BIM技术在张江大型综合体施工中的研究与应用

杨永宁，李伟，徐红海

（上海建工五建集团有限公司，上海 200062）

1 研究背景

BIM技术目前在建筑施工行业普及率达到60%多，但是多数施工企业只停留在某个应用点或者多个应用点，没有发挥BIM技术的真正价值，也没有真正上升到平台化管理阶段[1]。纵观整个制造业的发展历程都是从传统粗放型向节约型、集成化、信息化、智能化的方向发展。建筑施工行业也亟待借助BIM技术，向更高质量和高效率的方向发展[2]。

2 项目背景

2.1 项目简介

张江中区单元73-02、74-01项目位于上海浦东新区中科路上13号线学林路站南侧，项目效果图见图1，具体为：东至学林路、南至环科路、西至学贤路、北至中科路，北侧紧邻上海地铁13号线。本工程总建筑面积约18.6万m2，73-02地块地下3层框架结构，地上6层钢框架结构裙房，建筑高度40 m；74-01地块地下3层框架结构，地上18层内混凝土外钢框塔楼、6层钢框架裙房组成，裙房建筑高度40 m，塔楼建筑高度100 m。本项目施工阶段BIM技术应用以业主为主导，BIM技术顾问进行过程管控，施工总承包全面负责实施。

图1 张江中区73-02、74-01地块项目效果图

2.2 施工工况

如图2所示，1区首先出正负零，然后再开挖2区，待2区完成地下2层顶板时，利用2区顶板作为支撑附加12根H400 mm×400 mm型钢斜撑（见图3），支撑北侧临近地铁区域4区，换撑后再开挖北侧紧邻上海地铁13号线区域，即4-3区、4-2区、4-1区，同时拆除2区第一道支撑及栈桥板进行2区上部结构施工。与地铁通道连接部位东、西两侧挡土采用钻孔灌注桩，坑外侧止水帷幕采用MJS工法，通道南侧围护借用原73-02地块的地下连续墙，通道北侧采用MJS止水帷幕并借用原地铁灌注桩挡土，坑内加固采用MJS工法，围护墙与坑内加固之间采用高压旋喷桩填充。支撑采用：钢筋混凝土梁，并采用部分钢支撑轴力补偿系统。本基坑主要为与地铁联系通道，约地下2层，开挖深度普遍9.8 m，安全等级为二级；地环境保护等级为一级。

图2 施工区域划分及工况

图3 换撑工况图

3 BIM技术在施工过程中的研究应用

BIM软件选用Revit(参数化建模)、Fuzor（施工模拟）、Enscape（可视化应用VR或AR及虚拟漫游）、Navisworks（碰撞检测）、Context Capture Center Master（倾斜摄影+场地重建），协同平台选用广联达协筑。

3.1 碰撞检查

本工程案例中由于参建单位较多，如基坑、土建、钢结构、幕墙、机电、装饰，各个专业间的协调是难点，尤其是各专业交叉部位，比如，围护与地下结构、混凝土结构与钢结构衔接部位的节点等，机电与建筑结构碰撞、机电与装饰之间的空间冲突问题等。在本工程案例中，各参建单位负责各专业的模型搭建和维护，其中土建和机电BIM模型由总承包单位负责，最终由总承包单位负责各专业间的模型整合，由BIM技术顾问指导实施。各专业间建立相应的BIM模型整合能够很好地解决相关问题，避免问题遗漏造成不可挽回的损失，这对建设单位和施工单位来说都是不可接受的。在项目初期提前搭建各专业模型本身是对图纸的一种深层次理解，很容易发现一些隐蔽性的问题，如在74-01地块地下室建模过程中发现诸多图纸问题，例如，通过建模发现人防门与建筑结构图纸位置不相符，人防门与大风管冲突，与污水井位置冲突等，如图4所示。图纸会审中提出这些问题，以三维的形式展示问题所在更具有说服力，让设计方提前优化。

图4 人防门和污水井位置冲突

3.2 信息化及VR虚拟现实

相对于传统二维图纸，三维模型有着较好的表达优势，并且BIM模型的核心本质是“信息模型”，不单单有模型，还有全面的信息和参数，如图5所展示的构件模型信息。在一些二维图纸表达信息不全面或者难以表达的地方，BIM模型能够让项目管理者和技术人员更好地理解图纸信息。一些复杂曲面节点中或者结构节点比较复杂的部位，传统设计中可能需要许多张图纸分别表达才能展现其设计意图，工人在施工时也存在理解深度不够的问题，通过BIM模型再配合Navisworks及Enscape等轻量化软件，只需旋转各个角度即可明确查看其构造信息。

