形式和不同部位钢筋绑扎形式（绕过十字柱、穿过十字柱、弯锚、直锚）等内容，极大提高了管理效率，大大节约了工期（图10～12）。项目含有劲性柱的楼层由于钢筋绑扎不到位，原本每层工期为15天，通过节点深化并进行相应交底，每层工期缩短到只需要7～10天，效果显著。施工机电深化施工机电深化设计是体现BIM技术应用价值的最重要方面，也是产生经济效益最显著的方面。要做好项目的机电深化设计前提是要做好土建模型的核查、预留预埋的检查、结构构造柱等的设计工作。实际机电综合管线深化中最难推进也是首先要做的工作就是完成机房、锅炉房等心脏位置的深化工作，这些位置决定着管线的原始走向和位置。管线综合中喷淋末端和支吊架是体现机电深化精度的另一重要方面，影响机电深化的另一大因素是精装修设计，由于精装修设计图纸完成较晚，很容易影响机电深化进度。我们在深化过程中就遇到此类问题，精装修图纸迟迟无法确定，严重影响了机电的深化进度。针对此情况，我们先集中完成机房深化设计和非精装修区域的机电管线综合，精装区域（如商业、办公等空间，图13）单独做，但仍不能完全避免过程中遇到精装修和非精装修区域冲突的问题。管线综合完成后还需进行净空净高的分析，根据建设单位对不同区域位置的净空要求进行分析，找出净空的最不利点位置，重点布置此区域的管线位置，从而进行相应管线的标高调整和上翻下翻调整。项目安排专人负责机电深化工作，根据最新的CAD施工图纸，对原有模型进行进一步改进深化，并根据现场实际情况，调整管线综合布置，合理预留套管位置，设置综合支架，最后通过调整后的二维图纸和局部三维模型指导施工（图14）。结语在平凉街道22街坊商业办公综合体项目中，基于以上BIM的应用给整个项目带来了设计质量的提高，加快了施工进度，使得施工工序更加合理，减少了反复拆除修改的工程，增加了经济利益，为推进整体项目做出了巨大的贡献。