图5 钢梁信息模型

BIM模型经过深化处理后配合Enscape（可视化应用软件）VR及AR等设备可以更好地体验建筑物内部信息，每个阶段的现场三维场布信息（见图6）。利用Enscape软件导出exe格式文件，其他人员不需要安装软件及电脑硬件不高的情况下可以流畅地可视化浏览，了解施工过程中的细节及完工后的状态，甚至可以展示一些虚拟样板工程及工法等，相比制作实际的样板工程，具有成本更低的优势。

图6 74-01地块挖土阶三维段场布状况（南大门视角）

3.3 方案模拟，施工模拟

利用三维数字化的模型对施工过程进行可视化模拟，对深基坑挖土进行模拟，支撑维护及拆除顺序换撑方案进行模拟，提前做好相应的构件及工序建模，导入Fuzor模拟软件中赋予其施工流程及施工工序，在施工交底时能更好地说明工况，相当于在软件系统中提前按1∶1的比例对场地附属设施、拟建设施进行建模，利用信息化技术对每个重建构件赋予相对应的参数，如塔吊半径、机械设备数量、挖土深度、构件实际尺寸、施工计划信息、位置信息等，再根据既定的施工方案和工序进行模拟，模拟实际施工情况，以确保方案顺利进行。

前期根据场布策划对每个阶段的场布利用Revit进行建模，反映每个阶段场布的机械设备布置情况、时间周期、主体结构状态等；再利用Fuzor软件进行同步，以虚拟施工的方式达到有效协同的目的。三维可视化功能再加上时间维度可以进行虚拟施工（见图7），可随时随地直观快速地将施工计划与实际进展进行对比，同时进行有效协同，施工方、监理方甚至非工程行业出身的人员都可以据此掌握工程项目的各种问题和情况。这样通过BIM技术结合施工方案和施工模拟，方便项目管理者更好地决策，对减少建筑质量问题、安全问题有重大意义[3]。

图7 BIM虚拟施工

3.4 三维深化

基于BIM技术的木模板的三维深化及机电管线的三维管综，其原理就是利用Revit族的参数化对标准模块进行参数化建模，根据实际需要设计每个参数及其公式，这样每个模块具有参数可变的特性。建立标准木模板模型及设置其后台控制参数，再依照主体结构的尺寸位置进行批量布置，并进行批量编号；布置完毕后软件即可自动统计出所需要的实际用量（不计损耗），得出施工及加工数据等。

基于BIM技术的三维深化应用，每个构件模型都是基于特定参数信息，只要确保每个构件的建模及其参数符合设计和规范要求，那么其生成的工程量必定等于实际用量（不计损耗），因为基于BIM技术的工程量与模型、模型的参数及其公式是一一对应的关系，利用标准模块模型的参数及其公式，也就不存在基于BIM技术的预制时所生成的工程量准不准的问题。

对机电管线进行BIM技术优化部署，本工程案例主要是利用Revit+Navisworks相互配合进行智能化调整与检查，运行检查碰撞程序，即可自动识别，同时将需要进行调整部位的高亮显示，并进行第三人称漫游检查批注等。提前对模型进行精细化管控深化，并依据三维深化得出更细致的专业施工顺序，出具三维综合图，进行三维交底。

通过74-01地下室的实施，对于机电专业有着很好的指导作用，对土建施工有一定的参考作用，但其深度应用需要进一步的探索，需要项目管理者更好地接受以及认同。其次，集中预制加工需要强大的数据作为支撑，BIM技术在信息化路径上具有明显的优势。通过现场的反馈，利用BIM技术进行三维深化，可以有效减少二次搬运，缩短工期，提升精细化管理，减少材料浪费，节约劳动力，减少施工流程，确保工程质量，也充分说明了BIM技术在数字化及可预制加工方面还有很大的发掘价值与潜力[4]。同时，在施工现场的管理，施工现场的整洁，安全文明施工方面也具有重要意义。

3.5 在深基坑施工过程中的研究应用

在挖土阶段利用地里信息系统（GIS）确定本项目的精确位置，利用无人机倾斜摄影原理，并运用大疆飞控软件提前规划好飞行线路，导入特定软件进行场地重建；并用Revit软件建立与现场等比例的虚拟BIM模型，如图8所示，可以完整展示挖土阶段的工作内容以及现场布置情况。利用无人机和飞控软件，起初利用飞控软件规划好飞行路线并保存，后续每个阶段都利用此路线，无人机可以自动起飞并自动采集所需要的数据（主要是图片和定位信息），把这些信息导入Context Capture Center Master软件自动进行场地实际建模，建模完成后就可以得到一个如图9所示的完整的现场实际模型。并且利用特定功能圈定模型中已经挖过的区域，就可以自动得出已出土量。同时，通过对现场实际模型与BIM模型的对比，可以更好地把握现场情况，达到可视化、信息化管控的目的。

图8 BIM维护基坑模型

图9 场地重建实际模型

由于73-02地块紧领地铁13号线，换撑方案要确保万无一失。74-01地块的地上部分提前施工，在73-02地块南侧地栈桥拆除时利用73-02地块的地下室2层顶板设置工字钢临时支撑北侧区域，方案如图10所示。利用BIM技术的可视化的优势对方案的可行性进行模拟分析，先利用Revit软件建立标准的维护及工况模型，在模型中添加换撑方案的模型，最后运行并同步Enscape进行检查分析，可以很真实地反映工况状态。通过分析，确定有4条临时换撑与格构柱及第二道支撑碰撞，如图11所示，届时会影响换撑施工。最终在图12所示的三维模型中调整了换撑位置，规避了再后期因格构柱的干扰而严重影响换撑方案的实施。

图10 紧邻地铁位置原换撑方案剖面示意

图11 换撑未避开前的情形

图12 调整后已全部避开第二道支撑及格构柱

3.6 BIM平台化协同管理

本项目采用广联达协筑BIM协同管理平台，BIM技术顾问为管理方，总承包负责施工阶段模型的维护与现场的交底，总包方对各参建单位的专业模型审核上传并整合，方便各专业单位的浏览并查看模型，发现模型中有相互冲突地方各单位根据自己的职责权限范围进行下载修改BIM模型，以达到闭合状态。平台化协作能够有效解决同业主与总包及各分包单位的有效沟通与管控。对于在模型中发现的问题，在平台上的三维模型中进行批注并提交，由BIM技术顾问审核，推送给业主，最后由业主推送给设计BIM方进行确认。但是在整个平台化推进过程中，部分推进还是不理想，有些数据需要专人去上传，自动化程度不高等因素，使得整个实施过程中部分项目管理人员及其技术人员的接受度不高。

4 BIM技术应用经济效益汇总

张江中区73-02、74-01地块项目充分利用BIM技术的可视化手段解决施工阶段诸多问题，在地下室挖土及施工阶段，尤其是临近地铁施工中，综合节约支撑及挖土工期约20 d，实现零事故率及重大方案零失误率；利用数字化挖土管控可以得出很精确的挖土进度，有利于提前做好后续挖土计划，节约挖土工期节约10 d；利用三维深化，减少模板用量达15%，减少二次搬运，综合节约人工费及材料费15万元；有效解决土建碰撞问题累计63项，主要是解决人防与非人防冲突问题，建筑与结构不协调的问题，提前跟设计方沟通解决，节约工期约15 d，规避经济损失约60万元。BIM技术在地下室管综与土建专业之间的协调有效解决专业间重大碰撞问题及净高问题120余项，此120余项问题利用返工的方式进行换算，可节省机电和土建人工费及材料费90万元。BIM技术在机电安装过程中的管线综合、三维深化、数字化预制加工、碰撞检查过程中的应用效益能够间接衡量，属于看得见的部分。在土建领域特别是施工模拟、虚拟漫游、三维场布VR技术的应用，可以减少安全事故甚至出现零事故率，但是很难直接利用经济性进行衡量其准确价值。

5 结语

BIM技术的应用不单单是BIM模型，更有价值的是其中的信息。BIM技术的数字化应用有更大的发掘空间，需要注重数字化在施工阶段的应用落地，利用Enscape+Revit的方式可以简化应用与落地难度[5]。由于建筑施工行业本身不同于其他制造业的特殊性，施工位置不固定，建筑材料多样化，现场情况复杂多变，突发状况很难预料等，没有突破性的技术及其粗放式的管理应对机制，严重制约了建筑施工数字化的道路。新技术的发展必须改变传统的管理应对机制，才能更加贴合实际，实现建筑行业的全面数字化应用。